[论文解读] Search for exotic spin-dependent interactions with a spin-based amplifier

Haowen Su, Yuanhong Wang+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 29, 2021

Atomic and Subatomic Physics Research参考文献 59被引用 74

一句话总结

该论文提出一种基于自旋的放大器，利用超极化的 129Xe 和 87Rb 自旋检测由光子玻色子介导的、具有自旋和速度依赖性的新奇相互作用。通过利用共振耦合并结合约 600 的费米接触增强因子，该方法将赝磁质场放大超过 100 倍，从而在 0.03–100 m 范围内对极化与非极化核子之间的相互作用建立了新约束，相比以往限制至少提高了两个数量级。

ABSTRACT

Development of new techniques to search for particles beyond the standard model is crucial for understanding the ultraviolet completion of particle physics. Several hypothetical particles are predicted to mediate exotic spin-dependent interactions between particles of the standard model that may be accessible to laboratory experiments. However, laboratory searches are mostly conducted for static spin-dependent interactions, with only a few experiments so far addressing spin- and velocity-dependent interactions. Here, we demonstrate a search for exotic spin- and velocity-dependent interactions with a spin-based amplifier. Our technique makes use of hyperpolarized nuclear spins as a pre-amplifier to enhance the effect of pseudo-magnetic field produced by exotic interactions by an amplification factor of > 100. Using such a spin-based amplifier, we establish constraints on the spin- and velocity-dependent interactions between polarized and unpolarized nucleons in the force range of 0.03-100 m. Our limits represent at least two orders of magnitude improvement compared to previous experiments. The established technique can be further extended to investigate other exotic spin-dependent interactions.

研究动机与目标

• 开发一种新的实验技术，用于探测标准模型之外的、具有自旋和速度依赖性的新奇相互作用。
• 克服以往搜索主要聚焦于静态自旋依赖性相互作用的局限性。
• 通过共振自旋放大机制，增强对长程、轻玻色子介导相互作用的探测灵敏度。
• 在 V4+5 和 V12+13 相互作用的耦合常数约束上，实现至少两个数量级的改进。

提出的方法

• 利用空间重叠的超极化 87Rb 和 129Xe 在气室中的自旋放大器，增强由新奇赝磁质场引起的信号。
• 通过非极化 BGO 晶体的旋转频率与 129Xe 自旋拉莫尔频率之间的共振耦合，放大微弱相互作用。
• 通过 87Rb 自旋进动的光学探测实现原子磁强计，读出由新奇相互作用在 129Xe 中诱导的横向磁化强度。
• 使用耦合布洛赫方程模拟自旋动力学，包括自旋交换弛豫以及在外场和新奇磁场作用下的进动。
• 在旋转频率 ν ≈ 4.997 Hz 处采用锁相检测，以分离赝磁质场的主要谐波分量。
• 通过窄带放大和磁屏蔽滤除高次谐波和背景信号。

实验结果

研究问题

• RQ1 自旋放大器能否增强对新奇自旋和速度依赖性相互作用的探测灵敏度？
• RQ2 在共振配置下，利用超极化核自旋可实现的最大放大倍数是多少？
• RQ3 旋转 BGO 和铝杆产生的赝磁质场在频谱内容和谐波结构上有何不同？
• RQ4 该技术能将 f4+5 和 f12+13 耦合常数的现有实验限制改善到何种程度？
• RQ5 该方法能否区分来自 BGO 晶体的信号与铝杆产生的背景贡献？

主要发现

• 自旋放大器对新奇相互作用诱导的赝磁质场实现了超过 100 倍的放大倍数。
• 实验在 0.03 m 至 100 m 的力程范围内，建立了新的无量纲耦合常数 f4+5 < 10−18 的约束。
• 对于 V12+13 相互作用，约束提升至 f12+13 < 10−33，同样范围内的改进至少达到两个数量级。
• 数值模拟证实，频率 ν 处的主要信号分量源自 BGO 晶体，而铝杆仅在 2ν、4ν 等倍频处产生偶次谐波。
• 自旋放大器的窄带带宽有效抑制了 2ν 处的信号，从而实现了对 BGO 晶体 ν 频率分量的清晰探测。
• 该技术展示了对具有高灵敏度的速度和自旋依赖性相互作用探测的可行性，为未来寻找宇称破坏性相互作用提供了可能。