[論文レビュー] CERN Yellow Reports: Monographs, Vol. 3 (2021): Storage ring to search for electric dipole moments of charged particles: Feasibility study

CERN Yellow Reports: Monographs|arXiv (Cornell University)|Dec 17, 2019

Particle accelerators and beam dynamics参考文献 8被引用数 37

ひとこと要約

本研究は、外部の径方向電界によって誘発されるスピンの進動を検出することで、陽子、重水素核、およびおそらく3Heの電気双極子モーメント（EDM）を測定するための貯蔵リング実験の妥当性を提案する。スピン極化を維持したビームを用い、EDMに起因するスピン回転によって生じるゆっくりとした垂直極化成分の増加を測定する方法であり、統計的感度を10⁻²⁹ e·cmにまで達成することを目的としている。この計画は、COSYを基盤とする予備実験から始まり、高精度の貯蔵リングに至る段階的開発プロセスを含む。

ABSTRACT

The proposed method exploits charged particles confined as a storage ring beam (proton, deuteron, possibly $^3$He) to search for an intrinsic electric dipole moment (EDM) aligned along the particle spin axis. Statistical sensitivities could approach 10$^{-29}$ e$\cdot$cm. The challenge will be to reduce systematic errors to similar levels. The ring will be adjusted to preserve the spin polarisation, initially parallel to the particle velocity, for times in excess of 15 minutes. Large radial electric fields, acting through the EDM, will rotate the polarisation from the longitudinal to the vertical direction. The slow rise in the vertical polarisation component, detected through scattering from a target, signals the EDM. The project strategy is outlined. A stepwise plan is foreseen, starting with ongoing COSY activities that demonstrate technical feasibility. Achievements to date include reduced polarization measurement errors, long horizontal plane polarization lifetimes, and control of the polarization direction through feedback from scattering measurements. The project continues with a proof-of-capability measurement (precursor experiment; first direct deuteron EDM measurement), an intermediate prototype ring (proof-of-principle; demonstrator for key technologies), and finally a high-precision electric-field storage ring.

研究の動機と目的

• 陽子や重水素核などの荷電粒子の電気双極子モーメント（EDM）を高感度で測定するための手法を開発すること。
• 目標とする統計的感度（約10⁻²⁹ e·cm）に達するまで、系誤差を抑制する課題を克服すること。
• 既存施設（COSY）から始める段階的実験プログラムを確立すること。
• 散乱に基づくフィードバックを用いて、長時間にわたるスピン極化寿命と正確な極化制御の技術的妥当性を示すこと。
• この計画の主要なマイルストーンとして、デュテロンEDMの最初の直接測定を可能にすること。

提案手法

• 粒子速度と最初に一致したスピン極化を持つ荷電粒子（陽子、重水素核、³He）のビームを、貯蔵リングに閉じ込める。
• 大きな径方向電界を印加し、粒子の固有のEDMによって生じるスピンの進動を誘発し、極化を縦方向から垂直方向に回転させる。
• 外部標的に向けた散乱を用いて、垂直極化成分のゆっくりとした増加を検出する。この散乱は、極化計として機能する。
• 散乱測定からのフィードバックを用いて、ビームのスピン極化方向を能動的に制御・安定化する。
• 段階的開発プロセスを実装する：(1) 機能能力の検証のためのCOSYにおける予備実験、(2) 技術の実証のための中間プロトタイプリング、(3) 電界・磁界を最適化した最終的な高精度リング。
• エネルギー損失、ペレット標的に起因する多重散乱およびベータトロン振動の影響を含めた相対論的スピン進化方程式を用いてビームダイナミクスをモデル化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 径方向電界を有する貯蔵リングが、感度の高いEDM測定に必要なスピン極化の安定性と制御を達成できるか？
• RQ2 この手法で達成可能な最小検出可能EDM感度は何か？10⁻²⁹ e·cmのレベルに達するか？
• RQ3 特に電界の不均一性とビームダイナミクスに起因する系誤差は、どのように最小化可能か？統計的感度に一致させるには？
• RQ4 現実的な貯蔵リング環境において、必要な長時間のスピン極化寿命（15分以上）を達成できるか？
• RQ5 ビーム散乱に基づく極化計を実装し、スピン方向のリアルタイムフィードバック制御を可能にするのは現実的か？

主な発見

• 本手法は、荷電粒子のEDMに対して約10⁻²⁹ e·cmの統計的感度に達することが可能である。
• COSYでの現在までの成果には、極化測定誤差の低減、水平方向スピン極化寿命が15分を超える、散乱測定からのフィードバックによる極化方向制御の成功が含まれる。
• プロトタイプリングの設計は、高安定性電界およびビーム損失と多重散乱の影響下でもスピン追跡が可能であることを示しており、主要技術の妥当性を裏付けている。
• ペレットを用いたビーム抽出およびサンプリングは、∆xβ ≈ −Dp/2 × (1 + Kp/(2mpc²)) × ηp(vp) × (dEp/dx)min × √(2OBp r⊥ / (BvP T0)) × ρP でモデル化されており、ペレットの不透明度と材料密度に依存することが示された。
• 多重散乱は、r.m.s. 角度分散 θr.m.s. ≈ 21 MeV / (ppcβp) × √(tP / XP) を引き起こし、ビーム品質を保つためにこれを最小化する必要がある。
• 解析から、固定された不透明度のもとで、横方向の変位（したがって抽出効率）がペレット材料の密度に比例して増加することが明らかになった。これは、ベリリウムや炭素のような高密度媒体の重要性を強調している。