[论文解读] Precursor Experiments to Search for Permanent Electric Dipole Moments (EDMs) of Protons and Deuterons at COSY

A. Lehrach, B. Lorentz+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 27, 2012

Atomic and Subatomic Physics Research参考文献 1被引用 24

一句话总结

本文提出利用COSY-Jülich的储存环配合射频电场（RFE）自旋翻转器，通过在径向电场中测量自旋进动，探测质子和氘核的永久电偶极矩（EDM）。关键结果表明，氘核的自旋相干时间可达约10⁵ s，从而实现预期灵敏度 $ d_d < 10^{-24} $ e·cm，与当前中子EDM限制相当。

ABSTRACT

In this presentation we discuss a number of experiments on the search for proton or deuteron EDMs, which could be carried out at COSY-Juelich. Most promising is the use of an radio-frequency radial electric field flipper that would lead to the accumulation of a CP violating in-plane beam polarization by tiny spin rotations. Most crucial for storage ring searches for EDMs is the spin-coherence time, and we report on analytic evaluations which point at a much larger spin-coherence time for deuterons by about a factor of 200 compared to the one for protons, and at COSY, the spin coherence time for deuterons could amount to about 10 000 s.

研究动机与目标

• 测试在纯磁性储存环（如COSY）中测量质子和氘核永久电偶极矩（EDM）的可行性。
• 评估COSY中氘核和质子的自旋相干时间，这对EDM灵敏度至关重要。
• 开发并验证一种射频电场（RFE）自旋翻转器技术，以诱导和探测$CP$破坏的平面内极化。
• 在COSY建立前导实验，以测试系统误差和技术挑战，为后续建设专用静电储存环做准备。
• 探索并研究‘魔法能量’的存在及其影响，即自旋退相干受环不完美性影响最小化的能量点。

提出的方法

• 使用频率约为77 kHz的射频径向电场（RFE）翻转器，将储存氘核的自旋旋转至环平面内，从而实现对EDM引起的自旋进动的探测。
• 通过极化测量技术测量由此产生的平面内极化 $ S_x $ 和 $ S_z $，以探测由EDM引起的$CP$破坏自旋旋转。
• 在20/3模式下采用平顶调制的RFE翻转器，以抑制非均匀电场效应引起的退相干，提高信号保真度。
• 利用极化束长时间储存过程中的自旋进动，累积可测量的极化变化，以探测EDM效应。
• 通过相位稳定的翻转器触发时序和振荡衰减测量，比较RFE翻转器与环晶格不完美性引起的自旋退相干。
• 在极低磁场强度（微特斯拉至皮特斯拉量级）下使用射频磁性翻转器进行系统研究，以探测环不完美性及虚假信号。

实验结果

研究问题

• RQ1 像COSY这样的纯磁性储存环能否用于测量质子和氘核等带电粒子的EDM？
• RQ2 氘核在COSY中的预期自旋相干时间是多少？与质子相比如何？
• RQ3 RFE自旋翻转器技术能否在 $ d_d < 10^{-24} $ e·cm的灵敏度下产生可探测的$CP$破坏平面内极化？
• RQ4 COSY中是否存在‘魔法能量’点，使得由环不完美性引起的自旋退相干被最小化，从而提升EDM灵敏度？
• RQ5 主要的系统误差是什么——特别是由于RFE场中磁矩引起的虚假自旋旋转——是否可以被缓解？

主要发现

• 氘核在COSY中的自旋相干时间估计为约10⁵ s，约为质子的200倍，显著提升了EDM灵敏度。
• 对于氘核EDM为 $ d_d = 10^{-23} $ e·cm的情况，累积的$CP$破坏平面内极化达到 $ S_{||} = 0.08 $，可通过最先进的极化测量技术探测。
• 通过测量 $ S_{||} = 0.008 $ 的极化，可实现 $ d_d < 10^{-24} $ e·cm的上限，灵敏度与当前中子EDM限制相当。
• ‘魔法能量’的存在——即自旋退相干被强烈抑制——是RFE翻转器的模型无关特征，可能显著提升质子和氘核EDM的探测灵敏度。
• 由RFE场中磁矩引起的虚假自旋旋转被识别为主要问题，需进行深入研究。
• COSY上的RFE翻转器实验被视为有前景的前导实验，具有在专用静电环建设前确认魔法能量并验证系统误差的潜力。