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Experimental Limits on Exotic Spin and Velocity Dependent Interactions Using Rotationally Modulated Source Masses and an Atomic-Magnetometer Array
Physical Review Letters ( IF 8.1 ) Pub Date : 2022-07-29 , DOI: 10.1103/physrevlett.129.051802 K Y Wu 1 , S Y Chen 1 , G A Sun 1 , S M Peng 1 , M Peng 1 , H Yan 2
Physical Review Letters ( IF 8.1 ) Pub Date : 2022-07-29 , DOI: 10.1103/physrevlett.129.051802 K Y Wu 1 , S Y Chen 1 , G A Sun 1 , S M Peng 1 , M Peng 1 , H Yan 2
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Various theories beyond the standard model predict new interactions mediated by new light particles with very weak couplings to ordinary matter. Interactions between polarized electrons and unpolarized nucleons proportional to and are two such examples, where is the spin of the electrons, and are position and relative velocity between the polarized electrons and nucleons, is the vector or axial-vector coupling constant of the nucleon, and is the axial-vector coupling constant of the electron. Such interactions involving a vector or axial-vector coupling at one vertex and an axial-vector coupling at the polarized electron vertex can be induced by the exchange of spin-1 bosons. We report new experimental upper limits on such exotic spin-velocity-dependent interactions of the electron with nucleons from dedicated experiments based on a recently proposed scheme. We rotationally modulated two source masses at a frequency of 20 Hz. We used four identical atomic magnetometers in an array form to increase the statistics and cancel the common-mode noise. We applied a data processing method based on high precision numerical integration for the four harmonic frequencies of the signal. We reverse the rotation direction of the source masses to flip the signal due to the new interactions; thus, we can apply the weighting method to remove possible slow drifting. Our constraint on the product of vector and axial-vector couplings is and on the product of axial-vector and axial-vector couplings is for an interaction range of 10 m. The new constraints on vector-axial-vector interaction improved by as much as more than 4 orders of magnitude and on axial-axial interaction by as much as 2 orders of magnitude in the corresponding interaction range, respectively.
中文翻译:
使用旋转调制源质量和原子磁力计阵列对奇异自旋和速度相关相互作用的实验限制
标准模型之外的各种理论都预测了新的轻粒子介导的新相互作用,这些粒子与普通物质的耦合非常弱。极化电子和非极化核子之间的相互作用与和是两个这样的例子,其中是电子的自旋,和是极化电子和核子之间的位置和相对速度,是核子的矢量或轴向矢量耦合常数,和是电子的轴向矢量耦合常数。这种相互作用涉及矢量或轴向矢量耦合在一个顶点和一个轴向矢量耦合在极化电子顶点可以通过自旋1玻色子的交换来诱导。我们报告了基于最近提出的方案的专门实验中电子与核子的这种奇异的自旋速度相关相互作用的新实验上限。我们旋转调制了两个源质量在 20 Hz 的频率。我们以阵列形式使用四个相同的原子磁力计来增加统计数据并消除共模噪声。我们对信号的四个谐波频率应用了一种基于高精度数值积分的数据处理方法。由于新的相互作用,我们反转了源质量的旋转方向以翻转信号;因此,我们可以应用加权方法以消除可能的缓慢漂移。我们对矢量和轴向矢量耦合乘积的约束是并且关于轴向矢量和轴向矢量耦合的乘积是对于 10 m 的相互作用范围。在相应的相互作用范围内,矢量-轴向-矢量相互作用的新约束分别提高了 4 个数量级以上,轴向-轴向相互作用提高了 2 个数量级。
更新日期:2022-07-29
中文翻译:
使用旋转调制源质量和原子磁力计阵列对奇异自旋和速度相关相互作用的实验限制
标准模型之外的各种理论都预测了新的轻粒子介导的新相互作用,这些粒子与普通物质的耦合非常弱。极化电子和非极化核子之间的相互作用与和是两个这样的例子,其中是电子的自旋,和是极化电子和核子之间的位置和相对速度,是核子的矢量或轴向矢量耦合常数,和是电子的轴向矢量耦合常数。这种相互作用涉及矢量或轴向矢量耦合在一个顶点和一个轴向矢量耦合在极化电子顶点可以通过自旋1玻色子的交换来诱导。我们报告了基于最近提出的方案的专门实验中电子与核子的这种奇异的自旋速度相关相互作用的新实验上限。我们旋转调制了两个源质量在 20 Hz 的频率。我们以阵列形式使用四个相同的原子磁力计来增加统计数据并消除共模噪声。我们对信号的四个谐波频率应用了一种基于高精度数值积分的数据处理方法。由于新的相互作用,我们反转了源质量的旋转方向以翻转信号;因此,我们可以应用加权方法以消除可能的缓慢漂移。我们对矢量和轴向矢量耦合乘积的约束是并且关于轴向矢量和轴向矢量耦合的乘积是对于 10 m 的相互作用范围。在相应的相互作用范围内,矢量-轴向-矢量相互作用的新约束分别提高了 4 个数量级以上,轴向-轴向相互作用提高了 2 个数量级。