[论文解读] Frequency domain method of the search for the deuteron electric dipole moment in a storage ring with imperfections

Yury Senichev, A. Aksentev+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 17, 2017

Geophysical and Geoelectrical Methods参考文献 8被引用 5

一句话总结

本文提出一种频域方法，用于在存在磁性和电场不完善的储存环中测量氘核电偶极矩（EDM）。通过测量垂直平面内的总自旋进动频率，并利用顺时针/逆时针束流运行来抵消系统误差，该方法实现了约10⁻²⁹ e·cm的预期灵敏度，显著降低了由场对准误差引起的虚假信号，即使在环存在不完善的情况下也能实现高精度EDM搜索。

ABSTRACT

The method is based on four fundamental features. The total spin precession frequency in the vertical plane due to the electric and magnetic dipole moments in an imperfect ring in a vertical plane is measured. The position of the ring elements is unchanged from clockwise to counter-clockwise operation. The calibration of the effective Lorentz factor using the polarization precession frequency measurement in the horizontal plane is carried out alternately in each CW and CCW operation. And the approximate relationship between the frequencies of the polarization precession in different planes is set to exclude them from mixing to the vertical frequency of the expected EDM signal at a sensitivity level approaching $10^{-29}$ $e\cdot cm$.

研究动机与目标

• 解决储存环实验中因场不完善而引起的系统误差对氘核电偶极矩（EDM）搜索带来的挑战。
• 在不可避免存在磁性和电场对准误差的环中实现高灵敏度EDM测量。
• 开发一种在抑制径向和垂直场分量引起的虚假EDM信号的同时，仍能保持冻结自旋条件的方法。
• 尽管存在实验不完善，仍实现接近10⁻²⁹ e·cm的灵敏度。
• 为纯静电环提供一种稳健的替代方案，适用于同时具备电场和磁场的电磁储存环。

提出的方法

• 测量垂直平面内总自旋进动频率，综合考虑EDM、磁偶极矩（MDM）和场不完善性的贡献。
• 通过同时进行顺时针（CW）和逆时针（CCW）束流运行来抵消系统误差：MDM和场不完善性引起的信号符号反转，而EDM信号保持相加。
• 通过在交替进行CW和CCW运行期间测量水平平面内的极化进动频率，标定有效洛伦兹因子。
• 应用条件 Ω ≈ (Ω_edm + Ω_Br) · [1 + (Ω_Bv,Er² + Ω_Bz²)/(2(Ω_edm + Ω_Br)²)]，以从背景贡献中分离出EDM信号。
• 利用纵向螺线管稳定垂直场分量，确保 Ω_Bv,Er 和 Ω_Bz 足够小，不会扭曲EDM频率测量。
• 利用自旋进动频率对振幅和相位不敏感的特性，仅关注频率本身以提取EDM信号。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何抑制储存环中磁性和电场不完善性引起的系统误差，以实现高灵敏度EDM测量？
• RQ2 在垂直平面内测量总自旋进动频率的频域方法，能否替代直接测量垂直自旋分量，从而提高EDM灵敏度？
• RQ3 顺时针/逆时针束流运行技术在同时具备电场和磁场的电磁储存环中，可适应到何种程度？
• RQ4 为确保在10⁻²⁹ e·cm水平下不掩盖EDM信号，对径向和垂直场分量（Ω_Br, Ω_Bv,Er, Ω_Bz）的容差要求是什么？
• RQ5 在氘核环中，尽管存在场不完善性，且反常磁矩为负（G = -0.143），如何保持冻结自旋条件？

主要发现

• 该方法对氘核电偶极矩的预期灵敏度达到约10⁻²⁹ e·cm，接近当前储存环实验的理论极限。
• 若径向和垂直场分量（Ω_Bv,Er 和 Ω_Bz）的贡献满足条件 (Ω_Bv,Er² + Ω_Bz²)/(2Ω_Br) < Ω_edm，则其引起的系统误差可被抑制至低于EDM信号水平。
• 当 Ω_Br ≈ 50 rad/sec 且 Ω_edm ≈ 10⁻⁸ rad/sec 时，1000秒相干时间内的最大允许由不完善性引起的自旋旋转约为1弧度，技术上可行。
• 使用纵向螺线管可稳定垂直场分量，而无需精确知道其绝对值，因为仅相对频率偏移具有意义。
• 只要顺时针和逆时针运行的光学特性对称，该方法对四极磁铁和偏转器的对准误差具有鲁棒性。
• 该方法将冻结自旋方法的应用范围扩展至氘核的电磁储存环，克服了纯静电环的局限性。