27 listopada 2009 K. Bodek, Seminarium w Zakładzie Fizyki Doświadczalnej UW 2

Transkrypt

1 Test niezmienniczości Lorentza przy pomocy ultra zimnych neutronów Kazimierz Bodek Instytut Fizyki im. Mariana Smoluchowskiego Uniwersytet Jagielloński

2 Abstrakt W referacie omówiony będzie eksperyment, w którym porównano pomiary czasu wykonywane przy pomocy dwóch zegarów: atomowego, wykorzystującego y atomy 199 Hg oraz zegara opartego o ultra zimne neutrony. Poszukiwano dobowej modulacji sygnału, która świadczyłaby o istnieniu kosmicznej anizotropii łamiącej niezmienniczość Lorentza. Otrzymano pierwsze bezpośrednie ograniczenie na wielkość takich egzotycznych efektów dla swobodnych neutronów oraz określono górną granicę na wartość grawitacyjnego momentu dipolowego neutronu w jego oddziaływaniu ze Słońcem. 27 listopada 2009 K. Bodek, Seminarium w Zakładzie Fizyki Doświadczalnej UW 2

3 Plan Dlaczego badać ć swobodny neutron? Neutron a fundamentalne zagadnienia fizyki Niezmienniczość Lorentza i symetrie dyskretne C, P, T Sprzężenie spinu i grawitacji Elektryczny moment dipolowy (EDM) neutronu Eksperymenty porównujące wskazania zegarów Zegary oparte na precesji spinu UCN i atomów 199 Hg Poszukiwanie modulacji dobowych w stosunku częstości precesji Wyniki Podsumowanie i perspektywy 27 listopada 2009 K. Bodek, Seminarium w Zakładzie Fizyki Doświadczalnej UW 3

4 Dlaczego badać swobodny neutron? Główny cel fizyki cząstek elementarnych: stworzyć spójny obraz fundamentalnych oddziaływań w Naturze Front wysokich energii: Operuje w skali TeV (10 12 ev) badania drugiej (s, c, µ, ν µ ) i trzeciej (b, t, τ, ν τ ) rodziny cząstek Front niskich energii (neutrony, atomy): Operuje w skali nev (10-9 ev) badania pierwszej (u, d, e, ν e ) rodziny cząstek Osiągana czułość może budzić respekt: Energia: E/E ( E ev) Pęd: p/p Polaryzacja spinowa: s/s 10-7 Fundamentalna fizyka neutronu dostarcza ponad 20 obserwabli bogatych w informacje trudno dostępne (lub w ogóle niedostępne) w innych sektorach fizyki cząstek 27 listopada 2009 K. Bodek, Seminarium w Zakładzie Fizyki Doświadczalnej UW 4

5 Neutron a fizyka oddziaływań elementarnych Rozpad beta czas życia korelacje kierunkowe Unitarność CKM, nukleogeneza Elektryczny Moment Dipolowy Badanie symetrii T-CP ( okno na fizykę poza MS) Oscylacje n-n bar Niezachowanie liczby barionowej Oscylacje n-n n (neutron neutron lustrzany) Mieszanie stanów materii zwykłej z hipotetyczną materią lustrzaną Interferometria neutronowa Faza topologiczna Berry ego Stany ściśnięte (Aharonov-Bohm, Aharonov-Cashier) Neutrony a grawitacja Skwantowane stany energii neutronu w polu grawitacyjnym Ziemi Dodatkowe wymiary Sprzężenie spin-grawitacja 27 listopada 2009 K. Bodek, Seminarium w Zakładzie Fizyki Doświadczalnej UW 5

6 Łamanie symetrii Lorentza Symetria Lorentza jest fundamentalną właściwością opisu przyrody zarówno w sektorze cząstek elementarnych (SM), jak i w Ogólnej Teorii Względności (GR) SM i GR są (prawdopodobnie!) uproszczeniami w granicy niskich energii fundamentalnej Teorii Wszystkiego (TW) obowiązującej w skali Plancka SM i GR są lorenzowsko niezmiennicze (LI) Nawet jeśli TW jest również LI, to mechanizm spontanicznego łamania symetrii może prowadzić do mierzalnych odstępstw od SM i GR W praktyce oznacza to, że Wszechświat wypełnia (dodatkowo) pole b (cosmic anizotropy field), z którym sprzęga się spin V = σ b 27 listopada 2009 K. Bodek, Seminarium w Zakładzie Fizyki Doświadczalnej UW 6

7 Łamanie symetrii Lorentza Może on być wykryty jako zaburzenie precesji wirujących ciał n spin up 27 listopada 2009 K. Bodek, Seminarium w Zakładzie Fizyki Doświadczalnej UW 7

8 Łamanie symetrii CPT C,P,T w grawitacji Istnieje szereg rozszerzeń SM łamiących LI oraz CPT [D. Colladay, V.A. Kostelecky, PRD 55, 6750 (1997); V.A. Kostelecky, R. Potting, PRD 51, 3923 (1995)] OBSERWACJA: : imsłabsze oddziaływanie, tym więcej łamanych jest symetrii dyskretnych [J. Leitner, S. Okubo, PR 136, B1542 (1964)] WNIOSEK: : w oddziaływaniu grawitacyjnym (na poziomie kwantowym) powinny być łamane dyskretne symetrie związane z operatorami P, C, T lub ich kombinacjami Np., żeby wykryć naruszenie symetrii należy użyć odpowiedniej obserwabli: P pseudoskalar, T nieparzysta funkcja operatorów spinu i pędu W najniższym rzędzie, w 2-ciałowym ł potencjale grawitacyjnym powinny się znaleźć człony: ( ) =, ( σ ± σ ) r ( ), ( σ σ ) r ( ) U r Gmm r U r U r listopada 2009 K. Bodek, Seminarium w Zakładzie Fizyki Doświadczalnej UW 8

9 Łamanie symetrii CPTw C,P,T grawitacji Dla cząstek elementarnych Gm 1 m 2 jest dramatycznie mały, więc m 2 M (masa Ziemi, Słońca, etc.) r wektor jednostkowy od m 1 do środka ciała o masie M Na powierzchni i Ziemi i r = R ( ) [ 1 σ r] U R = U + A + c 0 ˆ Najogólniejsza postać potencjału grawitacyjnego, który nie zachowuje C, P i T [parametryzacja Hari Dass, PRL 36, 393 (1976)] GM σ r GM σ v GM r v = α1 + α α 2 3 µ 2 c r c r c r ( ) 1 1 U R Rozszczepienie i poziomu energetycznego cząstki (i przejścia) w polu grawitacyjnym w zależności od orientacji spinu Zaburzenie precesji Larmora spinu cząstek w rytmie dobowym 27 listopada 2009 K. Bodek, Seminarium w Zakładzie Fizyki Doświadczalnej UW 9

10 Łamanie symetrii Lorentza i CPT C,P,T w grawitacji Spodziewane odstępstwa są bardzo małe (na poziomie 10 należy użyć najdokładniejszych metod ev) 20 ev Najdokładniej umiemy mierzyć częstotliwość: f/f (rekord!) WNIOSEK: : porównanie wskazań różnych ale współmiejscowych (co-location)) zegarów zmieniających w kontrolowany sposób swoją orientację w przestrzeni Najdokładniejsze zegary wykorzystują sygnały elektromagnetyczne związane z przejściami Zeemana i struktury nadsubtelnej. 27 listopada 2009 K. Bodek, Seminarium w Zakładzie Fizyki Doświadczalnej UW 10

11 EDM cząstek elementarnych Niezdegenerowana cząstka o spinie ½: Hamiltoniany dla oddziaływań z polami magnetycznym i elektrycznym: H = µ B= µ σ B H = d E= d σ E M E d jest T-nieparzyste i P-nieparzyste d 0 T jest łamane i CP jest łamane (poprzez twierdzenie CPT) Przewidywania SM dla d : d e e cm dn 10 e cm EDM jest idealnym narzędziem do poszukiwania źródeł łamania T i CP, które nie mieszczą się w SM 27 listopada 2009 K. Bodek, Seminarium w Zakładzie Fizyki Doświadczalnej UW 11

12 EDM neutronu Obecna granica: d 26 n < 3 10 e cm P.G.Harris et al., PRL82(1999)804 C.A.Baker et al., PRL97(2006) Antycypowana czułość w nowych projektach: E n = d n σ E d e n cm 27 listopada 2009 K. Bodek, Seminarium w Zakładzie Fizyki Doświadczalnej UW 12

13 Pomiar EDM neutronu E B ν 0 +δν + d 35 nm Zmierzyć rozszczepienie poziomów energii dla pól B, E zorientowanych równolegle i antyrównolegle E B ε = 2µ B = hν ε + n 0 + ε = ε ε = 4dnE0 ε + = h( ν ν ) = 2hδν ν 0 δν d = 2 10 e cm, E = 15 kv/cm 28 n 0 ε = ev 27 listopada 2009 K. Bodek, Seminarium w Zakładzie Fizyki Doświadczalnej UW 13

14 Pomiar EDM neutronu RAL-Sussex Sussex-ILL 199 H g n Współmiejscowe zegary: o UCN w komorze z kwarcu (w próżni) o Magnetometr t 199 Hg w tej samej komorze, co UCN o O jednym z nich ( 199 Hg) ) wiemy z niezależnego źródła, że jest nieczuły na poszukiwany efekt Obecnie najlepszy rezultat: dn < e cm C.A.Baker et al., PRL 97 (2006) listopada 2009 K. Bodek, Seminarium w Zakładzie Fizyki Doświadczalnej UW 14

15 Pomiar EDM neutronu Metoda Ramsey a rozdzielonych pól oscylujących Prawdopodobieństwo przejścia pomiędzy ę yp poziomami Zeemana: Dla T >> τ : W ( ω ω T δ ) 0,, cos ( ) ω ω δ 2 0 T 2 Analogia do dyfrakcji na dwóch szczelinach 27 listopada 2009 K. Bodek, Seminarium w Zakładzie Fizyki Doświadczalnej UW 15

16 Magnetometr 199 Hg Wykorzystuje precesję Larmora spolaryzowanych (przez pompowanie optyczne) atomów 199 Hg (spin=1/2 1/2) UCN Hg B E Reading light beam 27 listopada 2009 K. Bodek, Seminarium w Zakładzie Fizyki Doświadczalnej UW 16

17 Magnetometr 199 Hg Sygnał: : zależna od kierunku spinu absorpcja rezonansowa spolaryzowanego kołowo ł światła i z lampy 204 Hg 27 listopada 2009 K. Bodek, Seminarium w Zakładzie Fizyki Doświadczalnej UW 17

18 Magnetometry Cs kontrola efektów systematycznych t Spin (polarization) Frequency (B = 1 µt Accuracy Neutron 199 Hg Neutron Nuclear Cs Electronic 30 Hz 8 Hz 3.5 KHz 1pT 100 ft 10 ft Kontrola gradientów pola magnetycznego HV B A ~ 47 cm Storage volume UCN valve D C ~ 40 cm 27 listopada 2009 K. Bodek, Seminarium w Zakładzie Fizyki Doświadczalnej UW 18

19 Pomiar Aby zminimalizować efekt fluktuacji pola magnetycznego mierzymy stosunek średniej d i j częstości ś precesji spinów neutronu i atomów 199 Hg γ B γ B n Hg R fn fhg = = γ n γ Hg 2π 2π Poszukujemy harmonicznej modulacji stosunku R (T doba gwiazdowa = 23h ) δr pochodzi od składowej pola b równoległej do osi obrotu Ziemi Natomiast (Grenoble) 27 listopada 2009 K. Bodek, Seminarium w Zakładzie Fizyki Doświadczalnej UW 19

20 Pomiar Efekt uboczny pochodzi od konspiracji przesunięcia środków ciężkości ś i rozkładów gęstości ś neutronów i atomów 199 Hg z (h h = 2.8 mm) ) z gradientem pola B,, który może się zmieniać w rytmie dobowym HV Gradient był monitorowany przez magnetometry Cs (< 20 pt/m /m) mmagnetometry Amplituda dobowych modulacji od tego efektu: < ~ 47 cm B Storage volume UCN valve D A C ~ 40 cm 27 listopada 2009 K. Bodek, Seminarium w Zakładzie Fizyki Doświadczalnej UW 20

21 Dobowe modulacje sygnału f = 1/12 h -1 f = 1/24 h listopada 2009 K. Bodek, Seminarium w Zakładzie Fizyki Doświadczalnej UW 21

22 Analiza Analiza poziomów ufności (porównanie z hipotezą zerową) Poziom ufności dla hipotezy (A, A,ϕ), gdzie rozkłady prawdopodobieństwa ρ (dla obu hipotez) obliczono metodą Monte Carlo, wynosi: Wynik: 27 listopada 2009 K. Bodek, Seminarium w Zakładzie Fizyki Doświadczalnej UW 22

23 Porównanie z innymi wynikami 27 listopada 2009 K. Bodek, Seminarium w Zakładzie Fizyki Doświadczalnej UW 23

24 Grawitacyjny moment dipolowy Można interpretować, jako ograniczenie na grawitacyjny moment dipolowy neutronu (w oddziaływaniu neutronu ze Słońcem, T średnia doba słoneczna) GM σ r GM σ v GM r v = α1 + α α 2 3 µ 2 c r c r c r ( ) 1 1 U R Zaniedbując inklinację Ziemi względem ekliptyki (efekt 5%) otrzymujemy: 27 listopada 2009 K. Bodek, Seminarium w Zakładzie Fizyki Doświadczalnej UW 24

25 Grawitacyjny moment dipolowy Mocniejsze ograniczenie można otrzymać obserwując oddziaływanie neutronu z Ziemią (nie będzie tym razem modulacji) Porównamy stosunki R mierzone dla pola B do góry i w dół z danych, w których odjęto efekt gradientu pola ( B/ z = 0) O rząd wielkości mocniejsze ograniczenie otrzymano w eksperymencie porównującym częstości precesji atomów 199 Hg i 201 Hg,, ale dla neutronów związanych w jądrach 27 listopada 2009 K. Bodek, Seminarium w Zakładzie Fizyki Doświadczalnej UW 25

26 27 listopada 2009 K. Bodek, Seminarium w Zakładzie Fizyki Doświadczalnej UW 26

27 Podsumowanie i perspektywy Precyzyjna aparatura do pomiaru EDM neutronu okazuje się (nieoczekiwanie) przydatna do badania egzotycznych zagadnień: Sprzężenie spinu z grawitacją Poszukiwanie materii lustrzanej Nowe wyniki z kilku wykonywanych i planowanych eksperymentów są oczekiwane w niedalekiej przyszłości 27 listopada 2009 K. Bodek, Seminarium w Zakładzie Fizyki Doświadczalnej UW 27

28 27 listopada 2009 K. Bodek, Seminarium w Zakładzie Fizyki Doświadczalnej UW 28

29 Backup slides 27 listopada 2009 K. Bodek, Seminarium w Zakładzie Fizyki Doświadczalnej UW 29

30 Neutrony: zimne (CN) i ultra-zimne (UCN) CN: CN CN Ekin 5meV, v 1km/s mogą być przechowywane w E < V µ B + mgh UCN mogą być przechowywane w pułapkach, jeśli: kin F n V F = 2π V F pseudo-potentiał Fermiego, bn b długość rozpraszania, m N gęstość materiału ścianek V F (Be) F E kin = 252 nev, kin µ n B(1 T) E kin = 60 nev, mgh(1 m) E kin = 100 nev v UCN <8 m/s, T UCN < 4 mk, λ UCN > 50 nm 27 listopada 2009 K. Bodek, Seminarium w Zakładzie Fizyki Doświadczalnej UW 30

31 Neutrony ultra-zimne (UCN UCN) UCN produkuje się spowalniając CN: Przy pomocy pola grawitacyjnego Ziemi i mechanicznych turbin W procesie super-termalnym w zestalonym deuterze i nadciekłym helu 27 listopada 2009 K. Bodek, Seminarium w Zakładzie Fizyki Doświadczalnej UW 31

32 Grenoble, F CN, UCN Facilities N, R-correlations SINQ: : Cold Neutrons nedm phase I Reactor: Villigen, CH Ultra-Cold Neutrons (10 40 cm - 3 ) nedm phase II, III Pulsed Spal. Source: Ultra-Cold Neutrons ( cm - 3 ) 27 listopada 2009 K. Bodek, Seminarium w Zakładzie Fizyki Doświadczalnej UW 32