JÜLICH ELECTRIC DIPOLE INVESTIGATIONS MEASUREMENT WITH STORAGE RING

Transkrypt

1

2 JÜLICH ELECTRIC DIPOLE INVESTIGATIONS MEASUREMENT WITH STORAGE RING testowe pomiary i demonstracja iż proponowana metoda pracuje są wykonywane na działającym akceleratorze COSY pierwszy pomiar z precyzją w przyszłości budowa dedykowanego pierścienia PRECYZJA DOCELOWEGO POMIARU akumulacyjnego i długie pomiary DOCELOWY EKSPERYMENT badanie elektrycznego momentu dipolowego protonu i deuteronu z precyzją spolaryzowane wzdłuż kierunku pędu protony/deuterony krążą w pierścieniu akumulacyjnym w polu magnetycznym i elektrycznym oddziaływanie elektrycznego momentu dipolowego i magnetycznego momentu dipolowego z polami elektromagnetycznymi powoduje precesję spinu pomiar wywoływanej przez elektryczny moment dipolowy prostopadłej polaryzacji wiązki 2

3 MODEL STANDARDOWY cząstki pośredniczące w oddziaływaniu grawitacja grawiton słabe bozony W +, W -, Z 0 elektromagnetyczne foton kolorowe 8 gluonów CZĄSTKA HIGGSA ciemna materia 21% materia 4% ciemna energia 75% 3

4 POZA GRANICE OBECNEJ FIZYKI POCHODZENIE WSZECHŚWIATA UNIFIKACJA ODDZIAŁYWAŃ ELEMENTARNYCH NOWA FIZYKA POZA MODELEM STANDARDOWYM ENERGIA KOSMOS NATĘŻENIE PRECYZJA POCHODZENIE MASY CIEMNA MATERIA CIEMNA ENERGIA FIZYKA NEUTRIN STABILNOŚĆ PROTONU ASYMETRIA MATERIA/ANTYMATERIA atom wodoru, przesunięcie Lamba QED anomalny moment magnetyczny elektronu SM g/2 = (28) 4

5 HISTORIA WSZECHŚWIATA powstanie asymetrii materia/antymateria 5

6 BARIOGENEZA A. SACHAROW WARUNKI BARIOGENEZY 1. łamanie prawa zachowania liczby barionowej GUT, anomalia aksjalna w SM, masa Majorany 2. łamanie symetrii C i CP łamanie CP w oddziaływaniach silnych i elektrosłabych w SM, masa Majorany, GUT, spontaniczne łamanie 3. brak równowagi termodynamicznej obserwowana różnica liczby barionów i antybarionów = liczba fotonów promieniowania mikrofalowego dla dużej temperatury ~GeV Wszechświat był symetryczny + jakiś proces doprowadził do całkowitej asymetrii, gdyby tak nie było to obecnie mielibyśmy = Wszechświat byłby symetryczny ale byłoby za mało materii aby powstały gwiazdy 6

7 GUT Grand Unified Theories rozszerzenia Modelu Standardowego SUSY supersymmety dużo nowych cząstek o dużej masie Multi-Higgs nowe bozony Higgsa i Left-Right symmetry nowe bozony i POSZUKIWANIE SYGNAŁU GUT ENERGIA LHC obecnie maksymalna dostępna energia 13 TeV nowe cząstki masa ~ 3 TeV PRECYZJA EDM próbkowana skala energii przy oczekiwanej precyzji TeV w zależności od rozszerzenia Modelu Standardowego PO CO MIERZY SIĘ EDM? oczekiwana precyzja neutron proton deuteron neutron z deuteronu obecna precyzja d(electron) < 7

8 JAK OBLICZYĆ EDM? EDM faza CKM z Modelu Standardowego różne EDM neutronu i protonu strong CP problem nietrywialna topologiczna struktura próżni QCD ~ ~ EDM w SUSY pochodzi od nowych cząstek 8

9 ENERGIA CZĄSTKI SUSY W LHC 9

10 ANTYMATERIA WE WSZECHŚWIECIE zgodne z modelami produkcji antyprotonów w zderzeniach promieniowania kosmicznego pomiar AMS zderzenia cząstek ciemnej materii? neutralino o masie 1 TeV? produkcja w zderzeniach promieniowania kosmicznego 10

11 EDM ŁAMANIE SYMETRII P, T I CP µ magnetyczny moment dipolowy d elektryczny moment dipolowy są równoległe do spinu = + = + = operacja odbicia przestrzennego P otrzymujemy inną cząstkę nie zmienia się kierunek spinu nie zmienia się kierunek µ zmienia się kierunek d łamana symetria parzystości P operacja zmiany kierunku czasu T otrzymujemy inną cząstkę zmienia się kierunek spinu zmienia się kierunek µ nie zmienia się kierunek d łamana symetria odbicia czasu T 11 jeżeli symetria CPT nie jest łamana to istnienie niezerowego EDM łamana symetria CP

12 EDM W RÓŻNYCH OBIEKTACH leptony nukleony neutron, proton jądra deuteron, 3 He diamagnetyczne atomy Hg, Xe, Ra, Rn paramagnetyczne molekuły YbF, PbO, HfF + teoria atomu oddziaływania jądrowe QCD+EFT MODEL STANDARDOWY źródła łamania symetrii CP (CKM, θ, poza SM) QCD θ - term strong CP problem EDM kwarku chromo-edm kwarku chromo-edm gluonu operatory 4-kwarkowe ~ 12

13 PRECESJA WYMUSZONA CM moment siły jest prostopadły do momentu pędu nie zmienia się wartość momentu pędu zmienia się kierunek momentu pędu moment pędu i jednocześnie oś obrotu zataczają stożek o kącie częstość precesji nie zależy od kąta 13

14 PRECESJA SPINU RÓWNANIE T-BMT magnetyczny moment dipolowy, elektryczny moment dipolowy we własnym układzie spoczynkowym cząstka jest w polu elektrycznym i magnetycznym działają na nią momenty siły powodujące precesję spinu cząstka o masie, spinie, współczynniku giromagnetycznym w układzie laboratoryjnym mamy zewnętrzne pola elektryczne i magnetyczne dla uproszczenia są one prostopadłe do prędkości cząstki transformujemy pola do układu spoczynkowego cząstki i otrzymujemy równanie T-BMT 14

15 NOWA TECHNIKA POMIARU EDM CZĄSTEK NAŁADOWANYCH = = ħ = wiązka krąży w pierścieniu akumulacyjnym wstrzeliwujemy wiązkę spolaryzowaną powstaje składowa polaryzacji prostopadła do płaszczyzny pierścienia akumulacyjnego ~ 15 kąt skręcenia wiązki przy jednym obiegu dla = wynosi /

16 w dół cząstka 1 w górę cząstka 2 JAK ZMIERZYĆ POLARYZACJĘ? tarcza obecny polarymetr EDDA spiny cząstek 1 i 2 są do góry 1: odpychanie, rozproszenie w lewo 2: przyciąganie, rozproszenie w lewo jeżeli spiny cząstek są na dół to rozproszenie jest w prawo pojawia się asymetria lewo-prawo zależna do polaryzacji wiązki (czyli od tego ile spinów jest do góry a ile na dół), planowany polarymetr z diamentową tarczą balistyczną 16

17 PREKURSOR EKSPERYMENTU synchrotron COSY synchrotron COSY Forschungszentrum Jülich źródło spolaryzowanych protonów H oraz deuteronów D cyklotron przyspiesza: protony 40 MeV deuterony 75 MeV cząstki są akumulowane w COSY cząstki są przyspieszane w COSY do pędu MeV/c można chłodzić wiązkę: elektronowo stochastycznie detektor EDDA pomiar polaryzacji wiązki krążącej w COSY 17

18 PREKURSOR EKSPERYMENTU SPIN COHERENCE TIME ostatnio osiągnięty 1000 s ó SPIN TUNE ó ą ostatnio zmierzone ) DUŻE NATĘŻENIE WIĄZKI obecnie w COSY gromadzone jest cząstek DUŻA POLARYZACJA WIĄZKI obecnie w COSY polaryzacja wynosi. POLARYMETRIA obecnie używany detektor EDDA, budowa nowego polarymetru, poszukiwanie reakcji o dużej zdolności analizującej ~. BEAM POSITION MONITORING konstrukcja nowych detektorów pozycji wiązki mierzących z precyzją (SQUID ~10-18 T) IDENTYFIKACJA ŹRÓDEŁ NIEPEWNOŚCI SYSTEMATYCZNYCH pomiar? (faza geometryczna Berry phase, gradienty pól elektromagnetycznych) SPIN TRACKING (SIMULATIONS) obecnie prowadzone na superkomputerze JUQUEEN (5.9 petaflops = operacji/s), modyfikacja kodów z uwzględnieniem gradientów pól elektromagnetycznych RF WIEN FILTER zmienne w czasie skrzyżowane pola elektryczne i magnetyczne umożliwiają obecnie pomiar EDM deuteronu z precyzją 18

19 NOWY PIERŚCIEŃ AKUMULACYJNY JEDI 19

20 PODSUMOWANIE pomiar Elektrycznego Momentu Dipolowego naładowanych cząstek (protonu, deuteronu, 3 He) jest eksperymentem który MUSI być wykonany silna motywacja fizyczna o poszukiwanie nowej fizyki poza Modelem Standardowym o wyjaśnienie asymetrii materia-antymateria we Wszechświecie wyniki konkurencyjne i komplementarne do: o pomiar EDM elektronu i neutronu o badanie zderzeń przy wysokich energiach LHC o poszukiwanie antymaterii w Kosmosie AMS o poszukiwanie kandydatów na ciemną materię pomiar jest możliwy z precyzją e cm, która pozwala na osiągnięcie granicy przewidywań Modelu Standardowego skala czasowa planowanego eksperymentu: o prekursor eksperymentu na COSY do 2019 roku o projekt nowego akceleratora do 2020 roku o początek docelowego eksperymentu w 2023 roku 20