[论文解读] Testing Fundamental Physics in Antihydrogen Experiments

M. Charlton, S. Eriksson+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 21, 2020

Noncommutative and Quantum Gravity Theories参考文献 40被引用 7

一句话总结

本文研究了CERN ALPHA实验中高精度反氢原子光谱测量如何检验CPT不变性、洛伦兹对称性以及等效原理等基本对称性。通过测量的1S–2S跃迁频率，推导出洛伦兹对称性和CPT对称性破坏的定量约束，并表明未来的反氢原子实验可以前所未有的灵敏度探测标准模型之外的新物理。

ABSTRACT

The recent advent of high precision antihydrogen spectroscopy opens the way to stringent experimental tests of the fundamental principles underlying particle physics and general relativity (GR), such as Lorentz and CPT invariance and the Einstein Equivalence Principle (EEP), on pure antimatter systems. In this paper, the nature and implications of these tests is investigated, with special reference to the ALPHA antihydrogen programme at CERN. This is underpinned by a theoretical review of the role of antiparticles, causality and fundamental symmetries in relativistic quantum field theory (QFT) and the theory of time measurement in GR. Low-energy effective theories which break Lorentz and CPT symmetry, or the Strong Equivalence Principle (SEP), are then introduced, together with a review of several `fifth force' scenarios involving new long-range forces which would effectively violate the universality of free-fall, or Weak Equivalence Principle (WEPff). The possible role of CPT violation in determining the matter-antimatter asymmetry of the Universe is discussed. Explicit calculations are given for the dependence on possible Lorentz and CPT violating couplings of the transition frequencies amongst the 1S, 2S and 2P hyperfine states measured in the magnetic field of the ALPHA trap and the resulting bounds are compared with existing limits. An analysis of the implications for the EEP of current free-fall and spectroscopic measurements with antihydrogen is presented and existing and potential bounds on WEPff and the universality of clocks (WEPc) are derived, together with constraints on fifth forces. Future prospects for high-precision antihydrogen spectroscopy, free-fall and gravitational redshift experiments, and anti-atom matter-wave interferometry are described and experimental possibilities involving other antimatter species are briefly outlined.

研究动机与目标

• 评估CERN ALPHA实验中反氢原子光谱测量对相对论量子场论和广义相对论基础原理的检验作用。
• 分析洛伦兹对称性和CPT对称性破坏对磁阱中反氢原子跃迁频率的影响。
• 推导出可能违反弱等效原理的第五种力情景的约束条件。
• 评估未来反氢原子实验对自由落体普遍性及引力时间膨胀偏离的敏感度。
• 阐明CPT、洛伦兹对称性和等效原理（EEP）之间测试的相互作用，鉴于它们在局域量子场论和广义相对论中的理论关联性。

提出的方法

• 使用低能有效场论，包括标准模型扩展（SME），对反氢原子中的洛伦兹对称性和CPT对称性破坏进行建模。
• 计算在ALPHA磁阱磁场中，1S、2S和2P超精细跃迁频率对SME系数的依赖关系。
• 将理论预测的跃迁频率偏移与现有实验精度（约10^12分之几）进行比较，从而推导出洛伦兹对称性和CPT对称性破坏的约束。
• 分析新长程力（标量、矢量、张量）对反氢原子自由下落和光谱的影响，区分WEPff与WEPc破坏。
• 评估引力红移和反原子物质波干涉测量在检验时钟普遍性及强等效原理中的作用。
• 回顾相对论量子场论和广义相对论的理论基础，强调因果性、局域洛伦兹不变性及CPT定理的重要性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在ALPHA磁阱的磁场下，SME中的洛伦兹对称性和CPT对称性破坏耦合如何影响反氢原子中测得的1S–2S跃迁频率？
• RQ2 从反氢原子光谱测量中获得的洛伦兹对称性和CPT对称性破坏的当前实验约束是什么？与现有极限相比如何？
• RQ3 涉及新标量、矢量或张量场的第五种力情景是否可能在不破坏时钟普遍性的情况下，导致反物质中弱等效原理的可观测破坏？
• RQ4 反氢原子实验在多大程度上能够区分对爱因斯坦等效原理、CPT对称性和洛伦兹不变性的破坏？
• RQ5 未来的高精度光谱测量、自由下落实验及物质波干涉测量实验在多大程度上能提升对标准模型之外新物理的探测灵敏度？

主要发现

• 以约10^12分之几的精度测得的反氢原子1S–2S跃迁频率，为洛伦兹对称性和CPT对称性提供了严格检验，从而得出了SME系数的新约束。
• 反氢原子中不同的超精细态（1S、2S、2P）对磁阱中洛伦兹对称性和CPT对称性破坏耦合表现出不同的敏感度，从而实现了对这些对称性的多通道检验。
• 现有宏观物质实验已将反物质的WEPff破坏约束在远低于第一代反氢原子自由下落实验可探测水平的数个数量级。
• 由矢量介导的第五种力可能对物质和反物质产生相反符号的作用，而张量力（如引力）则对两者均表现为吸引力，因此理论上可能存在仅对物质而对反物质不成立的抵消机制，但由于速度依赖性，这种抵消并非精确。
• 若反氢原子光谱或自由下落实验中得到零结果，仍不能排除WEPff破坏，只要WEPc被保持，这凸显了互补测量的必要性。
• 未来的反氢原子实验，特别是借助ELENA装置，预计可将反质子捕获效率提高达两个数量级，从而实现连续运行并提升系统控制精度，为高精度实验提供支持。