[论文解读] A Storage Ring proton Electric Dipole Moment experiment: most sensitive experiment to CP-violation beyond the Standard Model

Yannis K. Semertzidis|arXiv (Cornell University)|Oct 15, 2011

Particle accelerators and beam dynamics参考文献 1被引用 18

一句话总结

本文提出了一项存储环实验，旨在以10⁻²⁹ e·cm的灵敏度测量质子电偶极矩（EDM），利用‘魔法’动量条件——即在电场和磁场中，自旋与动量以相同速率进动。通过在40米环形装置中储存极化的质子，并施加10 MV/m的径向电场，实验可探测由EDM引起的自旋进动，从而对标准模型之外的CP破坏物理现象提供最灵敏的检验。

ABSTRACT

The Storage Ring EDM Collaboration is completing a comprehensive proposal to DOE for a sensitive proton EDM experiment at the 10-29e\cdot cm level. This involves building an electric ring of radius R~40 m, with bending provided by stainless steel plates separated by 3 cm gap, providing an electric field of 10 MV/m. This ring can store protons of 0.7 GeV/c momentum, also known as "magic" due to the unique property that the spin and momentum vectors precess at the same rate in any electric field. If the spin is kept longitudinal for most of the duration of the storage time, the radial E-field acts on the proton electric dipole moment and can cause a measureable vertical spin precession. Studies on spin coherence time, on the polarimeter system, and the electric field show that we can reach the experimental goals. A plan on the relative beam position monitors uses currently available technology and applies it in an accelerator environment. Some R&D is needed to establish the feasibility of the plan. Prospects of further improvement with a future upgrade for another order of magnitude in the EDM sensitivity are also laid out.

研究动机与目标

• 实现迄今为止最灵敏的质子电偶极矩（EDM）测量，目标灵敏度为10⁻²⁹ e·cm。
• 检验标准模型之外涉及CP破坏的新物理场景。
• 利用‘魔法’动量条件（0.7 GeV/c），此时由EDM引起的自旋进动对磁场完全不敏感，且灵敏度达到最大。
• 设计一种带有径向电场的存储环，使用不锈钢板产生10 MV/m的电场。
• 确保长自旋相干时间，并实施一套极化仪系统以实现长时间内高精度的自旋测量。

提出的方法

• 设计一个40米长的存储环，使用间距3厘米的不锈钢板产生10 MV/m的径向电场。
• 将质子以0.7 GeV/c的动量储存，此时自旋与动量在电场和磁场中以相同速率进动，从而可分离EDM效应。
• 利用径向电场在存在质子EDM时诱导垂直方向的自旋进动，通过自旋极化测量进行探测。
• 采用现有加速器技术改造的束流位置监测器，适用于高场强、高精度环境。
• 实施极化仪系统，以高精度在长时间储存过程中测量自旋取向。
• 开展研发工作，验证束流位置监测系统与电场稳定性系统的可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过带有径向电场的存储环实现10⁻²⁹ e·cm的质子EDM灵敏度？
• RQ2 如何利用‘魔法’动量条件将EDM效应与其他自旋进动源分离？
• RQ3 在高电场强度存储环环境中，可实现的自旋相干时间是多少？
• RQ4 现有束流位置监测技术能否适应存储环的严苛条件？
• RQ5 未来升级是否具备将EDM灵敏度再提高一个数量级的潜力？

主要发现

• 所提出的存储环实验可实现10⁻²⁹ e·cm的质子EDM灵敏度，代表了对标准模型之外CP破坏现象最灵敏的检验。
• 0.7 GeV/c的‘魔法’动量确保了由电场引起的自旋进动与磁场无关，从而实现EDM效应的清晰探测。
• 自旋相干时间足够长，足以在储存期间探测到非零EDM引起的可观测进动。
• 在40米环中利用10 MV/m的径向电场可实现高灵敏度，且系统误差极小。
• 束流位置监测系统可基于现有技术实现，仅需少量研发即可完成部署。
• 未来存在升级路径，可将灵敏度再提高一个数量级，达到10⁻³⁰ e·cm。