[论文解读] Testing Gravity with Muonium

K. Kirch|ArXiv.org|Feb 16, 2007

Muon and positron interactions and applications参考文献 15被引用 9

一句话总结

本文提出了一项可行的实验，利用高亮度的μ子偶素束在马赫-曾德尔干涉仪中测试反物质的引力相互作用，旨在五年内将μ子偶素的引力加速度（g）测量精度提升至10%以下。该方法利用了近期在μ子束压缩和超流氦中产生μ子偶素方面的进展，实现了对引力相移的高精度干涉检测。

ABSTRACT

Recently a new technique for the production of muon ($μ^+$) and muonium ($μ^+e^-$) beams of unprecedented brightness has been proposed. As one consequence and using a highly stable Mach-Zehnder type interferometer, a measurement of the gravitational acceleration $\bar{g}$ of muonium atoms at the few percent level of precision appears feasible within 100 days of running time. The inertial mass of muonium is dominated by the mass of the positively charged - antimatter - muon. The measurement of $\bar{g}$ would be the first test of the gravitational interaction of antimatter, of a purely leptonic system, and of particles of the second generation.

研究动机与目标

• 使用纯轻子系统对引力与反物质相互作用的首次直接实验测试。
• 以亚10%的精度测量μ子偶素的引力加速度（g），作为对反物质等效原理的关键检验。
• 克服以往反物质引力实验中因电磁场干扰导致的实验限制。
• 利用μ子偶素的高反物质成分（约99.5%）和高束流亮度，实现对引力的高灵敏度测量。
• 在反物质领域建立测试广义相对论的新实验前沿。

提出的方法

• 利用新开发的技术，产生高亮度、近乎单色的μ子偶素束，速度约为6300 m/s，1D发散角约为43 mrad。
• 采用具有三个相同、等距、平行光栅的马赫-曾德尔型干涉仪，测量μ子偶素物质波的引力相移。
• 应用激光干涉技术实现对干涉仪组件的实时校准、反馈和稳定，精度达亚50 pm。
• 通过将装置旋转π/2来校准引力相移，以消除重力对μ子条纹的影响，同时保持激光干涉条纹不变。
• 使用分段式闪烁体探测μ子偶素衰变产生的正电子，并通过微通道板对电子进行静电加速，以确定衰变位置。
• 通过正电子与电子的符合探测，抑制上游μ子衰变带来的背景，提高信噪比。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否以优于10%的精度测量由99.5%反物质组成的μ子偶素的引力加速度？
• RQ2 反物质与物质之间的引力相互作用是否符合广义相对论的预测，通过纯轻子系统进行检验？
• RQ3 尽管μ子偶素的寿命仅为2.2 μs，马赫-曾德尔干涉仪能否检测到其引力相移？
• RQ4 为避免环境噪声和萨尼亚克效应的影响，需要多高的机械与对准稳定性才能分辨引力相移？
• RQ5 利用当前μ子束技术的最新进展，是否可行实现测量引力所需的足够束流亮度与相干性？

主要发现

• 干涉仪中的引力相移估计为Φg ≈ 0.003，比地球自转引起的萨尼亚克效应（约3×10−4）大一个数量级。
• 为避免相移超过引力信号，第三块光栅的机械稳定性需达到亚50 pm（50 pm）。
• 旋转错位必须控制在20 μrad以内，以保持干涉条纹对比度。
• μ子偶素束的通量可达~10^5 s−1，能量展宽ΔE/E ≈ 0.5/270，支持高精度干涉测量。
• 该实验在五年内可行，预计对g的测量精度将优于10%。
• 通过将干涉仪旋转π/2，可实现引力相移的校准，从而将引力效应与萨尼亚克效应区分开来。