基于极化3He气体自旋弛豫时间的新物理探测

Based on the recent publication of PRL 115,182001(2015), we propose to detect new physics beyond the standard model using the spin relaxations of low pressure polarized 3He gas. Rapid developments have been occurred on producing high polarization and high density polarized 3He gas in the past a few decades. On one hand, polarized 3He gas has many practical applications, for example, neutron polarizing techniques based on polarized 3He gas is the state of art technology to polarize or analyze neutrons. CMRR(China Mianyang Research Reactor) has investigated a lot of effort on studying polarized 3He gas. On the other hand, polarized noble gases are important research objectives for fundamental nuclear physics and particle physics. Polarized 3He gas is an excellent probe to detect spin dependent new physics beyond the standard model. According to the scheme of the PRL paper, based the polarized 3He neutron spin filter techniques, for a ~mbar low pressure 3He cell, if we can obtain ~1000 hours long longitudinal spin relaxation time and remove the magnetic field gradient effect precisely, we can improve the best known results by a factor of ~100.

根据申请人最近发表的PRL 115,182001(2015)中所提出实验方案，我们申请使用低压极化3He气体自旋弛豫时间来探测标准模型之外的新物理。高极化率、高密度极化惰性气体3He的研究在过去二三十年内取得了非常快速的进展。一方面，极化3He具有非常广泛的应用价值，例如：基于极化3He的中子极化技术是目前已知最先进的中子极化技术—这也是研究中子散射的中国绵阳研究堆积极开展极化3He研究的根本原因；另一方面，原子核极化的极化惰性气体是基础核物理、粒子物理等研究领域里的重要目标，极化3He原子核是与自旋相关的超越标准模型之外的新物理良好探针。根据我们在PRL文章中的方案，在极化3He极化中子技术的基础上，如果使用一个mbar量级的低压3He容器，测得约1000小时的纵向弛豫时间并精确的消除磁场梯度所造成的影响，可将已有新物理新相互作用的最好探测结果改善大约100倍。

项目拟极化3He气体自旋弛豫时间来探测标准模型之外的新物理，GE180特种玻璃气室是项目的核心和关键之一。为此，项目组突破了大尺寸GE180特种玻璃扩管工艺，初步形成了50mm以上的特种玻璃气室加工工艺，并确立了特种玻璃气室的清洗、充装和封接技术。目前项目组已经拥有3个高质量SEOP气室，2个mbar量级的MEOP气室。项目自主研制成功了基于Rb极化的3He自旋交换光学泵浦系统，相关论文发表于中国科学英文版上，为研制成功该系统，项目组自研了使用体积啁啾布拉格光栅压缩技术的连续波输出功率达百瓦量级线宽小于0.2nm并带有外置反馈稳频的激光系统。项目组还研制了体积小、重量轻、均匀度高易于放置的方形Merrit四线圈的主磁场系统。对一个气压为1.16bar的3He气室，实测最高得到72.7±0.4%的3He极化率。在新物理新相互作用探测方向，我们用理论分析的方法获得了对μ子和电子的自旋相关新相互作用的探测，该结果发表于European Physical Journal C；与清华大学、上海交通大学和北京航空航天大学合作对若干种自旋-自旋速度相关的新相互作用做出了探测，相关结果发表在Physical Review Letters上。