Электрический дипольный момент нейтрона

Электрический дипольный момент нейтрона ( nEDM ), обозначаемый d _n , является мерой распределения положительного и отрицательного заряда внутри нейтрона . Ненулевой электрический дипольный момент может существовать только в том случае, если центры распределения отрицательного и положительного заряда внутри частицы не совпадают. До сих пор не было найдено ни одного нейтронного EDM. Текущий наилучший измеренный предел для d _n равен(0,0 ± 1,1) × 10 ⁻²⁶  е ⋅см . ^[1]

Теория

Нарушение четности (P) и обращения времени (T) из-за электрического дипольного момента. μ обозначает магнитный дипольный момент нейтрона, а d — электрический дипольный момент.

Постоянный электрический дипольный момент фундаментальной частицы нарушает как четность (P), так и симметрию обращения времени (T). Эти нарушения можно понять, рассмотрев магнитный дипольный момент нейтрона и гипотетический электрический дипольный момент. При обращении времени магнитный дипольный момент меняет свое направление, тогда как электрический дипольный момент остается неизменным. При четности электрический дипольный момент меняет свое направление, но не магнитный дипольный момент. Поскольку полученная система при P и T не является симметричной относительно исходной системы, эти симметрии нарушаются в случае существования EDM. Имея также симметрию CPT , комбинированная симметрия CP также нарушается.

Прогноз Стандартной модели

Как показано выше, для генерации ненулевого nEDM необходимы процессы, нарушающие CP-симметрию . Нарушение CP наблюдалось в слабых взаимодействиях и включено в Стандартную модель физики элементарных частиц через фазу нарушения CP в матрице CKM . Однако величина нарушения CP очень мала, и, следовательно, вклад в nEDM: | d _n | ~10 ⁻³¹  е ⋅см . ^[2]

Асимметрия материи и антиматерии

Из асимметрии между материей и антиматерией во Вселенной можно предположить, что должно быть значительное количество нарушений CP . Измерение электрического дипольного момента нейтрона на гораздо более высоком уровне, чем предсказывает Стандартная модель, таким образом, напрямую подтвердило бы это подозрение и улучшило бы наше понимание процессов нарушения CP.

Сильная проблема CP

Поскольку нейтрон состоит из кварков , он также подвержен нарушению CP, возникающему из-за сильных взаимодействий . Квантовая хромодинамика — теоретическое описание сильного взаимодействия — естественным образом включает в себя термин, который нарушает CP-симметрию. Сила этого термина характеризуется углом θ . Текущий предел nEDM ограничивает этот угол значением менее 10−10 ^радиан  . Эта тонкая настройка угла  θ , который, как естественно ожидается, будет иметь порядок 1, является сильной проблемой CP .

Проблема SUSY CP

Суперсимметричные расширения Стандартной модели, такие как Минимальная суперсимметричная стандартная модель , обычно приводят к большому нарушению CP. Типичные предсказания для нейтронного ЭДМ, вытекающие из теории, лежат в диапазоне от 10−25 e ⋅cm до 10−28 e ⋅cm ^. [ 3 ] ^[ 4 ] ^{Как и} в случае сильного взаимодействия , ограничение на нейтронный ЭДМ уже ограничивает фазы нарушения CP. Однако тонкая настройка пока не столь строга.

Экспериментальная техника

Для извлечения ЭДМ нейтрона измеряется ларморовская прецессия спина нейтрона в присутствии параллельных и антипараллельных магнитных и электрических полей. Частота прецессии для каждого из двух случаев определяется как

${\displaystyle h\nu =2\mu _{\text{n}}B\pm 2d_{\text{n}}E}$,

сложение или вычитание частот, вытекающих из прецессии магнитного момента вокруг магнитного поля и прецессии электрического дипольного момента вокруг электрического поля . Из разности этих двух частот легко получить меру ЭДМ нейтрона:

${\displaystyle d_{\text{n}}={\frac {h\,\Delta \nu }{4E}}}$

Самая большая проблема эксперимента (и одновременно источник наибольшего количества систематических ложных эффектов) — гарантировать, что магнитное поле не изменится во время этих двух измерений.

История

История пределов нейтронного EDM, включая последний лучший результат, полученный в ходе сотрудничества по nEDM в PSI. ^[1] Также указано предсказание, вытекающее из Стандартной модели.

Первые эксперименты по поиску электрического дипольного момента нейтрона использовали пучки тепловых (а позже и холодных ) нейтронов для проведения измерений. Это началось с эксперимента Джеймса Смита, Перселла и Рэмси в 1951 году (и опубликованного в 1957 году) на графитовом реакторе ORNL (поскольку трое исследователей были из Гарвардского университета , этот эксперимент называется ORNL/Harvard или как-то похоже, см. рисунок в этом разделе), получив предел | d _n | <5 × 10−20 ^e  ⋅cm . ^{[5] [6]} Пучки нейтронов использовались до 1977 года для экспериментов nEDM. В этот момент систематические эффекты, связанные с высокими скоростями нейтронов в пучке, стали непреодолимыми. Окончательный предел, полученный с помощью нейтронного пучка, составляет | d n _| <3 × 10−24 е ⋅см  . ^{[ 7]}

После этого эксперименты с ультрахолодными нейтронами (УХН) взяли верх. Они начались в 1980 году с эксперимента в Ленинградском институте ядерной физики  [ru] (ЛИЯФ), в ходе которого был получен предел | d _n | <1,6 × 10−24 ^е  ⋅см . ^[8] Этот эксперимент и особенно эксперимент, начатый в 1984 году в Институте Лауэ-Ланжевена (ILL) , снизили предел еще на два порядка, получив наилучший верхний предел в 2006 году, пересмотренный в 2015 году.

За эти 70 лет экспериментов были охвачены шесть порядков величин , что наложило строгие ограничения на теоретические модели. ^[9]

Последний лучший предел | d _n | <1,8 × 10−26 ^e  ⋅см было опубликовано в 2020 году коллаборацией nEDM в Институте Пауля Шеррера (PSI). ^[1]

Текущие эксперименты

В настоящее время проводится не менее шести экспериментов, направленных на улучшение предела тока (или измерение впервые) на нейтронном ЭДМ с чувствительностью до10−28 е ^⋅см  в течение следующих 10 лет, тем самым охватывая диапазон предсказаний, исходящих из суперсимметричных расширений Стандартной модели.

• n2EDM коллаборации nEDM ^[10] в стадии строительства на источнике UCN в Институте Пауля Шеррера . ^[10] В феврале 2022 года аппарат был установлен в PSI, а ввод в эксплуатацию с нейтронами ожидается в конце 2022 года. ^[11] Ожидается, что аппарат достигнет чувствительности10−27 е ⋅см  после 500 дней эксплуатации. ^{[ 12]}
• TUCAN, эксперимент UCN nEDM, строящийся в TRIUMF ^[13]
• Эксперимент nEDM@SNS в стадии разработки (по состоянию на 2022 год) на источнике нейтронов расщепления ^{[14] [15] [16]}
• Эксперимент PNPI nEDM ожидает одобрения работы в Институте Лауэ-Ланжевена ^[17]
• Эксперимент PanEDM, проводимый в Институте Лауэ-Ланжевена ^[18]
• Электрический дипольный момент LANL (LANL nEDM) в Национальной лаборатории Лос-Аламоса ^[19]
• Электроэрозионная обработка пучка в Бернском университете , Швейцария ^[20]

Эксперимент по криогенной нейтронной ЭДМ или CryoEDM находился в стадии разработки в Институте Лауэ-Ланжевена, но его деятельность была прекращена в 2013/2014 годах. ^[21]

Смотрите также

• Аномальный электрический дипольный момент
• Аномальный магнитный дипольный момент
• Аксион – гипотетическая частица, предложенная для объяснения неожиданного сохранения CP-потенциала сильным взаимодействием.
• Электрический дипольный спиновый резонанс
• Электрический дипольный момент электрона – еще один электрический диполь, который должен существовать, но также должен быть слишком мал, чтобы его можно было измерить.
• Магнитный момент электрона
• Магнитный момент нуклона – соответствующее магнитное свойство, которое было измерено

Ссылки

1. Abel, C.; et al. (2020). «Измерение постоянного электрического дипольного момента нейтрона». Physical Review Letters . 124 (8): 081803. arXiv : 2001.11966 . Bibcode : 2020PhRvL.124h1803A. doi : 10.1103/PhysRevLett.124.081803 . PMID  32167372.
2. Дар, С. (2000). «ЭДМ нейтрона в СМ: обзор». arXiv : hep-ph/0008248 .
3. Абель, С.; Халиль, С.; Лебедев, О. (2001). «Ограничения EDM в суперсимметричных теориях». Nuclear Physics B. 606 ( 1–2): 151–182. arXiv : hep-ph/0103320 . Bibcode : 2001NuPhB.606..151A. doi : 10.1016/S0550-3213(01)00233-4. S2CID  14168743.
4. Поспелов, М.; Ритц, А. (2005). «Электрические дипольные моменты как зонды новой физики». Annals of Physics . 318 (1): 119–169. arXiv : hep-ph/0504231 . Bibcode : 2005AnPhy.318..119P. doi : 10.1016/j.aop.2005.04.002. S2CID  13827759.
5. Смит, Дж. Х.; Перселл, Э. М.; Рэмси, Н. Ф. (1957). «Экспериментальный предел электрического дипольного момента нейтрона». Physical Review . 108 (1): 120–122. Bibcode :1957PhRv..108..120S. doi :10.1103/PhysRev.108.120.
6. «Ранние фундаментальные нейтронные эксперименты в ORNL – ORNL | nEDM».
7. Dress, WB; et al. (1977). «Поиск электрического дипольного момента нейтрона». Physical Review D. 15 ( 1): 9–21. Bibcode : 1977PhRvD..15....9D. doi : 10.1103/PhysRevD.15.9.
8. Алтарев, И.С. и др. (1980). «Поиск электрического дипольного момента нейтрона с использованием ультрахолодных нейтронов». Nuclear Physics A. 341 ( 2): 269–283. Bibcode : 1980NuPhA.341..269A. doi : 10.1016/0375-9474(80)90313-9.
9. Ramsey, NF (1982). «Электродипольные моменты частиц». Annu. Rev. Nucl. Part. Sci. 32 (1): 211–233. Bibcode :1982ARNPS..32..211R. doi : 10.1146/annurev.ns.32.120182.001235 .
10. Сотрудничество ab nEDM на веб-сайте PSI: https://www.psi.ch/nedm/
11. "Фильм CNRS о n2EDM | Физика UCN | Институт Пауля Шеррера (PSI)". 23 февраля 2022 г.
12. Ayres, NJ; et al. (2021). «Дизайн эксперимента n2EDM». The European Physical Journal C. 81 ( 6): 512. arXiv : 2101.08730 . Bibcode : 2021EPJC...81..512A. doi : 10.1140/epjc/s10052-021-09298-z. PMC 8550164. PMID  34720721 . 
13. Источник ультрахолодных нейтронов TRIUMF
14. «Эксперимент nEDM на источнике нейтронов расщепления».
15. Ахмед, МВ (2019). «Новый криогенный аппарат для поиска электрического дипольного момента нейтрона». Журнал приборостроения . 14 (11): P11017. arXiv : 1908.09937 . Bibcode : 2019JInst..14P1017A. doi : 10.1088/1748-0221/14/11/P11017. S2CID  201646389.
16. "nEDM@SNS - Эксперимент по измерению электрического дипольного момента нейтрона в источнике нейтронов расщепления". nedm.ornl.gov . Национальная лаборатория Оук-Ридж . Получено 11 сентября 2024 г.
17. nrd.pnpi.spb.ru Страница нейтронного ЭДМ
18. Wurm, D.; et al. (2019). "Эксперимент по электрическому дипольному моменту нейтрона PanEDM в ILL". EPJ Web Conf. 219 : 02006. arXiv : 1911.09161 . Bibcode : 2019EPJWC.21902006W. doi : 10.1051/epjconf/201921902006. S2CID  208202103.
19. "Los Alamos Neutron Science Center (LANSCE) UCN Experiments". lansce.lanl.gov . Los Alamos National Laboratory . Получено 11 сентября 2024 г. .
20. «Пучковый ЭДМ — эксперимент с импульсным нейтронным ЭДМ».
21. "hepwww.rl.ac.uk Криогенная электроэрозионная резка". Архивировано из оригинала 2012-02-16 . Получено 2009-01-22 .