КриоЭДМ

CryoEDM — это эксперимент по физике элементарных частиц , направленный на измерение электрического дипольного момента (EDM) нейтрона с точностью ~10−28 ^ecm . ^[1] Название является аббревиатурой от cryogenic neutron EDM experimental . Предыдущее название nEDM также иногда используется, но его следует избегать, так как может возникнуть двусмысленность. Проект следует за экспериментом Sussex/RAL/ILL nEDM, который установил текущий лучший верхний предел 2,9×10−26 ^ecm . ^[2] Для достижения улучшенной чувствительности cryoEDM использует новый источник ультрахолодных нейтронов (UCN), который работает путем рассеивания холодных нейтронов в сверхтекучем гелии .

Эксперимент проводится в Институте Лауэ–Ланжевена в Гренобле . В сотрудничество входят команда nEDM из Университета Сассекса и RAL , а также новые сотрудники из Оксфорда и Куре , Япония. Сотрудничество на удивление мало для современного эксперимента по физике элементарных частиц (около 30 человек).

В 2008 году эксперимент был оценен STFC как проект уровня альфа 5 (высший приоритет) , вместе с гораздо более крупными экспериментами ЦЕРНа : ATLAS и CMS . ^[3]

Для получения дополнительной информации см. Электрический дипольный момент нейтрона.

Хотя нейтрон в целом электрически нейтрален, он состоит из заряженных кварков . Дисбаланс заряда на одной стороне вызвал бы ненулевой ЭДМ. Это было бы нарушением симметрии четности (P) и обращения времени (T). Считается, что на каком-то уровне существует ЭДМ нейтрона, чтобы объяснить асимметрию материи-антиматерии Вселенной , хотя на сегодняшний день каждое измерение дало значение, согласующееся с нулем.

Ограничения на ЭДМ нейтрона являются существенным ограничением для многих теорий физики элементарных частиц. Стандартная модель физики элементарных частиц предсказывает значение 10−31 ^– 10−32 ^ecm , в то время как суперсимметричные теории предсказывают значения в диапазоне 10−25 ^– 10−28 ^ecm .

Современные эксперименты EDM работают, измеряя сдвиг частоты прецессии спина Лармора нейтрона , когда приложенное электрическое поле E меняет знак. Это определяется как${\displaystyle \nu}$

${\displaystyle ч\nu =2dE\pm 2\mu B}$

где d — это EDM, — магнитный дипольный момент , B — магнитное поле, а h — постоянная Планка ( зависит от того, параллельны или антипараллельны поля). Очевидно, что при изменении полярности электрического поля на противоположную это приводит к сдвигу частоты прецессии, пропорциональному EDM. Поскольку магнитный дипольный момент нейтрона не равен нулю, необходимо экранировать или корректировать флуктуации магнитного поля, чтобы избежать ложного положительного сигнала.${\displaystyle \мю}$${\displaystyle \pm}$

Частота прецессии измеряется с помощью метода магнитного резонанса с разделенным колебательным полем Рамсея , в котором большое количество спин- поляризованных ультрахолодных нейтронов хранится в электрическом и магнитном поле. Затем подается импульс переменного магнитного поля для вращения спинов на . Генератор сигналов, используемый для подачи импульса, затем отключается, пока спины нейтронов прецессируют вокруг оси магнитного поля с частотой прецессии; через период ~100 с подается еще один импульс поля для вращения спинов на . Если частота подаваемого сигнала точно равна частоте прецессии, все нейтроны будут синхронизированы с генератором сигналов, и все они окажутся поляризованными в противоположном направлении от того, в котором они были изначально. Если между этими двумя частотами есть разница, то некоторые нейтроны вернутся в свое исходное состояние. Затем подсчитывается количество нейтронов в каждом состоянии поляризации, и, нанося это число на график относительно подаваемой частоты, можно определить частоту прецессии.${\displaystyle \пи /2}$${\displaystyle \пи /2}$

Эксперимент nEDM был экспериментом по нейтронному EDM при комнатной температуре, который проводился в ILL с использованием ультрахолодных нейтронов из реактора ILL. Флуктуации магнитного поля (значительный источник систематической ошибки) контролировались с помощью атомного ртутного магнитометра . Результаты измерений были опубликованы в 1999 году, дав верхний предел нейтронного EDM 6,3×10 ⁻²⁶ ecm. ^[4] Дальнейший анализ, опубликованный в 2006 году, улучшил это значение до 2,9×10 ⁻²⁶ ecm ^[2]

Эксперимент cryoEDM призван повысить чувствительность эксперимента nEDM на два порядка до ~10 ⁻²⁸ ecm. Это будет достигнуто за счет ряда факторов: количество UCN будет увеличено с использованием нового источника, в котором пучок холодных нейтронов рассеивается внутри сверхтекучего гелия; использование жидкого гелия вместо вакуума позволит увеличить приложенное электрическое поле; усовершенствования в аппарате увеличат возможное время хранения и поляризационный продукт. Переход от комнатной температуры к криогенному измерению означает, что необходимо перестроить весь аппарат. В новом эксперименте используются сверхпроводящие свинцовые магнитные экраны и система магнитометра SQUID .

Эксперимент завершил строительство и смог работать в течение нескольких лет в ILL. Эксперимент достиг ряда достижений: многократные операции криостата при 0,6 К (объем сверхтекучего Не 300 л), сверхтермическое производство УХН с ожидаемой скоростью, продемонстрированная транспортировка в камеру Рамсея и детекторы, разработка/эксплуатация твердотельных детекторов УХН в LHe, а также установка и эксплуатация системы магнитометрии SQUID.

Однако в декабре 2013 года Научный совет STFC принял решение о «управляемом выходе» из CryoEDM из-за масштаба программы, необходимой для достижения нового физического результата в конкурентоспособные сроки за пределами ожидаемых уровней доступных ресурсов. ^[5] Эксперимент был завершен в 2014 году.

• Электрический дипольный момент нейтрона

• Эксперимент CryoEDM
• Запись эксперимента CryoEDM на INSPIRE-HEP