[論文レビュー] Frequency domain method of the search for the deuteron electric dipole moment in a storage ring with imperfections

Yury Senichev, A. Aksentev+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 17, 2017

Geophysical and Geoelectrical Methods参考文献 8被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、磁場および電場の不完全性を伴うストレージリングにおいてデュオテロンの電気双極子モーメント（EDM）を周波数領域で測定する手法を提案する。垂直平面内の全スピン進化周波数を測定し、時計回り／反時計回りのビーム運転を用いて系誤差をキャンセルすることで、予想される感度は約10⁻²⁹ e·cmに達し、場の不整合による偽信号が著しく低減され、リングの不完全性にもかかわらず高精度なEDM探索が可能になる。

ABSTRACT

The method is based on four fundamental features. The total spin precession frequency in the vertical plane due to the electric and magnetic dipole moments in an imperfect ring in a vertical plane is measured. The position of the ring elements is unchanged from clockwise to counter-clockwise operation. The calibration of the effective Lorentz factor using the polarization precession frequency measurement in the horizontal plane is carried out alternately in each CW and CCW operation. And the approximate relationship between the frequencies of the polarization precession in different planes is set to exclude them from mixing to the vertical frequency of the expected EDM signal at a sensitivity level approaching $10^{-29}$ $e\cdot cm$.

研究の動機と目的

• ストレージリング実験におけるデュオテロン電気双極子モーメント（EDM）探索において、場の不完全性に起因する系誤差を克服すること。
• 避けられない磁場および電場の不整合を伴うリングでも高感度EDM測定を可能にすること。
• 径方向および垂直成分の場の不整合による偽EDM信号を抑制しつつ、フローズンスピン条件を維持する手法を開発すること。
• 実験的不完全性にもかかわらず、10⁻²⁹ e·cmに近い感度を達成すること。
• 純粋に静電場を用いたリングに代わる代替手法を提供し、電磁場を併用する電磁ストレージリングに適用可能であること。

提案手法

• 垂直平面における全スピン進化周波数を測定し、EDM、磁気双極子モーメント（MDM）、場の不完全性からの寄与を統合する。
• 同時に時計回り（CW）および反時計回り（CCW）のビーム運転を用いて系誤差をキャンセル：MDMおよび場の不完全性に起因する信号は符号が反転するが、EDM信号は加法的である。
• 時計回りおよび反時計回りの走行を交互に実施し、水平平面における偏光進化周波数測定により有効ローレンツ因子をキャリブレーションする。
• 条件式 Ω ≈ (Ω_edm + Ω_Br) · [1 + (Ω_Bv,Er² + Ω_Bz²)/(2(Ω_edm + Ω_Br)²)] を適用し、背景寄与からEDM信号を分離する。
• 縦方向のソレノイドを用いて垂直成分の場を安定化させ、Ω_Bv,ErおよびΩ_BzがEDM周波数測定に歪みを及げない程度に小さく保つ。
• スピン進化周波数が振幅および位相に依存しないことを利用し、周波数のみに注目することでEDM信号を抽出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ストレージリングにおける磁場および電場の不完全性に起因する系誤差を、どのようにして高感度EDM測定を可能にするように抑制できるか？
• RQ2 垂直平面における全スピン進化周波数の周波数ドメイン測定は、垂直スピン成分の直接測定に代わってEDM感度を向上させることができるか？
• RQ3 時計回り／反時計回り運転技術は、電場および磁場を併用する電磁ストレージリングにどの程度適応可能か？
• RQ4 EDM信号が10⁻²⁹ e·cmレベルでぼやけないよう、径方向および垂直成分の場（Ω_Br, Ω_Bv,Er, Ω_Bz）に必要な許容誤差はどの程度か？
• RQ5 負の異常磁気モーメント（G = -0.143）を有するデュオテロンリングにおいて、場の不完全性にもかかわらずフローズンスピン条件をどのように維持できるか？

主な発見

• 本手法は、デュオテロン電気双極子モーメントに対して予想される感度が約10⁻²⁹ e·cmに達し、現在のストレージリング実験の理論的限界に近づく。
• Ω_Bv,ErおよびΩ_Bzの寄与が条件 (Ω_Bv,Er² + Ω_Bz²)/(2Ω_Br) < Ω_edm を満たしていれば、径方向および垂直成分の場に起因する系誤差はEDM信号レベル未満に抑えられる。
• Ω_Br ≈ 50 rad/secおよびΩ_edm ≈ 10⁻⁸ rad/secの下で、1000秒間のコherency時間にわたる不完全性による最大スピン回転角は約1ラジアンに留まり、技術的に実現可能である。
• 縦方向ソレノイドの使用により、絶対値の正確な知識が不要となり、相対的周波数シフトのみが重要となるため、垂直成分の場の安定化が可能になる。
• 四極子および偏向器の不整合に対しても、時計回りおよび反時計回り運転の光学的対称性が保たれていれば、本手法は頑健である。
• 本手法により、純粋に静電場を用いたリングの制限を克服し、デュオテロンのための電磁ストレージリングへのフローズンスピン法の適用範囲が拡張される。