Elektryczny moment dipolowy neutronu

Podobne dokumenty
2008/2009. Seweryn Kowalski IVp IF pok.424

JÜLICH ELECTRIC DIPOLE INVESTIGATIONS MEASUREMENT WITH STORAGE RING

Atomowa budowa materii

Jądra o wysokich energiach wzbudzenia

Spin jądra atomowego. Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 1

Cząstki elementarne. Składnikami materii są leptony, mezony i bariony. Leptony są niepodzielne. Mezony i bariony składają się z kwarków.

Pomiar energii wiązania deuteronu. Celem ćwiczenia jest wyznaczenie energii wiązania deuteronu

Magnetyczny Rezonans Jądrowy (NMR)

II.6 Atomy w zewnętrznym polu magnetycznym

NMR (MAGNETYCZNY REZONANS JĄDROWY) dr Marcin Lipowczan

Teoria Wielkiego Wybuchu FIZYKA 3 MICHAŁ MARZANTOWICZ

I. Przedmiot i metodologia fizyki

Metody rezonansowe. Magnetyczny rezonans jądrowy Magnetometr protonowy

Atomy w zewnętrznym polu magnetycznym i elektrycznym

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

Symetrie. D. Kiełczewska, wykład 5 1

Właściwości chemiczne i fizyczne pierwiastków powtarzają się w pewnym cyklu (zebrane w grupy 2, 8, 8, 18, 18, 32 pierwiastków).

Badanie Gigantycznego Rezonansu Dipolowego wzbudzanego w zderzeniach ciężkich jonów.

Symetrie. D. Kiełczewska, wykład 5 1

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Reakcje jądrowe. kanał wyjściowy

FIZYKA POZIOM PODSTAWOWY

Własności jąder w stanie podstawowym

II.4 Kwantowy moment pędu i kwantowy moment magnetyczny w modelu wektorowym

Podstawy fizyki subatomowej. 3 kwietnia 2019 r.

Mechanika kwantowa. Jak opisać atom wodoru? Jak opisać inne cząsteczki?

Fizyka 3. Konsultacje: p. 329, Mechatronika

Plan Zajęć. Ćwiczenia rachunkowe

Wyznaczanie bezwzględnej aktywności źródła 60 Co. Tomasz Winiarski

Jądra o wysokich energiach wzbudzenia

NEUTRONOWA ANALIZA AKTYWACYJNA ANALITYKA W KONTROLI JAKOŚCI PODSTAWOWE INFORMACJE O REAKCJACH JĄDROWYCH - NEUTRONOWA ANALIZA AKTYWACYJNA

SPEKTROSKOPIA NMR. No. 0

LASERY I ICH ZASTOSOWANIE

Badanie schematu rozpadu jodu 128 I

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Podstawy Fizyki Jądrowej

Podstawy Fizyki Jądrowej

cz. 1. dr inż. Zbigniew Szklarski

Badanie schematu rozpadu jodu 128 J

MAGNETYCZNY REZONANS JĄDROWY - podstawy

Reakcje jądrowe. X 1 + X 2 Y 1 + Y b 1 + b 2

Fizyka cząstek elementarnych warsztaty popularnonaukowe

I. PROMIENIOWANIE CIEPLNE

MOMENT MAGNETYCZNY W POLU MAGNETYCZNYM

Symetrie w fizyce cząstek elementarnych

Ćwiczenie 10 Badanie protonowego rezonansu magnetycznego

Podstawowe własności jąder atomowych

Podstawy opracowania wyników pomiarów z elementami analizy niepewności statystycznych

Energetyka konwencjonalna odnawialna i jądrowa

Ćwiczenie nr 2 : Badanie licznika proporcjonalnego fotonów X

Promieniowanie jonizujące

FIZYKA III MEL Fizyka jądrowa i cząstek elementarnych

Atomy mają moment pędu

Promieniowanie dipolowe

Oddziaływania fundamentalne

AUTOREFERAT. Spis treści. Kraków, 5. czerwca dr Jacek Zejma Instytut Fizyki Uniwersytet Jagielloński ul. Reymonta Kraków

Nazwisko i imię: Zespół: Data: Ćwiczenie nr 96: Dozymetria promieniowania gamma

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Katedra Fizyki Ciała Stałego Uniwersytetu Łódzkiego. Ćwiczenie 1 Badanie efektu Faraday a w monokryształach o strukturze granatu

Wszechświat czastek elementarnych

WYKŁAD 15. Gęstość stanów Zastosowanie: oscylatory kwantowe (ª bosony bezmasowe) Formalizm dla nieoddziaływujących cząstek Bosego lub Fermiego

Fizyka cząstek elementarnych i oddziaływań podstawowych

Momentem dipolowym ładunków +q i q oddalonych o 2a (dipola) nazwamy wektor skierowany od q do +q i o wartości:

BADANIE SZEREGOWEGO OBWODU REZONANSOWEGO RLC

30P4 POWTÓRKA FIKCYJNY EGZAMIN MATURALNYZ FIZYKI I ASTRONOMII - IV POZIOM PODSTAWOWY

Rezonanse magnetyczne oraz wybrane techniki pomiarowe fizyki ciała stałego

Wykład Budowa atomu 3

OPTYKA KWANTOWA Wykład dla 5. roku Fizyki

Ćwiczenie nr 5 : Badanie licznika proporcjonalnego neutronów termicznych

F = e(v B) (2) F = evb (3)

Nazwisko i imię: Zespół: Data: Ćwiczenie nr 41: Busola stycznych

IV.4.4 Ruch w polach elektrycznym i magnetycznym. Siła Lorentza. Spektrometry magnetyczne

Wyznaczanie współczynnika rozpraszania zwrotnego. promieniowania β.

fotony i splątanie Jacek Matulewski Karolina Słowik Jarosław Zaremba Jacek Jurkowski MECHANIKA KWANTOWA DLA NIEFIZYKÓW

r. akad. 2008/2009 V. Precyzyjne testy Modelu Standardowego w LEP, TeVatronie i LHC

Elementy Fizyki Jądrowej. Wykład 3 Promieniotwórczość naturalna

Reakcje jądrowe. Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 1

Repeta z wykładu nr 5. Detekcja światła. Plan na dzisiaj. Złącze p-n. złącze p-n

Ćwiczenie 1 Metody pomiarowe i opracowywanie danych doświadczalnych.

Wstęp do Optyki i Fizyki Materii Skondensowanej

Fizyka 3.3 WYKŁAD II


Wszechświat Cząstek Elementarnych dla Humanistów Ciemna Strona Wszechświata

Rozpad alfa. albo od stanów wzbudzonych (np. po rozpadzie beta) są to tzw. długozasięgowe cząstki alfa

LASERY I ICH ZASTOSOWANIE W MEDYCYNIE

WSTĘP DO FIZYKI CZĄSTEK. Julia Hoffman (NCU)

Wyznaczanie stosunku e/m elektronu

GENERATOR WIELKIEJ CZĘSTOTLIWOŚCI BADANIE ZJAWISK TOWARZYSZĄCYCH NAGRZEWANIU DIELEKTRYKÓW

III. EFEKT COMPTONA (1923)

OPTYKA KWANTOWA Wykład dla 5. roku Fizyki

SPEKTROMETRIA CIEKŁOSCYNTYLACYJNA

Promieniowanie jonizujące

interpretacje mechaniki kwantowej fotony i splątanie

REDEFINICJA SI W ROLACH GŁÓWNYCH: STAŁE PODSTAWOWE

WFiIS. Wstęp teoretyczny:

2008/2009. Seweryn Kowalski IVp IF pok.424

Rysunek 1: Schemat doświadczenia Sterna-Gerlacha. Rysunek 2: Schemat doświadczenia Sterna-Gerlacha w różnych rzutach przestrzennych.

Podróż do początków Wszechświata: czyli czym zajmujemy się w laboratorium CERN

Nadprzewodniki. W takich materiałach kiedy nastąpi przepływ prądu może on płynąć nawet bez przyłożonego napięcia przez długi czas! )Ba 2. Tl 0.2.

Metody analizy pierwiastków z zastosowaniem wtórnego promieniowania rentgenowskiego. XRF, SRIXE, PIXE, SEM (EPMA)

Transkrypt:

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

Plan Motywacja badań Zasada pomiaru EDM neutronu Wybrane aspekty analizy danych Podsumowanie 2016 03 19 Instytut Fizyki UJ 2

Motywacja Baryogeneza We Wszechświecie obserwujemy głównie materię. Ilość antymaterii jest znacząco mniejsza: ~10. 2016 03 19 Instytut Fizyki UJ 3

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. 2016 03 19 Instytut Fizyki UJ 4

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 1981 1 ~ 10 2016 03 19 Instytut Fizyki UJ 5

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. 2016 03 19 Instytut Fizyki UJ 6

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 = (880 0.9) s = 14 min 40 s. 2016 03 19 Instytut Fizyki UJ 7

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. 2016 03 19 Instytut Fizyki UJ 8

nedm Pomiar elektrycznego momentu dipolowego neutronu Elektryczny moment dipolowy (EDM) dwóch ładunków +Q Q [C m] lub [ecm] Q EDM cząstki posiadającej spin e 2016 03 19 Instytut Fizyki UJ 9

nedm + + + _ Niezerowa wartość EDM wiąże się z niezachowaniem symetrii i, a zakładając zachowanie, również niezachowaniem. 2016 03 19 Instytut Fizyki UJ 10

nedm Pomiar elektrycznego momentu dipolowego neutronu Pierwsze oszacowanie wartości : E. M. Purcell and N. F. Ramsey (1950) d n <3 10 18 e cm Wynik pierwszego, dedykowanego pomiaru: Smith, Purcell, Ramsey (1957) d n < 5 10 20 e cm Obecne ograniczenie eksperymentalne: Kolaboracja RAL Sussex ILL (2006, poprawiony w 2015) d n < 3.0 10 26 e cm (90% CL) 2016 03 19 Instytut Fizyki UJ 11

nedm Pomiar elektrycznego momentu dipolowego neutronu Ostatnie ograniczenie: d n < 3.0 10 26 e cm. Docelowa dokładność eksperymentu nedm w Instytucie Paula Scherrera (PSI), w Szwajcarii: Etap pośredni: d n < 5 10 27 e cm Etap końcowy związany z budową nowej aparatury: d n < 5 10 28 e cm d 0.7 µm Jeżeli powiększy się neutron do rozmiaru Ziemi. Przewidywania Modelu Standardowego d n ~ 10 10 e cm 2016 03 19 Instytut Fizyki UJ 12

nedm Instytut Paula Scherrera, Villigen, Szwajcaria Jedyny eksperyment nedm zbierający dane 2016 03 19 Instytut Fizyki UJ 13

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. 2016 03 19 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. Swobodna precesja spinu neutronu przez czas T ~ 150200 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) 2016 03 19 Instytut Fizyki UJ 15

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 ~ ~. 2016 03 19 Instytut Fizyki UJ 16

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. 2016 03 19 Instytut Fizyki UJ 17

nedm aparatura Pomieszczenie dwupoziomowe z drewna: Góra: komora pomiarowa z osłonami magnetycznymi. 0.1. Dół: sterowanie, układ próżniowy, detekcja neutronów etc. 1. 2016 03 19 Instytut Fizyki UJ 18

nedm aparatura 2016 03 19 Instytut Fizyki UJ 19

nedm aparatura Układ pomiarowy 2016 03 19 Instytut Fizyki UJ 20

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. 2016 03 19 Instytut Fizyki UJ 21

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 2016 03 19 Instytut Fizyki UJ 22

nedm komagnetometr rtęciowy 199 Hg Analiza sygnału sin 2 ale częstotliwość f nie jest stała. Chcemy znaleźć średnią częstotliwość, czyli średnią wartość pola. ~60 120 s 2016 03 19 Instytut Fizyki UJ 23

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: 1.12235 10 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,,. 2016 03 19 Instytut Fizyki UJ 24

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. 2016 03 19 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 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. 2016 03 19 Instytut Fizyki UJ 26

nedm wpływ gradientów pola Skumulowana czułość obecnych pomiarów dorównała pomiarowi Sussex/RAL/ILL. 2016 03 19 Instytut Fizyki UJ 27

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. 2016 03 19 Instytut Fizyki UJ 28

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 1 1 1 1 1 częstość dana wzorem 2 2 2016 03 19 Instytut Fizyki UJ 29

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 2016 03 19 Instytut Fizyki UJ 30

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 2016 03 19 Instytut Fizyki UJ 31

n2edm Nowa wersja nedm@psi w przygotowaniu: n2edm Dwie symetryczne komory precesji UCN. Magetometry (być może): Hg, Cs i 3 He 2016 03 19 Instytut Fizyki UJ 32

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 2016 03 19 Instytut Fizyki UJ 33