Nötron elektrik dipol momenti - Neutron electric dipole moment

"NEDM" Burada yönlendirir. Sussex deneyi için bkz. Sussex/RAL/ILL nötron EDM deneyi .

Nötron elektrik dipol momenti (nEDM) içinde pozitif ve negatif yük dağıtımı için bir ölçüdür nötron . Sonlu bir elektrik dipol momenti , ancak parçacığın içindeki negatif ve pozitif yük dağılımının merkezleri çakışmazsa var olabilir. Şimdiye kadar nötron EDM'si bulunamadı. Şu anki, ölçülen sınır d n olduğu(0.0 ± 1.1) × 10 −26  e ⋅cm .

teori

Bir elektrik dipol momenti nedeniyle parite (P) ve zamanın tersine çevrilmesi (T) ihlali

Temel bir parçacığın kalıcı bir elektrik dipol momenti hem pariteyi (P) hem de zaman ters simetrisini (T) ihlal eder . Bu ihlaller, nötronun manyetik dipol momenti ve varsayımsal elektrik dipol momenti incelenerek anlaşılabilir . Zamanın tersine çevrilmesi durumunda, manyetik dipol momenti yönünü değiştirirken, elektrik dipol momenti değişmeden kalır. Parite altında, elektrik dipol momenti yönünü değiştirir, ancak manyetik dipol momenti değiştirmez. P ve T altında elde edilen sistem ilk sisteme göre simetrik olmadığı için, bir EDM'nin varlığı durumunda bu simetriler ihlal edilir. Ayrıca CPT simetrisine sahip olan birleşik simetri CP de ihlal edilir.

Standart Model tahmini

Yukarıda gösterildiği gibi, sonlu bir nEDM oluşturmak için CP simetrisini ihlal eden süreçlere ihtiyaç vardır . Zayıf etkileşimlerde CP ihlali gözlemlenmiştir ve CKM matrisindeki CP'yi ihlal eden faz aracılığıyla parçacık fiziğinin Standart Modeline dahil edilmiştir . Ancak, CP ihlali miktarı çok küçüktür ve dolayısıyla nEDM'ye katkısı da vardır: | d n | ~10 −31  e ⋅cm .

Madde-antimadde asimetrisi

Ana madde: Baryogenez

Evrendeki madde ve antimadde arasındaki asimetriden, büyük miktarda CP ihlali olması gerektiğinden şüpheleniliyor . Standart Model tarafından tahmin edilenden çok daha yüksek bir seviyede bir nötron elektrik dipol momentini ölçmek, bu nedenle bu şüpheyi doğrudan doğrulayacak ve CP'yi ihlal eden süreçler hakkındaki anlayışımızı geliştirecektir.

Güçlü CP sorunu

Ana madde: CP ihlali

Nötron kuarklardan oluştuğundan, güçlü etkileşimlerden kaynaklanan CP ihlaline de duyarlıdır . Kuantum renk dinamiği - güçlü kuvvetin teorik tanımı - doğal olarak CP simetrisini kıran bir terim içerir. Bu terimin gücü, θ açısı ile karakterize edilir . NEDM ilgili akım sınırı en az 10 olması için bu açı kısıtlar -10  radyan . Doğal olarak 1. dereceden olması beklenen θ açısının  bu ince ayarı , güçlü CP problemidir .

SUSY CP sorunu

Minimal Süpersimetrik Standart Model gibi Standart Modelin süpersimetrik uzantıları genellikle büyük bir CP ihlaline yol açar . Teoriden kaynaklanan nötron EDM'si için tipik tahminler 10 -25 e ⋅cm ve 10 −28 e ⋅cm arasındadır . Güçlü etkileşim durumunda olduğu gibi , nötron EDM'sindeki sınır, CP'yi ihlal eden fazları zaten kısıtlıyor. Ancak ince ayar henüz o kadar şiddetli değil.

deneysel teknik

Nötron EDM'sini çıkarmak için , paralel ve antiparalel manyetik ve elektrik alanların varlığında nötron dönüşünün Larmor presesyonu ölçülür . İki durumun her biri için presesyon frekansı şu şekilde verilir:

,

Manyetik momentin manyetik alan etrafındaki deviniminden ve elektrik dipol momentinin elektrik alan etrafındaki deviniminden kaynaklanan frekansların eklenmesi veya çıkarılması . Bu iki frekansın farkından, nötron EDM'sinin bir ölçüsü kolayca elde edilir:

Deneyin en büyük zorluğu (ve aynı zamanda en büyük sistematik yanlış etkilerin kaynağı), bu iki ölçüm sırasında manyetik alanın değişmemesini sağlamaktır .

Tarih

PSI'daki nEDM işbirliğinden elde edilen en son en iyi sonucu içeren nötron EDM sınırlarının geçmişi. Standart Modelden kaynaklanan tahmin de belirtilmiştir.

Nötronun elektrik dipol momentini araştıran ilk deneyler , ölçümü yapmak için termal (ve daha sonra soğuk ) nötron kirişlerini kullandı . Smith, Purcell ve Ramsey tarafından 1951'de (ve 1957'de yayınlandı) deneyle başladı ve | d n | <5 × 10 −20  e ⋅cm . NEDM deneyleri için 1977'ye kadar nötron ışınları kullanıldı. Bu noktada, hüzmedeki nötronların yüksek hızlarıyla ilgili sistematik etkiler aşılmaz hale geldi. Bir nötron ışını ile elde edilen son limit | d n | <3 × 10 −24  e ⋅cm .

Bundan sonra, ultra soğuk nötronlarla deneyler devraldı. 1980'de Leningrad Nükleer Fizik Enstitüsü'nde (LNPI) | d n | <1,6 × 10 −24  e ⋅cm . Bu deney ve özellikle 1984'te Institut Laue-Langevin'de (ILL)başlayan deney, limiti iki büyüklük sırası daha aşağı itti ve2006'da yukarıda belirtilen en iyi üst limiti verdi ve 2015'te revize edildi.

Bu 50 yıllık deneyler boyunca, altı büyüklük sırası kapsanmış ve böylece teorik modellere katı kısıtlamalar getirilmiştir. En son en iyi limit, PSI'daki nEDM işbirliği tarafından 2020'de yayınlandı.

Mevcut deneyler

Şu anda, nötron EDM'sinde akım sınırını iyileştirmeyi (veya ilk kez ölçmeyi) amaçlayan en az altı deney vardır.  Önümüzdeki 10 yıl boyunca 10 −28 e ⋅cm , böylece süpersimetrik uzantılardan Standart Modelegelen tahmin aralığını kapsar.

Ayrıca bakınız

Referanslar

  1. ^ a b c Abel, C.; ve diğerleri (2020). "Nötronun Kalıcı Elektrik Dipol Momentinin Ölçülmesi" . Fiziksel İnceleme Mektupları . 124 (8): 081803. arXiv : 2001.11966 . Bibcode : 2020PhRvL.124h1803A . doi : 10.1103/PhysRevLett.124.081803 . PMID  32167372 .
  2. ^ Dar, S. (2000). "SM'deki Nötron EDM: Bir İnceleme". arXiv : hep-ph/0008248 .
  3. ^ Habil, S.; Halil, S.; Lebedev, O. (2001). "Süpersimetrik teorilerde EDM kısıtlamaları". Nükleer Fizik 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. ^ Pospelov, M.; Ritz, A. (2005). "Yeni fiziğin sondaları olarak elektrik dipol momentleri". Fizik Annals . 318 (1): 119–169. arXiv : hep-ph/0504231 . Bibcode : 2005AnPhy.318..119P . doi : 10.1016/j.aop.2005.04.002 . S2CID 13827759 .  
  5. ^ Smith, JH; Purcell, EM; Ramsey, NF (1957). "Nötronun elektrik dipol momentinin deneysel sınırı". Fiziksel İnceleme . 108 (1): 120–122. Bibcode : 1957PhRv..108..120S . doi : 10.1103/PhysRev.108.120 .
  6. ^ Elbise, Dünya Bankası; ve diğerleri (1977). "Nötronun bir elektrik dipol momentini arayın". Fiziksel İnceleme D . 15 (1): 9–21. Bibcode : 1977PhRvD..15....9D . doi : 10.1103/PhysRevD.15.9 .
  7. ^ Altarev, IS; ve diğerleri (1980). "Ultra soğuk nötronlar kullanılarak nötronun elektrik dipol momenti için bir araştırma". Nükleer Fizik A . 341 (2): 269-283. Bibcode : 1980NuPhA.341..269A . doi : 10.1016/0375-9474(80)90313-9 .
  8. ^ Ramsey, NF (1982). "Parçacıkların elektrik-dipol momentleri" . Annu. Rev. Nucl. Bölüm. bilim 32 : 211–233. Bibcode : 1982ARNPS..32..211R . doi : 10.1146/annurev.ns.32.120182.001235 .
  9. ^ a b nEDM PSI Web Sitesinde İşbirliği: https://www.psi.ch/nedm/
  10. ^ TRIUMF Ultracold Nötron Kaynağı
  11. ^ "hepwww.rl.ac.uk Kriyojenik EDM" . Arşivlenmiş orijinal 2012-02-16 tarihinde . 2009-01-22 alındı .
  12. ^ "Spallasyon Nötron Kaynağında nEDM Deneyi" .
  13. ^ Ahmed, MW (2019). "Nötron Elektrik Dipol Momentini Aramak İçin Yeni Bir Kriyojenik Cihaz". Enstrümantasyon Dergisi . 14 (11): P11017. arXiv : 1908.09937 . Bibcode : 2019JInst..14P1017A . doi : 10.1088/1748-0221/14/11/P11017 . S2CID  201646389 .
  14. ^ nrd.pnpi.spb.ru Nötron EDM sayfası
  15. ^ nEDM deneyi FRM-II