[논문 리뷰] Feasibility Study for an EDM Storage Ring

F. Abusaif, A. Aggarwal외 93명|arXiv (Cornell University)|2018. 12. 20.

Computational Physics and Python Applications인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 반전 방향으로 순환하는 스핀 균형을 가진 양성자로, 체계적 오차를 상쇄하기 위해 전기적 저장 고리 전체를 사용하여 $10^{-29}$ e·cm의 민감도로 양성자 전기 dipole moment(EDM)를 측정하는 데 목적이 있다. 이 방법은 외부 반경 방향 전기장에 의해 유도된 스핀 회전을 EDM 상호작용을 통해 감지하는 데 기반하며, 주요 체계적 불확실성을 해결하기 위해 예비 실험, 프로토타입 고리, 최종 고정밀 고리로 이뤄진 단계적 개발 계획을 수립하고 있다.

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.

연구 동기 및 목표

• 전용 저장 고리를 사용하여 양성자 전기 dipole moment(EDM)에 대해 $10^{-29}$ e·cm의 민감도를 달성하기 위해.
• 외부 반경 방향 전기장에서의 스핀 회전을 통해 양성자, 디우터늄, 3He 등의 양전자 EDM를 측정하기 위해.
• 특히 반경 방향 자기장에 기인한 체계적 오차를 통계적 민감도 수준과 동일한 수준으로 감소시키기 위해.
• 예비 실험, 프로토타입 고리, 고정밀 고리로 이뤄진 단계적 프로그램을 통해 저장 고리 방법의 타당성을 검증하기 위해.
• 스핀-회전 주파수의 시간적 분석을 통해 악시온 유사 입자를 감지할 수 있도록 하기 위해.

제안 방법

• 반대 방향으로 순환하는 스핀 균형을 가진 양성자 비임을 사용하여 반경 방향 자기장에 기인한 체계적 오차를 상쇄하기 위해.
• EDM를 고려한 확장된 토머스-BMT 방정식을 사용하여 전기장과 자기장이 동시에 작용할 때의 스핀 프리세션을 모델링하기 위해.
• 0.7 GeV/c 운동량에서 동결 스핀 조건을 적용하여 15분 이상 균형을 유지하기 위해.
• 산산만진 측정에서 유도된 비임 기반 정렬 및 피드백을 통해 스핀 균형 방향을 제어하고 모니터링하기 위해.
• 10^{-12} Torr 압력에 도달하기 위해 냉각 또는 NEG(증발되지 않는 겔터) 진공 시스템을 사용하여 비임 성장 최소화하기 위해.
• 10 µm 해상도를 가진 로고프스키 코ils 스타일의 비임 위치 모니터를 사용하여 비임 위치를 추적하고 정렬을 지원하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 모든 전기 고리가 양성자 EDM 민감도 $10^{-29}$ e·cm를 달성할 수 있는가?
• RQ2 반경 방향 자기장에 기인한 체계적 오차는 통계적 민감도 수준과 동일한 수준으로 어떻게 완화할 수 있는가?
• RQ3 최고 정밀도 고리에서 잔여 기체로 인한 비임 성장이 최소화된 상태에서 동결 스핀 조건이 15분 이상 유지될 수 있는가?
• RQ4 프로토타입 고리는 향후 고정밀 측정을 위한 반대 방향 비임 및 스핀 균형 제어를 성공적으로 시연할 수 있는가?
• RQ5 저장 고리 방법을 통해 공진 스핀-회전 주파수 스캔을 통해 악시온 유사 입자를 감지할 수 있는가?

주요 결과

• 저장 고리 방법은 양성자 EDM에 대해 통계적 민감도 $10^{-29}$ e·cm를 달성할 수 있으며, 현재의 한계를 초월한다.
• COSY에서 15분 이상의 균형 수명이 실험적으로 입증되어 장기 측정의 타당성을 뒷받침한다.
• 잔여 기체로 인한 비임 성장은 0.005 mm·mrad/s로 추정되며, $10^{-12}$ Torr에서 1000초 동안 약 5 mm·mrad에 도달하여 확률적 냉각 한계와 일치한다.
• 10 µm 해상도와 60 mm 삽입 길이를 가진 로고프스키 코일 BPM은 FZ-Jülich에서 개발 중이며 테스트 중이다.
• 하이브리드 전기/자기 고리 개념은 자기장이 0인 지점을 제공하여 반경 방향 자기장에 대한 민감도를 감소시킨다.
• 두 비임 간의 EDM 차이를 측정함으로써 공통된 체계적 오차를 상쇄할 수 있으며, 이는 비영제 EDM의 직접 감지를 가능하게 한다.