[論文レビュー] The quest to find an electric dipole moment of the neutron

P. Schmidt-Wellenburg|arXiv (Cornell University)|Jul 22, 2016

Atomic and Subatomic Physics Research参考文献 4被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、標準模型を超えたCP対称性の破れを調べるための鍵となるプローブである中性子の電気双極モーメント（nEDM）を全球的に行う検出の取り組みをレビューしている。超低温中性子（UCNs）を用いた実験的手法、磁気シールド、高精度磁力計測技術について詳述し、現在の感度は |dn| < 3×10⁻²⁶ e·cm であり、今後は高度なUCN源と分光計を用いて10⁻²⁷–10⁻²⁸ e·cmの感度向上が予想されている。

ABSTRACT

Until now no electric dipole moment of the neutron (nEDM) has been observed. Why it is so vanishingly small, escaping detection for the last 65 years, is not easy to explain. In general it is considered as one of the most sensitive probes for the violation of the combined symmetry of charge and parity (CP). A discovery could shed light on the poorly understood matter/antimatter asymmetry of the Universe. The neutron EDM might one day help to distinguish different sources of CP-violation in combination with measurements of paramagnetic molecules, diamagnetic atoms and other nuclei. This review presents an overview of the most important concepts in searches for an nEDM as well as a brief overview of the worldwide efforts.

研究の動機と目的

• 標準模型を超えた新しい物理を調べるための中性子電気双極モーメント（nEDM）探索の現在の状況と今後の見通しを評価すること。
• 非ゼロのnEDMがCP対称性の破れを示し、宇宙における物質・反物質非対称性の解明に寄与することを説明すること。
• 超低温中性子を用いたnEDM実験における技術的アプローチ、実験的課題、および系争誤差の制御方法を要約すること。
• 次世代UCN源と分光計設計によって駆動される、10⁻²⁷ e·cm未満の感度への道筋を予測すること。
• スイスのPSI、フランスのILL、ロシアのPNPI、およびヨーロッパ中性子源（ESS）を含む、世界的な取り組みを比較すること。

提案手法

• 実験では、スピンの定量化軸に沿って強い安定した電界を印加した超低温中性子（UCNs）を、貯蔵室に閉じ込めている。
• 中性子スピンの進化は、199Hg、3He、またはセシウムの光学励起磁力計に基づくコンマグネトメータを用いて測定され、非ゼロのnEDMによるわずかなエネルギーシフトを検出する。
• 横方向の磁界および磁界勾配による系争誤差は、逆方向の磁界配置を用いた差分測定技術によって最小限に抑えられている。
• nEDMは、電界の方向に応じた進化周波数シフトから抽出され、磁界の不均一性や幾何的位相の補正が施されている。
• 超流動ヘリウムや固体重水素を用いた高度なUCN源が開発されており、中性子数の増加が2桁以上見込まれている。
• 理論的モデルを用いて、nEDMの上限を、特にQCD軸子や超対称性理論における新しい物理のCP対称性破れ位相の観点から解釈している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 中性子電気双極モーメントの現在の実験的上限は何か？ そして、それが標準模型を超えた新しい物理をどのように制限しているか？
• RQ2 超低温中性子とコンマグネトメータを用いた実験的手法は、磁界や磁界勾配による系争誤差をどのように抑制しているか？
• RQ3 nEDM感度を向上させるにあたり、主な技術的課題は何か？ そして、次世代UCN源はそれらをどのように解決しているか？
• RQ4 電子や199HgのEDM探索と比較して、nEDM測定はCP対称性の破れをどのように探査しているか？
• RQ5 今後、10⁻²⁷ e·cm未満の感度を達成する予定の実験的設計や施設は何か？

主な発見

• 現在の中性子電気双極モーメントの実験的上限は、パウル・シュレーディンガー研究所（PSI）のデータに基づき |dn| < 3×10⁻²⁶ e·cm である。
• 次世代の実験は感度を10⁻²⁷ e·cmの範囲まで向上させることを目標としており、一部のプロジェクトではUCNの増強により10⁻²⁸ e·cmの目標を設定している。
• UCN源に超流動ヘリウムや固体重水素を用いることで、中性子フラックスが少なくとも2桁以上増加すると予想されている。
• 横方向磁界による系争誤差は、逆方向磁界配置を用いた差分測定によって抑制され、その影響は10⁻²⁸ e·cm未満にまで低下している。
• ILLおよびPNPIの実験は、分光計とUCN源のアップグレードを進め、今後数年以内に再びデータ収集を再開する計画である。
• スウェーデンに位置するヨーロッパ中性子源（ESS）では、パルスビームを用いた二重測定実験が計画されており、速度依存の進化シフトからnEDMを抽出する。