Электрический дипольный момент нейтрона - Neutron electric dipole moment

"NEDM" перенаправляется сюда. Об эксперименте в Сассексе см. Сассекс / RAL / ILL нейтронный EDM эксперимент.

В электрический дипольный момент нейтрона (nEDM) является мерой распределения положительного и отрицательного заряда внутри нейтрон. Конечная электрический дипольный момент может существовать только в том случае, если центры распределения отрицательного и положительного заряда внутри частицы не совпадают. ЭДМ нейтрона пока не обнаружено. Текущий наилучший измеренный предел для dп является (0.0±1.1)×10−26 е ⋅см.[1]

Теория

Нарушение четности (P) и обращения времени (T) из-за электрического дипольного момента

Постоянный электрический дипольный момент фундаментальной частицы нарушает оба паритет (P) и симметрия обращения времени (Т). Эти нарушения можно понять, исследуя нейтронную магнитный дипольный момент и гипотетический электрический дипольный момент. При обращении времени магнитный дипольный момент меняет свое направление, а электрический дипольный момент остается неизменным. При четности изменяет свое направление электрический дипольный момент, но не магнитный дипольный момент. Поскольку получившаяся система относительно P и T не является симметричной относительно исходной системы, эти симметрии нарушаются в случае существования EDM. Имея также Симметрия CPT, комбинированная симметрия CP также нарушается.

Прогнозирование стандартной модели

Как показано выше, для создания конечного nEDM нужны процессы, которые нарушать CP-симметрия. Нарушение CP наблюдается в слабые взаимодействия и входит в Стандартная модель физики элементарных частиц через фазу нарушения CP в CKM матрица. Однако степень нарушения CP очень мала и, следовательно, также вносит вклад в nEDM: |dп| ~ 10−31 е⋅см.[2]

Асимметрия вещества и антивещества

Основная статья: Бариогенез

Из-за асимметрии между материей и антивеществом во Вселенной можно предположить, что должно быть значительное количество CP-нарушение. Следовательно, измерение электрического дипольного момента нейтрона на гораздо более высоком уровне, чем предсказывает Стандартная модель, напрямую подтвердит это подозрение и улучшит наше понимание CP-нарушающих процессов.

Сильная проблема CP

Основная статья: CP-нарушение

Поскольку нейтрон состоит из кварки, он также подвержен CP-нарушению, обусловленному сильные взаимодействия. Квантовая хромодинамика - теоретическое описание сильного взаимодействия - естественно включает термин, нарушающий CP-симметрию. Сила этого члена характеризуется углом θ. Текущее ограничение на nEDM ограничивает этот угол менее 10−10 радианы. Этот тонкая настройка углаθ, который, естественно, должен иметь порядок 1, является сильная проблема CP.

Проблема с SUSY CP

Суперсимметричный расширения Стандартной модели, такие как Минимальная суперсимметричная стандартная модель, обычно приводят к большому CP-нарушение. Типичные предсказания для ЭДМ нейтрона, вытекающие из теории, находятся в диапазоне от 10−25 е⋅см и 10−28 е⋅см.[3][4] Как и в случае с сильное взаимодействие ограничение на ЭДМ нейтрона уже ограничивает фазы, нарушающие CP. В тонкая настройка однако еще не так серьезен.

Экспериментальная техника

Для извлечения ЭДМ нейтрона измеряется Ларморова прецессия нейтрона вращение при наличии параллельных и антипараллельных магнитных и электрических полей. Частота прецессии для каждого из двух случаев определяется выражением

,

сложение или вычитание частот, возникающих из-за прецессии магнитный момент вокруг магнитное поле и прецессия электрического дипольного момента вокруг электрическое поле. Из разницы этих двух частот легко получить меру ЭДМ нейтрона:

Самая большая проблема эксперимента (и в то же время источник самых больших систематических ложных эффектов) - убедиться, что магнитное поле не меняется во время этих двух измерений.

История

Измерены верхние пределы ЭДМ нейтрона. Даны также предсказания, вытекающие из суперсимметрии и Стандартной модели.

В первых экспериментах по поиску электрического дипольного момента нейтрона использовались пучки тепловой (и позже холодный ) нейтронов для проведения измерения. Это началось с эксперимента Смита, Перселл, и Рэмси в 1951 г. (и опубликовано в 1957 г.), получив предел |dп| < 5×10−20 е⋅см .[5] Пучки нейтронов использовались до 1977 года для экспериментов nEDM. В этот момент систематические эффекты, связанные с высокими скоростями нейтронов в пучке, стали непреодолимыми. Окончательный предел, полученный с помощью нейтронного пучка, составляет |dп| < 3×10−24 е⋅см.[6]

После этого эксперименты с ультрахолодные нейтроны взял на себя. Все началось в 1980 году с эксперимента на Ленинградский институт ядерной физики (LNPI) получение лимита |dп| < 1.6×10−24 е⋅см.[7] Этот эксперимент и особенно эксперимент, начатый в 1984 г. Institut Laue-Langevin (ILL) подтолкнул предел еще на два порядки величины дающий указанный выше лучший верхний предел в 2006 году, пересмотренный в 2015 году.

За эти 50 лет экспериментов шесть порядки величины были охвачены, что накладывает строгие ограничения на теоретические модели.[8]

Текущие эксперименты

В настоящее время проводится как минимум шесть экспериментов, направленных на улучшение предела тока (или измерение впервые) на ЭДМ нейтрона с чувствительностью до 10−28 е⋅см в течение следующих 10 лет, таким образом охватывая диапазон прогнозов, исходящих из суперсимметричный расширения Стандартной модели.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Abel, C .; и другие. (2020). «Измерение постоянного электродипольного момента нейтрона». Письма с физическими проверками. 124 (8): 081803. arXiv:2001.11966. Bibcode:2020ПхРвЛ.124х1803А. Дои:10.1103 / PhysRevLett.124.081803. PMID  32167372.
  2. ^ Дар, С. (2000). «ЭДМ нейтронов в СМ: обзор». arXiv:hep-ph / 0008248.
  3. ^ Abel, S .; Халил, С .; Лебедев, О. (2001). «Ограничения EDM в суперсимметричных теориях». Ядерная физика B. 606 (1–2): 151–182. arXiv:hep-ph / 0103320. Bibcode:2001НуФБ.606..151А. Дои:10.1016 / S0550-3213 (01) 00233-4. S2CID  14168743.
  4. ^ Поспелов, М .; Ритц, А. (2005). «Электрические дипольные моменты как зонды новой физики». Анналы физики. 318 (1): 119–169. arXiv:hep-ph / 0504231. Bibcode:2005AnPhy.318..119P. Дои:10.1016 / j.aop.2005.04.002. S2CID  13827759.
  5. ^ Smith, J.H .; Purcell, E.M .; Рэмси, Н.Ф. (1957). «Экспериментальный предел электрического дипольного момента нейтрона». Физический обзор. 108 (1): 120–122. Bibcode:1957ПхРв..108..120С. Дои:10.1103 / PhysRev.108.120.
  6. ^ Платье, W.B .; и другие. (1977). «Поиск электрического дипольного момента нейтрона». Физический обзор D. 15 (1): 9–21. Bibcode:1977ПхРвД..15 .... 9Д. Дои:10.1103 / PhysRevD.15.9.
  7. ^ Алтарев И.С .; и другие. (1980). «Поиск электрического дипольного момента нейтрона с помощью ультрахолодных нейтронов». Ядерная физика A. 341 (2): 269–283. Bibcode:1980НуФА.341..269А. Дои:10.1016/0375-9474(80)90313-9.
  8. ^ Рэмси, Н.Ф. (1982). «Электродипольные моменты частиц». Анну. Rev. Nucl. Часть. Sci. 32: 211–233. Bibcode:1982ARNPS..32..211R. Дои:10.1146 / annurev.ns.32.120182.001235.
  9. ^ nEDM Сотрудничество на сайте PSI: https://www.psi.ch/nedm/
  10. ^ Источник ультрахолодных нейтронов TRIUMF
  11. ^ "hepwww.rl.ac.uk Криогенный EDM". Архивировано из оригинал на 2012-02-16. Получено 2009-01-22.
  12. ^ «Эксперимент nEDM на источнике нейтронов расщепления».
  13. ^ Ахмед, М.В. (2019). «Новый криогенный аппарат для поиска нейтронного электрического дипольного момента». Журнал приборостроения. 14 (11): P11017. arXiv:1908.09937. Bibcode:2019JInst..14P1017A. Дои:10.1088 / 1748-0221 / 14/11 / P11017. S2CID  201646389.
  14. ^ nrd.pnpi.spb.ru Страница Neutron EDM
  15. ^ nEDM эксперимент FRM-II