[論文レビュー] Precursor Experiments to Search for Permanent Electric Dipole Moments (EDMs) of Protons and Deuterons at COSY

A. Lehrach, B. Lorentz+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 27, 2012

Atomic and Subatomic Physics Research参考文献 1被引用数 24

ひとこと要約

本論文では、COSY-Jülichの磁場型貯蔵リングに高周波電場（RFE）スピンフラッパーを用いて、径方向電場内でのスピン進化を介して陽子および重水素核の永久電気双極子モーメント（EDM）を探索することを提案する。主な結果として、重水素核のスピンコherー次時間は約10⁵ sに達し、予想される感度は$ d_d < 10^{-24} $ e·cmに達する。これは現在の中性子EDMの上限と同等の感度である。

ABSTRACT

In this presentation we discuss a number of experiments on the search for proton or deuteron EDMs, which could be carried out at COSY-Juelich. Most promising is the use of an radio-frequency radial electric field flipper that would lead to the accumulation of a CP violating in-plane beam polarization by tiny spin rotations. Most crucial for storage ring searches for EDMs is the spin-coherence time, and we report on analytic evaluations which point at a much larger spin-coherence time for deuterons by about a factor of 200 compared to the one for protons, and at COSY, the spin coherence time for deuterons could amount to about 10 000 s.

研究の動機と目的

• COSYのような完全に磁場型の貯蔵リングを用いて、陽子や重水素核の永久電気双極子モーメント（EDM）を測定する可能性を検証すること。
• COSYにおける重水素核および陽子のスピンコherー次時間の評価を行い、EDM感度に不可欠な要因を特定すること。
• CP対称性破れに起因する平面内偏光を誘発・検出可能な高周波電場（RFE）スピンフラッパー技術の開発と検証。
• 専用の静電気的貯蔵リングを建設する前に、システムティック効果や技術的課題をテストする予備実験をCOSYで確立すること。
• スピンデコherenceがリングの不完全性に起因して最小化される「マジックエネルギー」の存在とその影響を調査すること。

提案手法

• 約77 kHzで動作する高周波径方向電場（RFE）フラッパーを用い、貯蔵された重水素核のスピンをリング面に回転させ、EDMに起因するスピン進化を検出可能にする。
• 偏光計測を用いて得られる平面内偏光$ S_x $および$ S_z $を測定し、EDMに起因するCP対称性破れのスピン回転を検出する。
• 20/3モードで平坦トップ変調を施したRFEフラッパーを用い、非一様電場に起因するデコherenceを抑制し、信号の忠実度を向上させる。
• 長時間にわたるスピン進化を活用し、EDMに起因する偏光変化を蓄積して測定可能にする。
• 位相安定なフラッパー同期と振動減衰測定を用いて、RFEフラッパーに起因するデコherenceとリング格子の不完全性に起因するデコherenceを比較する。
• 非常に低い磁場強度（マイクロ〜ピコテスラ）で動作するRF磁気フラッパーを用いて、リングの不完全性や誤検出信号を調査するシステムティックスタディを実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 COSYのような完全に磁場型の貯蔵リングを用いて、陽子や重水素核といった荷電粒子のEDMを測定可能か？
• RQ2 COSYにおける重水素核の期待スピンコherー次時間はどの程度であり、陽子と比較してどう異なるか？
• RQ3 RFEスピンフラッパー技術は、感度$ d_d < 10^{-24} $ e·cmの水準で、重水素核に対して測定可能なCP対称性破れの平面内偏光を生成できるか？
• RQ4 リングの不完全性に起因するスピンデコherenceが強く抑制される「マジックエネルギー」がCOSYに存在するか？その場合、EDM感度が向上するか？
• RQ5 主なシステムティック効果（特にRFE電場内での磁気モーメントに起因する誤ったスピン回転）は何か？それらはどのように低減可能か？

主な発見

• COSYにおける重水素核のスピンコherー次時間は約10⁵ sと推定され、陽子の約200倍に達する。これはEDM感度を顕著に向上させる。
• 重水素核EDMが$ d_d = 10^{-23} $ e·cmの場合、蓄積されたCP対称性破れの平面内偏光は$ S_{||} = 0.08 $に達し、最新の偏光計測技術で検出可能である。
• 偏光測定値$ S_{||} = 0.008 $を用いることで、$ d_d < 10^{-24} $ e·cmの上限が達成可能であり、これは現在の中性子EDMの感度と同等である。
• スピンデコherenceが強く抑制される「マジックエネルギー」の存在は、RFEフラッパーのモデルに依存しない特徴であり、陽子および重水素核EDM感度を劇的に向上させる可能性を有する。
• RFE電場内での磁気モーメントに起因する誤ったスピン回転は、主要な懸念事項であり、徹底的な調査が求められる。
• COSYにおけるRFEフラッパー実験は予備実験として有望であり、将来的な専用静電気的リング建設前にマジックエネルギーの確認とシステムティックの検証が可能である。