1 Pomiar elektrycznego momentu dipolowego neutronunEDM Pomiar elektrycznego momentu dipolowego neutronu

2 nEDM Program Motywacja Metoda pomiarowa Eksperymenty PodsumowanieMatoda Rabi’ego Metoda Ramsey’a neutrony ultra-zimne Eksperymenty Aparatura pomiarowa Magnetometria Rozwój eksperymentu Niepewności pomiarowe Podsumowanie Kraków, 13.maja 2008

3 nEDM P T R _ + _ + _ + _ + d s μ = μ·s d = d·s^ ^ Niezerowa wartość nEDM wiąże się z niezachowaniem symetrii P i T, a zakładając zachowanie CPT, również niezachowaniem CP. T + _ + _ R Kraków, 13.maja 2008

4 nEDM Model Standardowy zawiera mechanizm nie zachowujący symetrii CP.Każda współczesna teoria rozszerzająca MS zawiera inny mechanizm łamania CP. Wiele eksperymentów szuka łamania symetrii CP i T, w tym dużą rolę odgrywają pomiary elektrycznego momentu dipolowego. Nie tylko mierzy się EDM neutronu, ale też innych obiektów: e, μ, d, atomów, molekuł. Kraków, 13.maja 2008

5 nEDM dSM ≈ 10-32 e·cm dexp = (+0.2±1.5±0.7)·10-26e·cm(90% CL) d ≈ 2 μm Kraków, 13.maja 2008

6 nEDM Zasada pomiaru E B ω0Aby dokładność pomiaru ~ 10-27ecm dla E ≈10 kV/cm, to Δω0 ≈ 6·10-8 s-1 δB ≈ 2 ·10-16 T = 200 aT = 2 pG Kraków, 13.maja 2008

7 nEDM Zasada pomiaru: Metoda Rabi’ego t=3sDo statycznego pola B0 dodajmy prostopadłe oscylujące Br(t) t=3s t=1s t=2s - spin początkowy neutronu równoległy do osi z jest to tzw. wzór Rabi’ego. ω = ω0 by mógł zajść pełny obrót spinu Kraków, 13.maja 2008

8 nEDM Zasada pomiaru spin początkowy prostopadły do pola statycznegoφ = π/2 φ = 3π/2 φ = 0, π Stan końcowy zależy od częstości pola oscylującego, czasu jego działania oraz fazy początkowej. Rys.: D.J.R. May Praca doktorska, 1998, Uniwersytet w Sussex Kraków, 13. maja 2008 IFUJ

9 nEDM Zasada pomiaru: Metoda Ramsey’a 1. 2. 3. 4. 5.Próbka spolaryzowanych neutronów w stałym B (1 μT) i E (10 kV/cm) Włączenie Br na czas ~ 2s. 30 Hz Obrót spinu o π/2. Swobodna precesja spinu neutronu przez czas T ~ 120150 s. E↑↑B lub E↑↓B Powtórne włączenie Br na czas ~ 2s. 30 Hz, Obrót spinu o π/2. Analiza polaryzacji spinu. 1. 2. 3. 4. 5. Kraków, 13.maja 2008

10 nEDM Zasada pomiaru: Metoda Ramsey’a C1Ilość zarejestrowanych neutronów o polaryzacji +1 dla serii pomiarów z E=0. x – punkty pracy α = (C1-C2)/ (C1+C2) Dokładność pomiaru: C2 P.G. Harris et al., PRL 82 (1999) 904 Kraków, 13.maja 2008

11 nEDM UCN – neutrony ultra-zimne Vef - efektywny potencjał Fermiego n θNeutrony ultra-zimne to neutrony o energiach umożliwiających na odbicie od powierzchni materiału dla dowolnego kąta padania. Materiał Vef [neV] f [x 10-6] H20 -15 - Al 54 22.5 Fe 210 85.0 Be 252 5.0a/0.8b BeO 261 13.5 Ni/58Ni 252/335 125.0/86.0 f – współczynnik strat E = 250 neV  v = 7 m/s  λ = 57 nm  T = 3 mK 100 neV  1 m w polu grawitacyjnym a 300K, b 100K Kraków, 13.maja 2008

12 Eksperyment nEDM Belgia Francja Niemcy Polska Rosja SzwajcariaKatholieke Universiteit, Leuven Francja Laboratoire de Physique Corpusculaire, Caen Institut Laue-Langevin, Grenoble Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie, Grenoble Niemcy Physikalisch Technische Bundesanstalt, Berlin Biomagnetisches Zentrum, Jena Johannes-Gutenberg-Universität, Moguncja Technische Universität, Monachium Polska Uniwersytet Jagielloński, Kraków Rosja Joint Institute for Nuclear Research, Dubna Szwajcaria Université de Fribourg, Fribourg Paul Scherrer Institut, Villigen Eksperyment nEDM

13 nEDM Aparatura Sussex-RAL-ILL Kraków, 13.maja 2008

14 Magnetometria – Magnetometr 199HgnEDM Magnetometria – Magnetometr 199Hg 199Hg co - magnetometr Bo E UCN 199Hg ~ 8 Hz Kraków, 13.maja 2008

15 Magnetometria – Magnetometr 199HgnEDM Magnetometria – Magnetometr 199Hg 50 pT ΔB(199Hg) = 200 fT/cykl, ΔB dla dn ≈ musi być < 80 fT/cykl Różne rozkłady gęstości UCN i 199Hg Mała częstość precesji – długi czas integracji sygnału dHg < 8.7 ·10-28 ecm Potrzebny impuls rf obracający spin atomów Hg -> Δdn~ 1·10-28 Kraków, 13.maja 2008

16 Magnetometria – Magnetometr CsnEDM Magnetometria – Magnetometr Cs ≈3.5 kHz. ΔBwewn. ≈ 30 fT -> 15 fT Czas całkowania ≈ 1s. Sprzężenie zwrotne: stabilizacja pola cewkami korekcyjnymi: 1000-krotnie lepsza stabilizacja pola. System magnetometrów Cs rozmieszczonych wokół komory pomiarowej. Oscylator Rys.: S. Gröger Praca doktorska, 2005, Uniwersytet we Fryburgu (CH) Kraków, 13.maja 2008

17 Magnetometria – Magnetometr CsnEDM Magnetometria – Magnetometr Cs Zewnętrzne magnetometry są nieczułe na efekty zachodzące wewnątrz komory pomiarowej: -> co-magnetometry He i Xe Kraków, 13.maja 2008

18 nEDM reaktor: 58 MW źródło UCN: 20l LD2 w temp. 25 KFaza 1 pomiaru: Aparatura Sussex-RAL w ILL reaktor: 58 MW źródło UCN: 20l LD2 w temp. 25 K pionowy 13m neutronowód o przekroju 7x7 cm2 (58Ni) gęstość UCN w miejscu eksperymentu: 20 cm-3 Kraków, 13.maja 2008

19 nEDM aparatura przetransportowana z ILL do PSIFaza 2 pomiaru: Aparatura Sussex-RAL w PSI ( ) aparatura przetransportowana z ILL do PSI źródło spalacyjne: p+Pb wiązka pulsująca 590 MeV, 2 mA źródło UCN: 30l D2, 8K produkcja: 2·105 s-1cm-3 gęstość UCN w miejscu eksperymentu: 3000 cm-3 oczekiwana dokładność dn: 5·10-27 ecm zbiornik gromadzący UCN’y: 2 m3 moderator stały D2 wiazka p 590 MeV 2 mA moderator D2O (20-80 K) Kraków, 13.maja 2008

20 nEDM dwie komory pomiarowe lepszy transport wiązki UCNFaza 3 pomiaru: Nowa aparatura w PSI ( ) dwie komory pomiarowe lepszy transport wiązki UCN dużo większa statystyka oczekiwana dokładność dn: 5·10-28 ecm Kraków, 13.maja 2008

21 nEDM System akwizycji danych Atomic Clock VME Crate VME ControllerTime Sequencer Scaler FPGA Board Flash ADC FPGA Board Sampling ADC Trim-Coils Power Supply RF Generator Fiberlink Gbit Ethernet Fiberlink Analog Data Magnetometers Back-End PC Analog Data Neutron Detectors Data Storage SCSI USB MSCB Master Node MSCB Slow Control Devices Kraków, 13.maja 2008

22 nEDM Niepewności pomiarowe Statystyczne Systematyczne Gęstość UCN.Czas swobodnej precesji. Natężenie pola elektrycznego E. Depolaryzacja. Systematyczne Efekt v x E  Niejednorodne pole magnetyczne: gradienty, szumy. Prądy upływu wewnątrz komory pomiarowej. Wpływ zmiany pola +E na –E na warunki pomiarowe. Depolaryzacja UCN na skutek zderzeń ze ściankami komory. Wydajność detektora UCN: stabilność, czas martwy. Asymetrie aparaturowe. Efekty związane ze zmianami temperatury: wymiary, własności. Magnetometria: wpływ pola rf, EDM medium magnetometrów Rozkład gęstości UCN: grawitacja siła Coriolisa… Kraków, 13.maja 2008

23 nEDM Podsumowanie EDM neutronu jest jedną z najbardziej poszukiwanych obecnie wielkości fizycznych. Najdokładniejsza obecnie wartość została uzyskana w eksperymencie przeprowadzonym w próżni w temperaturze pokojowej. Technika ta jest rozwijana: nowe metody kontroli pola magnetycznego, nowe materiały, silniejsze źródło UCN. Cel eksperymentu w PSI: dokładność 5·10-27 ecm w ciągu 4-5 lat. Następny rząd wielkości w ciągu następnych kilku lat. Kilka innych eksperymentów stosuje techniki kriogeniczne: nadciekły He jako moderator, 3He jako polaryzator, detektor i co-magnetometr. Kraków, 13.maja 2008