Электрический дипольный момент нейтрона

«NEDM» перенаправляется сюда. Информацию об эксперименте в Сассексе см. в разделе « Эксперимент с нейтронной ЭДМ в Сассексе/RAL/ILL» .

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 нейтронного ЭДМ не обнаружено. На данный момент лучший измеренный предел для d _n составляет (0,0 ± 1,1) × 10. ⁻²⁶  e ⋅cm .

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). нейтрона Эти нарушения можно понять, исследуя магнитный дипольный момент и гипотетический электрический дипольный момент. При обращении времени магнитный дипольный момент меняет свое направление, тогда как электрический дипольный момент остается неизменным. При четности меняет свое направление электрический дипольный момент, но не магнитный дипольный момент. Поскольку результирующая система относительно P и T не симметрична относительно исходной, эти симметрии нарушаются в случае существования ЭДМ. Имея также симметрию CPT комбинированная симметрия CP , нарушается и .

Стандартной

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, нарушающую CP, в матрице CKM . Однако величина нарушения CP очень мала, а следовательно, и вклад в nEDM: | д _н | ~ 10 ⁻³¹  e ⋅cm .

Асимметрия материи и антиматерии

Основная статья: Бариогенез

Судя по асимметрии между материей и антиматерией во Вселенной, можно предположить, что должно существовать значительное количество CP-нарушений . Таким образом, измерение электрического дипольного момента нейтрона на гораздо более высоком уровне, чем предсказывает Стандартная модель, напрямую подтвердило бы это подозрение и улучшило бы наше понимание процессов, нарушающих CP.

Сильная проблема с CP

Основная статья: CP-нарушение

Поскольку нейтрон состоит из кварков , он также подвержен CP-нарушениям, возникающим из-за сильных взаимодействий . Квантовая хромодинамика – теоретическое описание сильного взаимодействия – естественно включает в себя термин, нарушающий CP-симметрию. Сила этого члена характеризуется углом θ . Текущий предел nEDM ограничивает этот угол значением менее 10. ⁻¹⁰  радианы . Эта точная настройка угла θ , который, как ожидается, будет иметь порядок 1, является сильной CP-проблемой .

Проблема SUSY CP

Суперсимметричные расширения Стандартной модели, такие как минимальная суперсимметричная стандартная модель , обычно приводят к серьезному CP-нарушению. Типичные предсказания нейтронного ЭДМ, вытекающие из теории, находятся в диапазоне от 10 ⁻²⁵ е ⋅см и 10 ⁻²⁸ e ⋅cm . Как и в случае сильного взаимодействия , предел ЭДМ нейтрона уже ограничивает фазы, нарушающие CP. еще точная настройка Однако не столь серьезна.

Экспериментальная методика

Для извлечения ЭДМ нейтрона измеряют ларморовскую прецессию нейтрона спина в присутствии параллельных и антипараллельных магнитных и электрических полей. Частота прецессии для каждого из двух случаев определяется выражением

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

сложение или вычитание частот, возникающих в результате прецессии магнитного момента вокруг магнитного поля и прецессии электрического дипольного момента вокруг электрического поля . Из разницы этих двух частот легко получить меру нейтронного ЭДМ:

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

Самая большая проблема эксперимента (и в то же время источник крупнейших систематических ложных эффектов) состоит в том, чтобы гарантировать, что магнитное поле не изменится во время этих двух измерений.

История

История пределов нейтронного EDM, включая последний лучший результат сотрудничества nEDM в PSI. Также указывается прогноз, вытекающий из Стандартной модели.

В первых экспериментах по поиску электрического дипольного момента нейтрона использовались пучки тепловых (а позже и холодных для проведения измерений ) нейтронов. Все 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 что-то подобное, см. рисунок в этом документе ). раздел), получив лимит | д _н | < 5 × 10 ⁻²⁰  e ⋅cm . Пучки нейтронов использовались до 1977 года для экспериментов по nEDM. В этот момент систематические эффекты, связанные с высокими скоростями нейтронов в пучке, стали непреодолимыми. Окончательный предел, полученный с помощью нейтронного пучка, составляет | д _н | < 3 × 10 ⁻²⁴  e ⋅cm .

После этого на смену пришли эксперименты с ультрахолодными нейтронами (УХН). Все началось в 1980 году с эксперимента в Ленинградском институте ядерной физики (ЛИЯФ) по получению предела | д _н | < 1,6 × 10 ⁻²⁴  e ⋅cm . Этот эксперимент, и особенно эксперимент, начавшийся в 1984 году в Институте Лауэ-Ланжевена (ILL), снизил предел еще на два порядка, получив лучший верхний предел в 2006 году, пересмотренный в 2015 году.

За эти 70 лет экспериментов шесть порядков величин , что наложило строгие ограничения на теоретические модели. было охвачено

Последний лучший лимит | д _н | < 1,8 × 10 ⁻²⁶  e ⋅cm было опубликовано в 2020 году коллаборацией nEDM Института Пола Шеррера (PSI).

Текущие эксперименты

В настоящее время проводится как минимум шесть экспериментов, направленных на улучшение ограничения тока (или первое измерение) нейтронного ЭДМ с чувствительностью до 10 ⁻²⁸  e ⋅cm в течение следующих 10 лет, тем самым охватывая диапазон предсказаний, исходящих из суперсимметричных расширений Стандартной модели.

• n2EDM коллаборации nEDM строится на источнике УХН в Институте Пола Шеррера . В феврале 2022 года аппарат устанавливался в PSI, а ввод в эксплуатацию нейтронов ожидается в конце 2022 года. Ожидается, что аппарат достигнет чувствительности 10 ⁻²⁷  е ⋅см после 500 дней эксплуатации.
• TUCAN, эксперимент UCN nEDM, строящийся в TRUMF
• Строящийся эксперимент nEDM@SNS (по состоянию на 2022 г.) на источнике расщепительных нейтронов
• Эксперимент ПИЯФ nEDM ожидает одобрения эксплуатации в Институте Лауэ-Ланжевена
• Эксперимент PanEDM строится в Институте Лауэ-Ланжевена
• Электрический дипольный момент LANL (LANL nEDM) в Национальной лаборатории Лос-Аламоса
• Лучевая электроэрозионная обработка в Бернском университете , Швейцария.

Эксперимент с криогенной нейтронной ЭДМ или CryoEDM разрабатывался в Институте Лауэ-Ланжевена, но его деятельность была остановлена ​​в 2013/2014 году.

См. также

• Аномальный электрический дипольный момент
• Аномальный магнитный дипольный момент
• Аксион - гипотетическая частица, предложенная для объяснения неожиданного сохранения CP 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 еще можно было измерить.
• Магнитный момент электрона
• Магнитный момент нуклона - соответствующее магнитное свойство, которое было измерено.