[論文レビュー] Feasibility Study for an EDM Storage Ring

F. Abusaif, A. Aggarwal+93 more|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2018

Computational Physics and Python Applications被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、反対方向に循環するスピン極化陽子ビームを用い、系誤差を相殺することで、$10^{-29}$ e·cmの感度を達成する全電気的で高精度なストレージリングを提案する。この手法は、外部の径方向電場によって誘発されるスピン回転をEDM相互作用によって検出することに依存し、予備実験、プロトタイプリング、最終的な高精度リングの段階的開発計画により、主な系誤差を低減する。

ABSTRACT

This project exploits charged particles confined as a storage ring beam (proton, deuteron, possibly $^3$He) to search for an intrinsic electric dipole moment (EDM, $\vec d$) aligned along the particle spin axis. Statistical sensitivities can 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 polarization, initially parallel to the particle velocity, for times in excess of 15 minutes. Large radial electric fields, acting through the EDM, will rotate the polarization ($\vec d imes\vec E$). The slow rise in the vertical polarization component, detected through scattering from a target, signals the EDM. The project strategy is outlined. It foresees a step-wise plan, 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 the 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 the high precision electric-field storage ring.

研究の動機と目的

• 専用のストレージリングを用いて、陽子の電気双極子モーメント（EDM）に対して$10^{-29}$ e·cmの感度を達成すること。
• 外部の径方向電場内での荷電粒子（陽子、重水素、3He）のスピン回転を測定することによりEDMを測定すること。
• 特に径方向磁場による系誤差を、統計的感度と同等のレベルにまで低減すること。
• 予備実験、プロトタイプリング、高精度リングの段階的プログラムを通じて、ストレージリング手法の実現可能性を検証すること。
• スピン回転周波数の時系列解析を用いて、axion-like粒子の検出を可能にすること。

提案手法

• 反時計回りに回転するスピン極化陽子ビームを全電気的ストレージリング内で用い、径方向磁場による系誤差を相殺する。
• EDMを含む拡張版のトーマス-BMT方程式を用いて、電場と磁場が同時に作用する下でのスピン進化をモデル化する。
• 0.7 GeV/cの運動量において、フローズンスピン条件を満たし、15分以上にわたって偏光を維持する。
• 散乱測定からのビームベースのアライメントおよびフィードバックを実装し、スピン偏光方向の制御とモニタリングを実現する。
• 10^{-12} Torrの圧力に達するため、冷却またはNEG（蒸発しないゲッター）真空システムを採用し、.emitanceの増大を最小限に抑える。
• 10 µmの分解能を持つロゴフスコイル型ビーム位置モニタ（BPM）を用い、ビーム位置の追跡とアライメント支援を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 全電気的ストレージリングは、陽子EDMに対して$10^{-29}$ e·cmの感度を達成できるか？
• RQ2 径方向磁場による系誤差は、統計的感度と同等のレベルまで低減可能か？
• RQ3 最小限の.emitance増大を伴って、高精度リング内において15分以上にわたってフローズンスピン条件を維持できるか？
• RQ4 プロトタイプリングは、将来的な高精度測定に向けた反対方向ビームおよびスピン偏光の制御を成功裏に実証できるか？
• RQ5 ストレージリング手法は、共鳴スピン回転周波数スキャンを用いてaxion-like粒子を検出可能か？

主な発見

• ストレージリング手法により、陽子EDMに対して統計的感度$10^{-29}$ e·cmを達成可能であり、現在の限界を上回る。
• COSYにおいて15分を超える偏光寿命が実証されており、長時間測定の実現可能性が裏付けられている。
• 残留ガスに起因する.emitance増大は、0.005 mm·mrad/sと推定され、10^{-12} Torrで1000秒で5 mm·mradに達する。これは確率的冷却の限界と整合的である。
• 60 mmの挿入長を有する10 µm分解能のロゴフスコイル型BPMは開発が完了し、FZ-Jülichで試験中である。
• 電磁界を併用するハイブリッドリング構造により、磁場がゼロとなる点を実現でき、径方向磁場への感度が低減される。
• 2つのビーム（例：陽子と3He）間のEDM差を測定することで、共通の系誤差を相殺でき、非ゼロEDMの直接検出が可能になる。