Elektryczny moment dipolowy neutronu

Elektryczny moment dipolowy neutronu ( nEDM ), oznaczony dn , jest miarą rozkładu ładunku dodatniego i ujemnego _wewnątrz neutronu . Skończony elektryczny moment dipolowy może istnieć tylko wtedy, gdy środki rozkładu ładunku ujemnego i dodatniego wewnątrz cząstki nie pokrywają się. Jak dotąd nie znaleziono żadnego neutronowego EDM. Obecnie najlepiej zmierzona granica dla d _n wynosi   (0,0 ± 1,1) × 10 ⁻²⁶ e ⋅cm .

Teoria

Naruszenie parzystości (P) i odwrócenia czasu (T) z powodu elektrycznego momentu dipolowego

Trwały elektryczny moment dipolowy cząstki elementarnej narusza zarówno symetrię parzystości (P), jak i symetrię odwrócenia czasu (T). Te naruszenia można zrozumieć, badając magnetyczny moment dipolowy neutronu i hipotetyczny elektryczny moment dipolowy. W odwróceniu czasu magnetyczny moment dipolowy zmienia swój kierunek, podczas gdy elektryczny moment dipolowy pozostaje niezmieniony. Przy parzystości elektryczny moment dipolowy zmienia swój kierunek, ale nie magnetyczny moment dipolowy. Ponieważ powstały układ pod P i T nie jest symetryczny względem układu początkowego, symetrie te są łamane w przypadku istnienia EDM. Mając również symetrię CPT , łamana jest również symetria złożona CP .

Przewidywanie modelu standardowego

Jak pokazano powyżej, aby wygenerować skończony nEDM, potrzebne są procesy naruszające symetrię CP . Naruszenie CP zaobserwowano w oddziaływaniach słabych i jest ono włączone do Modelu Standardowego fizyki cząstek elementarnych poprzez fazę naruszającą CP w macierzy CKM . Jednak ilość naruszeń CP jest bardzo mała, a zatem także wkład do nEDM: | dn _{_} | ~ ^_   10-31 mi ⋅cm .

Asymetria materia – antymateria

Główny artykuł: Bariogeneza

Z asymetrii między materią a antymaterią we wszechświecie można podejrzewać, że musi istnieć znaczna ilość naruszeń CP . Pomiar elektrycznego momentu dipolowego neutronów na znacznie wyższym poziomie niż przewidywany przez Model Standardowy bezpośrednio potwierdziłby to podejrzenie i poprawiłby nasze zrozumienie procesów naruszających CP.

Silny problem z CP

Główny artykuł: naruszenie CP

  Ponieważ neutron zbudowany jest z kwarków , jest również podatny na łamanie CP wynikające z oddziaływań silnych . Chromodynamika kwantowa – teoretyczny opis oddziaływania silnego – naturalnie zawiera termin, który łamie symetrię CP. Siłę tego wyrazu charakteryzuje kąt θ . Obecny limit nEDM ogranicza ten kąt do wartości mniejszej niż ^10-10 radianów . To precyzyjne dostrojenie kąta θ , który w naturalny sposób oczekuje się, że będzie rzędu 1, jest silnym problemem CP .

Problem z SUSY CP

Supersymetryczne rozszerzenia Modelu Standardowego, takie jak Minimalny Supersymetryczny Model Standardowy , generalnie prowadzą do dużego naruszenia CP . Typowe prognozy dla EDM neutronów wynikające z teorii mieszczą się w ^zakresie 10-28 e ⋅cm od ^. 10-25 e ⋅cm do Podobnie jak w przypadku oddziaływania silnego , granica EDM neutronów już ogranicza fazy naruszające CP. Dostrajanie nie jest jednak jeszcze tak ostre .

Technika eksperymentalna

Aby wyodrębnić EDM neutronu, mierzy się precesję Larmora spinu neutronu w obecności równoległych i antyrównoległych pól magnetycznych i elektrycznych. Częstotliwość precesji dla każdego z dwóch przypadków jest określona wzorem

${\ Displaystyle h \ nu = 2 \ mu _ {\ tekst {n}} B \ pm 2d _ {\ tekst {n}} E}$ ,

dodawanie lub odejmowanie częstotliwości wynikających z precesji momentu magnetycznego wokół pola magnetycznego i precesji elektrycznego momentu dipolowego wokół pola elektrycznego . Z różnicy tych dwóch częstotliwości można łatwo uzyskać miarę EDM neutronów:

${\ Displaystyle d _ {\ tekst {n}} = {\ Frac {h \, \ delta \ nu} {4E}}}$

Największym wyzwaniem eksperymentu (a jednocześnie źródłem największych systematycznych fałszywych efektów) jest zapewnienie, aby pole magnetyczne nie zmieniało się podczas tych dwóch pomiarów.

Historia

Historia ograniczeń neutronowego EDM, w tym najnowszy najlepszy wynik współpracy nEDM w PSI. Wskazano również prognozę wynikającą z Modelu Standardowego.

Pierwsze eksperymenty poszukujące elektrycznego momentu dipolowego neutronu wykorzystywały do ​​pomiaru wiązki neutronów termicznych (później zimnych ). Zaczęło się od eksperymentu przeprowadzonego przez Jamesa Smitha, Purcella i Ramseya w 1951 r. (i opublikowanego w 1957 r.) w reaktorze grafitowym ORNL (ponieważ trzej badacze pochodzili z Uniwersytetu Harvarda , eksperyment ten nosi nazwę ORNL/Harvard lub coś podobnego, patrz rysunek w tym sekcja), uzyskując granicę | dn _{_} | < 5 × ^_   10-20 mi ⋅cm . Wiązki neutronów były używane do 1977 roku w eksperymentach nEDM. W tym momencie systematyczne efekty związane z dużymi prędkościami neutronów w wiązce stały się nie do pokonania. Ostateczna granica uzyskana za pomocą wiązki neutronów wynosi | dn _{_} | < ^_   3 × 10-24 mi ⋅cm .

Potem dominowały eksperymenty z ultrazimnymi neutronami (UCN). Zaczęło się w 1980 roku od eksperymentu w Leningradzkim Instytucie Fizyki Jądrowej (LNPI), w którym uzyskano granicę | dn _{_} | <   1,6 × 10-24 ^mi ⋅cm _ . Ten eksperyment, a zwłaszcza eksperyment rozpoczęty w 1984 roku w Institut Laue-Langevin (ILL), obniżył limit o kolejne dwa rzędy wielkości , uzyskując najlepszą górną granicę w 2006 roku, poprawioną w 2015 roku.

W ciągu tych 70 lat eksperymentów uwzględniono sześć rzędów wielkości , co nałożyło surowe ograniczenia na modele teoretyczne.

Najnowszy najlepszy limit został opublikowany w 2020 r. przez zespół nEDM w Instytucie Paula Scherrera (PSI).

Bieżące eksperymenty

Obecnie istnieje co najmniej sześć eksperymentów mających na celu poprawę ograniczenia prądowego (lub pomiar po raz pierwszy) na neutronowym EDM o czułości obniżonej do   10 ⁻²⁸ e ⋅cm w ciągu najbliższych 10 lat, tym samym obejmując zakres prognoz nadchodzących od rozszerzeń supersymetrycznych do Modelu Standardowego.

• n2EDM współpracy nEDM w budowie u źródła UCN w Instytucie Paula Scherrera . W lutym 2022 roku aparat był ustawiany w PSI, a uruchomienie z neutronami spodziewane jest pod koniec 2022 roku ^.   e ⋅cm po Oczekuje się, że aparat osiągnie czułość 10-27 500 dniach pracy.
• Eksperyment UCN nEDM w trakcie budowy w TRIUMF
• Eksperyment nEDM @ SNS w budowie (stan na 2022 r.) W Spallation Neutron Source
• Eksperyment PNPI nEDM oczekujący na zatwierdzenie operacji w Institut Laue-Langevin
• Eksperyment PanEDM budowany w Institut Laue-Langevin
• Eksperyment kriogenicznego neutronu EDM zatrzymany w Institut Laue-Langevin
• „NEDM” przekierowuje tutaj. Aby zapoznać się z eksperymentem Sussex, zobacz eksperyment Sussex / RAL / ILL neutron EDM .

Zobacz też

• Elektryczny moment dipolowy elektronu