[论文解读] The NNbar Experiment at the European Spallation Source

Matthew Frost|arXiv (Cornell University)|Jul 25, 2016

Atomic and Subatomic Physics Research被引用 7

一句话总结

NNbar实验在欧洲散裂中子源提出，利用高强度脉冲冷中子束，并结合先进的中子光学技术（如椭球形和嵌套反射器），以实现比以往实验高1000倍的灵敏度，从而检验预测核子数违反的超越标准模型理论。

ABSTRACT

The observation of neutron to antineutron oscillation would be the first experimental evidence to show that baryon number is not a conserved quantity. It also provides an answer to the hypothesized post-sphaleron baryogenesis mechanism shortly after the Big Bang. The free oscillation time {τ_{n ightarrow\bar{n}} has a lower limit at 8.7 x 10^7 seconds determined at ILL in 1994. Current beyond Standard Model theories of this oscillation time estimate the value to be on the order of 10^{10} seconds. A new experiment is proposed at the European Spallation Source that has 1000 times the sensitivity of the previous experiment, and would confirm the viability of those beyond Standard Model theories.

研究动机与目标

• 通过观测中子到反中子的振荡，首次提供核子数违反的实验证据。
• 检验需要在电弱相变以下能量发生ΔB = 2过程的后期萨拉默核子生成理论模型。
• 实现比先前ILL实验高1000倍的灵敏度，从而能够探测约10^10秒量级的振荡时间。
• 利用欧洲散裂中子源提供的高强度冷中子束进行基础物理测量。
• 开发并应用新型中子光学系统，以最大化中子在湮灭靶处的通量。

提出的方法

• 利用欧洲散裂中子源（ESS）的脉冲冷中子束，中子典型速度为1200 m/s，以实现高精度的振荡测量。
• 采用椭球形聚焦反射器，增强位于距慢化工质约200 m处的湮灭靶处的中子强度。
• 应用先进的中子光学技术，如嵌套反射器、具有多个焦斑的叶状反射器以及纳米颗粒准镜面反射器，以进一步提高灵敏度。
• 利用CPT对称性假设中子与反中子质量相等且磁矩相反，从而可使用振荡概率公式 P(n(t)=n̄) ≈ (t/τ_n→n̄)^2。
• 通过模拟优化实验构型，以最大化探测稀有振荡事件的信噪比。
• 在3–5年内运行实验，以积累足够统计量以实现灵敏度的标定。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否以比先前ILL实验高1000倍的灵敏度观测到中子到反中子的振荡？
• RQ2 所观测到的振荡时间 τ_n→n̄ 是否支持预测ΔB = 2过程的超越标准模型理论？
• RQ3 如椭球形和嵌套反射器等先进中子光学系统能否显著增强中子在湮灭靶处的通量？
• RQ4 利用ESS中子源和优化光学系统，探测核子数违反的最大可实现灵敏度是多少？
• RQ5 磁场效应和CPT对称性约束如何影响所提出装置中振荡事件的探测？

主要发现

• NNbar实验设计可实现比先前ILL实验高1000倍的灵敏度，从而能够探测约10^10秒量级的振荡时间。
• 理论模型预测中子到反中子的振荡时间约为10^10秒，而本实验对此灵敏度足够。
• 模拟结果证实，椭球形反射器概念可显著提高从慢化工质到靶的冷中子输运效率，从而显著增强信号强度。
• 嵌套反射器、具有多个焦斑的叶状反射器以及纳米颗粒准镜面反射器被预测可进一步提升灵敏度和靶处的中子通量。
• 该实验有望首次提供核子数违反的直接实验证据，满足萨拉默提出的核子生成三个条件之一。
• 在3–5年的运行周期内，该实验将探测到振荡时间极限低至10^10秒，从而弥合当前实验极限与理论预测之间的差距。