[論文レビュー] An Improved Neutron Electric Dipole Moment Experiment

Kuźniak, M., I. Altarev+42 more|ArXiv.org|Jun 30, 2008

Atomic and Subatomic Physics Research参考文献 2被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、パウル・シュレーディンガー研究所（PSI）における次世代の中性子電気双極子モーメント（nEDM）実験を提示している。同実験では、超低温中性子（UCN）を用いたラマッハ分離振動場法が採用され、UCNのフラックスを向上させ、磁気測定技術を改善し、逆方向の電場を有する二重セル構成を採用することで、感度を 5×10⁻²⁸ e·cm まで向上させることを目的としている。これは、標準模型を超える新しい物理学を検証するものである。

ABSTRACT

A new measurement of the neutron EDM, using Ramsey's method of separated oscillatory fields, is in preparation at the new high intensity source of ultra-cold neutrons (UCN) at the Paul Scherrer Institute, Villigen, Switzerland (PSI). The existence of a non-zero nEDM would violate both parity and time reversal symmetry and, given the CPT theorem, might lead to a discovery of new CP violating mechanisms. Already the current upper limit for the nEDM (|d_n|<2.9E-26 e.cm) constrains some extensions of the Standard Model. The new experiment aims at a two orders of magnitude reduction of the experimental uncertainty, to be achieved mainly by (1) the higher UCN flux provided by the new PSI source, (2) better magnetic field control with improved magnetometry and (3) a double chamber configuration with opposite electric field directions. The first stage of the experiment will use an upgrade of the RAL/Sussex/ILL group's apparatus (which has produced the current best result) moved from Institut Laue-Langevin to PSI. The final accuracy will be achieved in a further step with a new spectrometer, presently in the design phase.

研究の動機と目的

• 中性子電気双極子モーメント（nEDM）測定における実験的不確実性を2桁低減すること。
• 宇宙のバリオン非対称性を説明する要因となる、標準模型を超えるCP対称性の破れの源を検証すること。
• 高度な磁気測定技術と逆方向の電場を有する二重セル構成により、システム的誤差を改善制御すること。
• 10⁻²⁸–10⁻²⁷ e·cm 範囲の物理学を探索可能な高感度実験を構築すること。
• 設置後約4年以内に初の結果を提供し、6–8年以内に 5×10⁻²⁸ e·cm の感度に到達すること。

提案手法

• 実験は、一様なE場とB場を併用した状態で、超低温中性子（UCN）の全方向の回転周波数シフトを測定するラマッハ分離振動場法を用いる。
• 共通モードのシステム的誤差を相殺するために、逆方向の電場を持つ二重セル構成が採用されている。
• 磁場安定性は、¹⁹⁹Hg、¹²⁹Xe、および³Heの共磁気計を組み合わせてモニタリングされ、高精度な磁場および勾配測定のための専用の³He磁気計システムが設置されている。
• PSIのUCN源は、より高いフラックスを提供しており、これにより第一段階で従来の実験と比較して約5倍の感度向上が見込まれる。
• 多層構造のμメタルシールドと磁場安定化システムにより、長時間の保存中に磁場の不均一性やドリフトを最小限に抑える。
• 最終設計では、円筒形で積層されたUCNセルを有する垂直磁場配置を採用し、電場制御を強化することで、体積、強度、時間の観点から感度を√3倍、電場強度では2倍に向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 向上したUCNフラックスと磁気測定技術を用いて、nEDMの測定感度を 5×10⁻²⁸ e·cm に近づけることは可能か？
• RQ2 逆方向のE場を持つ二重セル構成は、nEDM測定におけるシステム的誤差をどの程度低減できるか？
• RQ3 ³Heおよび¹⁹⁹Hg共磁気計は、200秒の保存サイクルにわたり、1フェムトテスラ未満の磁場分解能を達成できるか？
• RQ4 新規のPSI UCN源と最適化されたUCNガイドシステムは、従来の実験と比較して統計的感度をどの程度向上できるか？
• RQ5 磁場シールドの向上、磁場安定化、速度依存性を持つUCN検出技術を統合した最終設計により、どの程度の感度向上が達成可能か？

主な発見

• 第一段階では、PSIのRAL/Sussex/ILL装置のアップグレード版を用い、感度が 5×10⁻²⁷ e·cm に達すると予想され、現在の最高限界と比較して5倍の向上が見込まれる。
• 最終段階では、二重セル構成で垂直磁場配置を採用した新規分光計を用い、感度を 5×10⁻²⁸ e·cm にまで向上させることを目標としており、現在の上限と比較して不確実性が2桁低減される。
• 実現可能性調査により、³He磁気計システムが200秒間で2 fT未満の磁場変動を解像可能であることが確認された。これにより、高精度な磁場モニタリングが可能となる。
• 二重セル構成により、電場強度が2倍に、トラップ体積、保存時間、UCN強度が√3倍に向上し、感度の向上に寄与する。
• 実験は統計的に制限された設計となっており、差分測定技術と高度な共磁気計によりシステム的誤差が制御されている。
• プロジェクトのタイムラインでは、PSIのUCN源に設置後約4年以内に初の結果が得られ、6–8年以内に完全な感度に到達する予定である。