양성자의 자기 모멘트 CPT 대칭성

양성자의 자기 모멘트을 직접 측정하여 상대오차(실제 값에 대한 오차 비율)이 10억분의 3.3(3.3ppb)라는 초정밀 측정값을 얻는 데 성공했습니다. 이것은 국제주간 연구단위 스테판 왈마조치 단위지도자를 중심으로하는 팀과 독일 마인츠대학 중이온 연구소(GSI), 막스 플랑크 물리학 연구소와의 공동연구그룹에 의한 성과입니다.

현재의 우주가 빅뱅에 의해 만들어진 같은 양의 물질과 반물질이 완전히 소멸하지 않았기 때문에 일부 물질이 살아 있다고 믿고 있습니다. 그런데 왜 물질과 반물질이 완전히 대 소멸 않았는가 것은 지금도 현대 물리학의 큰 수수께끼의 하나가되고 있습니다. 지금까지 물질과 반물질의 차이를 관측하는 시도가 많이 이루어지고 있습니다 만, 그 중에서도 물질과 반물질의 자기 모멘트를 비교하는 연구에 기대가 걸려 있습니다. 조금이라도 양자의 자기 모멘트의 차이를 발견 할 수있는 경우 " 물질 - 반물질 비대칭 [3] '의 설명이 가능하게되기 때문입니다. 이것은 입자 물리의 표준 이론 [4] 의 구성 요소 인 ' CPT 대칭성 [5] "를 흔드는 것에 연결됩니다. 공동 연구 그룹은 이번 양성자와 반대 양성자의 자기 모멘트 중 양성자의 

자기 모멘트를 초고 정밀도로 구하는 시도에 도전했습니다.

실험에서는 입자의 질량과 자기 모멘트를 정밀 측정 할 수있는 페 닝 트랩 [6] 라는 장치를 사용했습니다. 이 장치는 자기장과 전기장에서 입자를 포획합니다. 1 개의 양성자를 넣고 자기 모멘트를 직접 측정 한 결과, 2012 년에 하버드 대학과 마인츠 대학에서 각각 열린 페 닝 트랩을 이용한 양성자의 자기 모멘트의 직접 측정에 비해 측정 정확도가 760 배 향상 했다는 것을 확인했습니다. 또한 1972 년에 실시 된 양성자 대신 수소 원자를 사용 간접 측정의 정밀도보다 2.5 배 정밀이었습니다. 이번 양성자의 자기 모멘트의 정밀 측정에 성공함으로써 물질 - 반물질 대칭성 검증의 절반을 달성 한 것입니다.

배경

양성자와 반대 양성자의 자기 모멘트를 정확하게 측정하고 양자를 비교하는 것은 입자 물리학의 표준 이론의 검증에 연결됩니다. 표준 이론은 알려진 양자간에 발생하는 전자기 상호 작용 등의 기본적인 상호 작용에 대한 이론이며, 하전 공액 변환 (C) 공간 반전 (P), 시간 반전 (T)를 동시에 CPT 변환 [5] 에 대해 불변입니다. 물질이 반물질에 바뀌어, 시간이 거꾸로 흐른다 경상 우주에서 관측되는 물리량은 우주에서 관찰되는 것과 동일한 것을 의미합니다. 따라서 물질과 반물질의 질량과 수명이 동일해야하고, 서로 충돌하면 완전히 소멸해야합니다. 또한 그 전하, 자기 모멘트는 같고 부호는 반대해야합니다. 이러한 의미에서, 양성자와 반대 양성자의 자기 모멘트를 정확하게 측정하고 양자를 비교하는 것은 표준 이론의 검증에 이어, 또한 그 차이가 입증되면, 물질 - 반물질 비대칭의 설명 할 수 있습니다.

공동 연구 그룹은 이번 양성자의 자기 모멘트를 직접 정밀 측정하게 도전했습니다. 양성자의 자기 모멘트를 측정하는 방법에는 직접 측정과 양자 대신 수소 원자를 사용 간접 측정합니다. 간접 측정, 그 결과에 대해서 이론적 보정을 할 필요가 있기 때문에 실험 결과뿐만 아니라 보정을위한 물리학 이론도 정확해야합니다. 이에 대해 직접 측정은 물리학 이론에 좌우되지 않고 결과를 도출 할 수있는 것과 동시에, 간접 측정시 이용한 물리학 이론의 진위를 검증 할 수 있습니다.

연구 방법 및 성과

양성자의 자기 모멘트는 양성자가 자기장 속에서받는 토크의 강도를 나타냅니다. 그러나 그 값은 매우 작고, 예를 들어 양자를 하나의 자석으로 간주하면받는 자기 모멘트의 힘은 방위를보기 위해 사용하는 일반적인 나침반의 바늘이받는 자기 모멘트 강도의 10 24 분의 1 하면 매우 작습니다. 따라서 양성자의 자기 모멘트를 정확하게 구할에는 초고감도의 측정장비가 필요합니다.

공동연구 그룹은 자기장과 전기장에서 입자를 붙잡는 페닝트랩 장치를 이용하여 그 속에 1개의 양성자를 가두 었습니다. 페닝트랩속의 양자는 진자 같이 진동합니다. 이 진동 운동은 페닝트랩 전극에 몇 펨토 암페어 (1 펨토 암페어는 1,000 조분의 1 암페어)의 미세한 전류를 흘려 발생시킵니다. 고감도 검출기를 이용하여 그 미세한 전류를 감지하여 페 닝 트랩의 양성자의 운동 주파수를 측정 할 수 있습니다.

여기에서 또한 자기 모멘트를 구하기 위해서는 운동 주파수 이외에 라르 모르 주파수 [8] 을 측정해야합니다. 이 주파수는 자기 모멘트의 방향을 측정 할 수있다 " 연속 테른 겔 라크 하 효과 [9] "을 이용하여 측정 할 수 있습니다. 이 방법을 사용하려면 불균일 자장 (마그네틱 병)을 페 닝 트랩에 도입해야합니다 ( 그림 1 ). 그러면 자기장 방향으로 진동하는 양성자의 운동 주파수가 자기 모멘트의 방향에 따라 변화합니다. 그 자기 모멘트의 방향의 변화 가능성을 RF 구동 주파수 [10] 의 함수로 측정하여 라르 모르 주파수를 결정합니다. 라르 모르 주파수와 자기장의 양성자의 운동 주파수의 비를 이용해 자기 모멘트를 계산합니다.

그러나 양성자의 자기 모멘트의 힘은 전술 한 바와 같이 매우 작기 때문에 측정이 어렵고 양성자의 자기 모멘트의 방향 결정에 이용하는 마그네틱 병이 운동 주파수와 라르모르 주파수를 모두 측정을 막기 위하여 측정 정밀도를 올리는 것이 곤란합니다. 공동 연구 그룹은 이 문제를 극복하기 위해 운동주파수와 라르모르 주파수의 정밀 측정만할 균일 자기장의 함정과 자기 모멘트의 방향을 측정하는 자기장의 자기 병을 도입한 트랩의 두트랩을 가진 "더블페닝 트랩법"을 개발했습니다.

더블페닝트랩법에 의해 양성자의 자기 모멘트를 정확하고 직접적으로 측정 한 결과, 3.3 ppb는 상대 오차를 얻었습니다. 이에 따라 기존의 페닝트랩에 의한 직접 측정의 정밀도를 약 760배 인상 동시에 4 년 전에 만들어진 간접 측정의 정밀도보다 2.5 배 높이는 데 성공했습니다. 또한 간접 측정시 이용한 이론적 보정이 올바른지 입증 할 수있었습니다.