Elektryczny moment dipolowy neutronu

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "Elektryczny moment dipolowy neutronu"

Maria Kulesza
4 lat temu
Przeglądów:

1 Elektryczny moment dipolowy neutronu Pomiar nedm w Instytucie Paula Scherrera Jacek Zejma Instytut Fizyki Uniwersytet Jagielloński Kraków

2 Plan Motywacja badań Zasada pomiaru EDM neutronu Wybrane aspekty analizy danych Podsumowanie Instytut Fizyki UJ 2

3 Motywacja Baryogeneza We Wszechświecie obserwujemy głównie materię. Ilość antymaterii jest znacząco mniejsza: ~ Instytut Fizyki UJ 3

4 Motywacja Baryogeneza Postulaty Andrieja Sacharowa (1967): 1. Na początku, teraz. Stąd muszą istnieć procesy niezachowujące liczbę barionową. 2., stąd prawdopodobieństwo P B B P B B. To oznacza, że symetria musi być naruszona, gdyż symetria gwarantuje równość obu prawdopodobieństw. 3. Jeżeli chcemy zapewnić zachowanie, to procesy naruszające i liczbę barionową muszą zachodzić poza warunkami równowagi termodynamicznej dlatego, że w warunkach równowagi termodynamicznej nie można odróżnić przepływu czasu w przód i w tył, iwtedy jest równoważne. Badanie procesów naruszających symetrie i jest ważne dla zrozumienia budowy naszego świata Instytut Fizyki UJ 4

5 Motywacja Baryogeneza We Wszechświecie obserwujemy głównie materię. Ilość antymaterii jest znacząco mniejsza: ~10. Stąd ~.. Jest to iloraz obserwowanej gęstości jąder atomowych do kosmicznego tła promieniowania mikrofalowego. Obliczenia: zakładając zachowanie, równą początkową ilość barionów i antybarionów, statystyczny rozkład materii we Wszechświecie oraz znając przekroje czynne na anihilację Dolgov i Zeldovich oszacowali w ~ Instytut Fizyki UJ 5

Motywacja Nowe modele teoretyczne Istnieje wiele nowych modeli teoretycznych opisujących cząstki i oddziaływania, które rozszerzają fenomenologiczny Model Standardowy, np.

6 Motywacja Nowe modele teoretyczne Istnieje wiele nowych modeli teoretycznych opisujących cząstki i oddziaływania, które rozszerzają fenomenologiczny Model Standardowy, np. Modele lewo prawo symetryczne Modele multi Higgsa Modele supersymetryczne Teorie wielkiej unifikacji (GUT) Wszystkie te teorie przewidują większe łamanie symetrii, niż Model Standardowy. Konieczne jest eksperymentalne poszukiwanie naruszenia symetrii w innych procesach, niż rozpad neutralnych mezonów K i B Instytut Fizyki UJ 6

7 Neutron Dlaczego neutron jest interesujący? Hadron złożony z 3 kwarków (udd) oddziaływanie silne i słabe. Brak przyczynków od oddziaływania jądrowego. Elektrycznie obojętny możliwość stosowania silnych pól elektrycznych. Oddziaływanie e m tylko poprzez jego moment magnetyczny. Swobodny neutron rozpada się Długi średni czas życia = ( ) s = 14 min 40 s Instytut Fizyki UJ 7

8 Neutron Dlaczego neutron jest interesujący? Neutron o bardzo niskiej energii E padając na powierzchnię oddziałuje z uśrednionym, jądrowym potencjałem charakterystycznym dla materiału powierzchni (tzw. potencjałem Fermiego) V F. Neutron odbije się od powierzchni, gdy sin sin Jeżeli, to neutron odbije się dla każdego kąta padania. n V F Neutrony o takich energiach ( 250 nev) nazywane są neutronami ultra zimnymi Instytut Fizyki UJ 8

9 nedm Pomiar elektrycznego momentu dipolowego neutronu Elektryczny moment dipolowy (EDM) dwóch ładunków +Q Q [C m] lub [ecm] Q EDM cząstki posiadającej spin e Instytut Fizyki UJ 9

10 nedm _ Niezerowa wartość EDM wiąże się z niezachowaniem symetrii i, a zakładając zachowanie, również niezachowaniem Instytut Fizyki UJ 10

nedm Pomiar elektrycznego momentu dipolowego

pierwszego, dedykowanego pomiaru: Smith,

11 nedm Pomiar elektrycznego momentu dipolowego neutronu Pierwsze oszacowanie wartości : E. M. Purcell and N. F. Ramsey (1950) d n < e cm Wynik pierwszego, dedykowanego pomiaru: Smith, Purcell, Ramsey (1957) d n < e cm Obecne ograniczenie eksperymentalne: Kolaboracja RAL Sussex ILL (2006, poprawiony w 2015) d n < e cm (90% CL) Instytut Fizyki UJ 11

nedm Pomiar elektrycznego momentu dipolowego neutronu Ostatnie

Docelowa dokładność eksperymentu nedm w Instytucie Paula Scherrera

związany z budową nowej aparatury: d n < 5 10 28 e cm d 0.

12 nedm Pomiar elektrycznego momentu dipolowego neutronu Ostatnie ograniczenie: d n < e cm. Docelowa dokładność eksperymentu nedm w Instytucie Paula Scherrera (PSI), w Szwajcarii: Etap pośredni: d n < e cm Etap końcowy związany z budową nowej aparatury: d n < e cm d 0.7 µm Jeżeli powiększy się neutron do rozmiaru Ziemi. Przewidywania Modelu Standardowego d n ~ e cm Instytut Fizyki UJ 12

13 nedm Instytut Paula Scherrera, Villigen, Szwajcaria Jedyny eksperyment nedm zbierający dane Instytut Fizyki UJ 13

magnetycznym: Częstość precesji Larmora spinu neutronu: ω

14 nedm Zasada pomiaru Neutron w (anty )równoległych polach elektrycznym i magnetycznym Precesja spinu w polu magnetycznym: Częstość precesji Larmora spinu neutronu: ω L,if.,if. 2 2, if and. ω L ~ ~ przy Instytut Fizyki UJ 14

nedm Zasada pomiaru Metoda Ramsey a e) Próbka spolaryzowanych neutronów w stałych B (1 μt) i E (12 kv/cm). Włączenie B r na czas t ~ 2s. f 30 Hz Obrót spinu o π/2.

15 nedm Zasada pomiaru Metoda Ramsey a e) Próbka spolaryzowanych neutronów w stałych B (1 μt) i E (12 kv/cm). Włączenie B r na czas t ~ 2s. f 30 Hz Obrót spinu o π/2. Swobodna precesja spinu neutronu przez czas T ~ s. E B lub E B Gdy Powtórne włączenie B r na czas ~ 2s. 30 Hz, Obrót spinu o π/2. Analiza polaryzacji spinu (pomiar ilości neutronów o obu polaryzacjach) Instytut Fizyki UJ 15

, PRL 82 (1999) 904 Niepewność statystyczna: 2 Niepewności systematyczne

16 nedm Zasada pomiaru Metoda Ramsey a Ilość zarejestrowanych neutronów z polaryzacją równą +1. E=0 C 1 x working points C 2 P.G. Harris et al., PRL 82 (1999) 904 Niepewność statystyczna: 2 Niepewności systematyczne związane głównie z polem magnetycznym, np. na dzień ~ ~ Instytut Fizyki UJ 16

17 nedm aparatura Kontrola pola magnetycznego: 6 cewek i 10 wektorowych magnetometrów do aktywnej kompensacji pola zewnętrznego. 4 warstwy osłony pasywnej z µ metalu. 32 cewki kompensujące o ustalonych prądach. 16 magnetometrów cezowych mierzących pole wokół komory precesji neutronów. Ko magnetometr rtęciowy wewnątrz komory precesji neutronów Instytut Fizyki UJ 17

18 nedm aparatura Pomieszczenie dwupoziomowe z drewna: Góra: komora pomiarowa z osłonami magnetycznymi Dół: sterowanie, układ próżniowy, detekcja neutronów etc Instytut Fizyki UJ 18

19 nedm aparatura Instytut Fizyki UJ 19

20 nedm aparatura Układ pomiarowy Instytut Fizyki UJ 20

6 Li enriched scintillators n+ 6 Li 3 H + α nedm aparatura:

wzbogacony Testy z niespolaryzowanymi UCN Transmisja 83.2 ± 0.

5 % Testy ze spolaryzowanymi UCN Zdolność analizująca 83.5 ± 4.

21 6 Li enriched scintillators n+ 6 Li 3 H + α nedm aparatura: detektor UCN UCN 110 µm 60 µm 3 H 6 Li zubożony 6 Li 6 Li wzbogacony Testy z niespolaryzowanymi UCN Transmisja 83.2 ± 0.7 % Asymetria 0.5 ± 1.5 % Testy ze spolaryzowanymi UCN Zdolność analizująca 83.5 ± 4.0 % Wydajność pomiaru nedm wyższa o 16% w stosunku do pomiaru sekwencyjnego Instytut Fizyki UJ 21

22 nedm komagnetometr rtęciowy 199 Hg PM Komora polaryzacji rtęci B 0 1μT ~ 8 Hz Płytka ćwierćfalowa do polaryzacji światła Lampa rtęciowa 204 Hg 100 ft/200s Źródło rtęci HgO Instytut Fizyki UJ 22

23 nedm komagnetometr rtęciowy 199 Hg Analiza sygnału sin 2 ale częstotliwość f nie jest stała. Chcemy znaleźć średnią częstotliwość, czyli średnią wartość pola. ~ s Instytut Fizyki UJ 23

Stąd gradienty pola wprowadzają systematyczne przesunięcie: 1.12235 10 e cm/(pt/cm).

24 nedm magnetometry cezowe 133 Cs Środek masy atomów Hg i UCN w komorze rozproszeń znajdują się na różnych wysokościach, gdyż dla neutronów nev/m. Stąd gradienty pola wprowadzają systematyczne przesunięcie: e cm/(pt/cm). 7 Cs mag odpornych na HV 9Cs mag. Magnetometry cezowe do pomiaru gradientów pola oraz pomiary map pola. Znaczenie ma nie tylko gradient, ale również,, Instytut Fizyki UJ 24

nedm wpływ gradientów pola Stosunek częstotliwości Larmora

gradient pola w kierunku Z różnica między wysokością środka

średni kwadrat pola prostopadłego do kierunku Z.

25 nedm wpływ gradientów pola Stosunek częstotliwości Larmora atomów rtęci i cezu zależy od gradientów pola: 1, gdzie gradient pola w kierunku Z różnica między wysokością środka masy atomów rtęci i UCN zależy od widma prędkości neutronów. średni kwadrat pola prostopadłego do kierunku Z. W pomiarze mierzymy: Parametr R Gradienty i pola = 11 kv/cm Instytut Fizyki UJ 25

nedm wpływ gradientów pola Stosunek częstotliwości Larmora atomów rtęci i cezu zależy od gradientów pola: 1, gdzie gradient pola w kierunku Z różnica między wysokością środka masy atomów rtęci i UCN

26 nedm wpływ gradientów pola Stosunek częstotliwości Larmora atomów rtęci i cezu zależy od gradientów pola: 1, gdzie gradient pola w kierunku Z różnica między wysokością środka masy atomów rtęci i UCN zależy od widma prędkości neutronów. średni kwadrat pola prostopadłego do kierunku Z. W pomiarze mierzymy: Parametr R Gradienty i pola znalezione z fitu. Stąd znamy R dla gradientu zerowego, czyli szukana wartość Instytut Fizyki UJ 26

27 nedm wpływ gradientów pola Skumulowana czułość obecnych pomiarów dorównała pomiarowi Sussex/RAL/ILL Instytut Fizyki UJ 27

nedm metoda echa spinowego Jak kontrolować ewolucję widma energetycznego neutronów w czasie? Neutrony o wyższych energiach łatwiej ulegają wychwytowi.

28 nedm metoda echa spinowego Jak kontrolować ewolucję widma energetycznego neutronów w czasie? Neutrony o wyższych energiach łatwiej ulegają wychwytowi. Stąd w trakcie pomiaru zmienia się. Niech rezonans będzie dla czasu. Wtedy 2 i w punkcie (e) spiny się schodzą. Pomiar jest powtarzany dla różnych czasów, czyli też poza rezonansem Instytut Fizyki UJ 28

29 nedm metoda echa spinowego Polaryzacja neutronów po zakończeniu pomiarów, cos 2,, gdzie, polaryzacja bez grawitacyjnego depolaryzowania neutronów,, Γ szybkość poprzecznej relaksacji zależna od energii neutronów i gradientów., widmo UCN ów sparametryzowane wzorem częstość dana wzorem Instytut Fizyki UJ 29

30 nedm metoda echa spinowego Polaryzacja neutronów po zakończeniu pomiarów, cos 2, Zmierzone widma UCN w funkcji czasu pomiaru dla 3 różnych gradientów: 10 pt/cm 18 pt/cm 38 pt/cm Instytut Fizyki UJ 30

31 nedm metoda echa spinowego Stąd otrzymujemy widma UCNów jako fit do wyników dla wszystkich gradientów: Fit najlepszy Widma dla najwyżej i najniżej położonego środka masy UCN ów Widma dla największej i najmniejszej średniej energii UCN ów Instytut Fizyki UJ 31

32 n2edm Nowa wersja w przygotowaniu: n2edm Dwie symetryczne komory precesji UCN. Magetometry (być może): Hg, Cs i 3 He Instytut Fizyki UJ 32

33 Podsumowanie Pomiar w PSI jest jedynym działającym eksperymentem mierzącym EDM neutronu. Eksperyment posiada najwyższą, otrzymaną w historii, czułość/dzień. Skumulowana czułość obecnych pomiarów dorównała pomiarowi Sussex/RAL/ILL. By poprawić dokładność pomiaru o więcej niż jeden rząd wielkości (lepsza statystyka oraz lepsza kontrola efektów systematycznych) koniecznym jest zbudowanie nowej aparatury: pomiar n2edm w PSI. Dziękuję za uwagę Instytut Fizyki UJ 33

Podobne dokumenty

2008/2009. Seweryn Kowalski IVp IF pok.424

2008/2009. Seweryn Kowalski IVp IF pok.424 2008/2009 seweryn.kowalski@us.edu.pl Seweryn Kowalski IVp IF pok.424 Plan wykładu Wstęp, podstawowe jednostki fizyki jądrowej, Własności jądra atomowego, Metody wyznaczania własności jądra atomowego, Wyznaczanie