[论文解读] CERN Yellow Reports: Monographs, Vol. 3 (2021): Storage ring to search for electric dipole moments of charged particles: Feasibility study

CERN Yellow Reports: Monographs|arXiv (Cornell University)|Dec 17, 2019

Particle accelerators and beam dynamics参考文献 8被引用 37

一句话总结

本可行性研究提出了一项存储环实验，通过检测外部径向电场诱导的自旋进动，测量带电粒子（质子、氘核，可能还包括³He）的电偶极矩（EDM）。利用保持自旋极化的束流，该方法测量由EDM引起的自旋旋转所导致的极化缓慢增长，旨在实现约10⁻²⁹ e·cm的统计灵敏度，实验计划分步推进，从基于COSY的预研实验逐步发展至高精度存储环。

ABSTRACT

The proposed method exploits charged particles confined as a storage ring beam (proton, deuteron, possibly $^3$He) to search for an intrinsic electric dipole moment (EDM) aligned along the particle spin axis. Statistical sensitivities could 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 polarisation, initially parallel to the particle velocity, for times in excess of 15 minutes. Large radial electric fields, acting through the EDM, will rotate the polarisation from the longitudinal to the vertical direction. The slow rise in the vertical polarisation component, detected through scattering from a target, signals the EDM. The project strategy is outlined. A stepwise plan is foreseen, 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 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 a high-precision electric-field storage ring.

研究动机与目标

• 开发一种高灵敏度方法，用于测量质子和氘核等带电粒子的电偶极矩（EDM）。
• 克服系统误差的抑制挑战，使其达到目标统计灵敏度水平（约10⁻²⁹ e·cm）。
• 建立一个分阶段的实验计划，从现有设施（COSY）起步，逐步推进至专用高精度存储环。
• 证明在散射反馈基础上实现长自旋极化寿命和精确极化控制的技术可行性。
• 实现氘核EDM的首次直接测量，作为该计划的关键里程碑。

提出的方法

• 在存储环中储存极化带电粒子束流（质子、氘核、³He），初始自旋极化方向与粒子速度方向对齐。
• 施加强径向电场，通过粒子的本征EDM诱导自旋进动，使极化方向从纵向旋转至垂直方向。
• 通过外部靶的散射检测垂直极化分量的缓慢增长，该过程可作为极化度量器使用。
• 利用散射测量结果的反馈，主动控制并稳定束流的自旋极化方向。
• 实施多阶段发展路径：(1) 在COSY进行预研实验以验证能力，(2) 开展中间原型环以展示技术可行性，(3) 最终建成优化电场与磁场的高精度环。
• 使用相对论自旋演化方程模拟束流动力学，包括能量损失、靶中多次散射及贝塔特振荡的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有径向电场的存储环能否实现EDM测量所要求的自旋极化稳定性和控制？
• RQ2 该方法可实现的最小可探测EDM灵敏度是多少？能否达到10⁻²⁹ e·cm水平？
• RQ3 如何最小化系统误差（特别是场不均匀性和束流动力学影响），以匹配统计灵敏度？
• RQ4 在实际存储环环境中，能否实现所需的长自旋极化寿命（>15分钟）？
• RQ5 基于束流散射的极化度量器是否可行，能否实现实时反馈控制自旋方向？

主要发现

• 该方法具备实现约10⁻²⁹ e·cm量级带电粒子电偶极矩统计灵敏度的能力。
• 截至目前在COSY的成果包括：极化测量误差降低、水平自旋极化寿命超过15分钟，以及成功通过散射测量实现极化方向的反馈控制。
• 原型环设计证明了关键技术的可行性，包括高稳定性电场，以及在束流损失和多次散射存在下的自旋追踪能力。
• 基于颗粒的束流提取与取样建模为横向位移 ∆xβ ≈ −Dp/2 × (1 + Kp/(2mpc²)) × ηp(vp) × (dEp/dx)min × √(2OBp r⊥ / (BvP T0)) × ρP，表明其依赖于颗粒的不透明度和材料密度。
• 多次散射引入了均方根角展宽 θr.m.s. ≈ 21 MeV / (ppcβp) × √(tP / XP)，必须将其最小化以保持束流质量。
• 分析表明，对于固定不透明度，横向位移（及因此的提取效率）与颗粒材料密度成线性关系，凸显了使用高密度介质（如铍或碳）的重要性。