CryoEDM

CryoEDM är ett partikelfysikexperiment som syftar till att mäta neutronens elektriska dipolmoment (EDM) med en precision på ~10 ^-28 ecm. Namnet är en förkortning av cryogenic neutron EDM experiment . Det tidigare namnet nEDM används också ibland, men bör undvikas där det kan finnas oklarheter. Projektet följer Sussex/RAL/ILL nEDM-experimentet, som satte den nuvarande bästa övre gränsen på 2,9×10 ⁻²⁶ ecm. För att nå den förbättrade känsligheten använder cryoEDM en ny källa för ultrakalla neutroner (UCN), som fungerar genom att sprida kalla neutroner i superfluid helium .

Experimentet är beläget vid Institut Laue–Langevin i Grenoble . Samarbetet inkluderar nEDM-teamet från Sussex University och RAL , samt nya medarbetare från Oxford och Kure , Japan. Samarbetet är anmärkningsvärt litet för ett modernt partikelfysikexperiment (cirka 30 personer).

2008 rankades experimentet som ett alfa 5-projekt (högsta prioritet) av STFC , tillsammans med de mycket större CERN- experimenten: ATLAS och CMS .

Det neutronelektriska dipolmomentet

För mer information se Neutronelektriskt dipolmoment

Även om neutronen är elektriskt neutral, består den av laddade kvarkar . En obalans i laddningen på ena sidan skulle orsaka en EDM som inte är noll. Detta skulle vara ett brott mot symmetrierna för paritet (P) och tidsomkastning (T). En neutron-EDM tros existera på någon nivå för att förklara universums materia-antimateriaasymmetri, även om varje mätning hittills har gett ett värde som överensstämmer med noll.

Gränser för neutronens EDM är en betydande begränsning för många partikelfysikteorier. Standardmodellen för partikelfysik förutsäger ett värde 10 ⁻³¹ – 10 −32 ecm, medan ^{supersymmetriska} teorier förutsäger värden i intervallet 10 ⁻²⁵ – 10 ⁻²⁸ ecm.

Mätprincip

Moderna EDM-experiment fungerar genom att mäta en förskjutning i neutronen Larmors spinprecessionsfrekvens ${\displaystyle \nu } ,$ när det applicerade elektriska fältet E vänds om. Detta ges av

$h\nu =2dE\pm 2\mu B$

där d är EDM, $\mu$ är det magnetiska dipolmomentet , B är magnetfältet och h är Planck-konstanten , ( $\pm$ beror på om fälten är parallella eller antiparallella ). När det elektriska fältet vänds om, ger detta uppenbarligen en förskjutning i precessionsfrekvensen proportionell mot EDM. Eftersom det neutronmagnetiska dipolmomentet inte är noll är det nödvändigt att skärma eller korrigera för magnetfältsfluktuationer för att undvika en falsk positiv signal.

Precessionsfrekvensen mäts med hjälp av Ramsey- separerade oscillatoriska fältmagnetiska resonansmetoder , där ett stort antal spinnpolariserade ultrakalla neutroner lagras i ett elektriskt och magnetiskt fält. En växelströmsmagnetfältspuls appliceras sedan för att rotera snurren med $\pi /2$ . Signalgeneratorn som används för att applicera pulsen spärras sedan av medan neutronen snurrar precess kring magnetfältsaxeln vid precessionsfrekvensen; efter en period av ~100 s appliceras ytterligare en fältpuls för att rotera snurren med $\pi /2$ . Om frekvensen för den applicerade signalen är exakt lika med precessionsfrekvensen kommer neutronerna alla att synkroniseras med signalgeneratorn, och de kommer alla att hamna polariserade i motsatt riktning mot hur de startade. Om det finns en skillnad mellan dessa två frekvenser, kommer vissa neutroner att hamna tillbaka i sitt ursprungliga tillstånd. Antalet neutroner i varje polarisationstillstånd räknas sedan och genom att plotta detta antal mot den applicerade frekvensen kan precessionsfrekvensen bestämmas.

Sussex/RAL/ILL neutron EDM-experimentet (nEDM)

nEDM-experimentet var ett neutron-EDM-experiment i rumstemperatur som kördes vid ILL, med ultrakalla neutroner från ILL-reaktorn. Magnetiska fältfluktuationer (en betydande källa till systematiska fel) övervakades med användning av atomär kvicksilvermagnetometer . Resultaten av mätningen publicerades 1999 och gav en övre gräns för neutronens EDM på 6,3×10 ⁻²⁶ ecm. En ytterligare analys publicerad 2006 förbättrade detta till 2,9×10 ⁻²⁶ ecm

CryoEDM

CryoEDM-experimentet är utformat för att förbättra känsligheten hos nEDM-experimentet med två storleksordningar ner till ~10 ^-28 ecm. Detta kommer att uppnås av ett antal faktorer: antalet UCN kommer att ökas med hjälp av en ny källa, där en stråle av kalla neutroner sprids ned i superfluid helium; Användningen av flytande helium istället för vakuum kommer att tillåta att det applicerade elektriska fältet ökas; förbättringar av apparaten kommer att öka den möjliga lagringstiden och polarisationsprodukten. Att gå från rumstemperatur till en kryogen mätning innebär att det har varit nödvändigt att bygga om hela apparaten. Det nya experimentet använder supraledande magnetiska blysköldar och ett SQUID -magnetometersystem.

Experimentet avslutade konstruktionen och kunde fungera under några år på ILL. Experimentet uppnådde ett antal prestationer: flera operationer av kryostat vid 0,6 K (300 L superfluid He-volym), supertermisk UCN-produktion i förväntad hastighet, demonstrerade transport till Ramsey Chamber och detektorer, utveckling/drift av solid-state UCN-detektorer i LHe, samt installation och drift av SQUID magnetometrisystem.

Men i december 2013 beslutade STFC:s vetenskapsstyrelse att utföra ett "hanterat tillbakadragande" från CryoEDM, på grund av programmets omfattning som krävs för att nå ett nytt fysikresultat i en konkurrenskraftig tidsskala utanför förväntade tillgängliga resursnivåer. Experimentet är nu avslutat från och med 2014.

Se även

Neutronelektriskt dipolmoment

externa länkar

• CryoEDM-experiment
• CryoEDM- experimentpost på INSPIRE-HEP