[论文解读] Feasibility Study for an EDM Storage Ring

F. Abusaif, A. Aggarwal+93 more|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2018

Computational Physics and Python Applications被引用 6

一句话总结

本文提出一种全电场、高精度储存环，用于测量质子电偶极矩（EDM），灵敏度达 $10^{-29}$ e·cm，通过使自旋极化的质子在相反方向循环以抵消系统误差。该方法依赖于通过EDM相互作用检测外部径向电场引起的自旋旋转，采用分步发展计划，包括预研实验、原型环和最终的高精度环，以解决主要系统不确定度。

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.

研究动机与目标

• 通过专用储存环实现 $10^{-29}$ e·cm 的质子电偶极矩（EDM）灵敏度。
• 通过外部径向电场中带电粒子（质子、氘核、³He）的自旋旋转测量其EDM。
• 将系统误差（尤其是径向磁场）降低至与统计灵敏度相当的水平。
• 通过分步计划（预研实验、原型环、高精度环）验证储存环方法的可行性。
• 通过自旋旋转频率的时间序列分析，实现轴子样粒子的探测。

提出的方法

• 在全电场储存环中使用反向旋转的自旋极化质子束，以抵消径向磁场引起的系统误差。
• 应用扩展用于EDM的Thomas-BMT方程，模拟在电场与磁场共同作用下的自旋进动。
• 在动量为0.7 GeV/c时实现“冻结自旋”条件，使极化维持超过15分钟。
• 通过散射测量实现基于束流的对准与反馈，以控制和监测自旋极化方向。
• 采用低温或NEG（非蒸发型吸气剂）真空系统，实现 $10^{-12}$ Torr 压力，最大限度减少发射度增长。
• 使用分辨率达10 µm的罗戈夫斯基线圈式束流位置监测器，以追踪束流位置并支持对准。

实验结果

研究问题

• RQ1 全电场储存环能否实现 $10^{-29}$ e·cm 的质子EDM灵敏度？
• RQ2 如何将径向磁场引起的系统误差降低至与统计灵敏度相当的水平？
• RQ3 在高精度环中，能否在最小发射度增长条件下维持超过15分钟的“冻结自旋”条件？
• RQ4 原型环能否成功实现对反向旋转束流和自旋极化的控制，为未来的高精度测量奠定基础？
• RQ5 储存环方法能否通过自旋旋转频率的共振扫描探测轴子样粒子？

主要发现

• 储存环方法可实现 $10^{-29}$ e·cm 的统计灵敏度，优于当前极限。
• 在COSY中已实现超过15分钟的极化寿命，支持长时间测量的可行性。
• 残余气体引起的发射度增长估计为0.005 mm·mrad/s，在 $10^{-12}$ Torr 下1000秒内达到5 mm·mrad，与随机冷却极限一致。
• 分辨率达10 µm、插入长度60 mm的罗戈夫斯基线圈束流位置监测器已开发完成，并在FZ-Jülich进行测试。
• 混合电/磁环概念可实现磁场为零的点，从而降低对径向磁场的敏感度。
• 通过测量两束流（如质子与³He）的EDM差异，可消除共同系统误差，实现非零EDM的直接探测。