[论文解读] The quest to find an electric dipole moment of the neutron

P. Schmidt-Wellenburg|arXiv (Cornell University)|Jul 22, 2016

Atomic and Subatomic Physics Research参考文献 4被引用 5

一句话总结

本文综述了全球范围内探测中子电偶极矩（nEDM）的进展，这是探索标准模型之外CP破坏的关键手段。文章详细介绍了利用超冷中子（UCNs）、磁屏蔽和精密磁力计的实验技术，当前灵敏度已达 |dn| < 3×10⁻²⁶ e·cm，并预测通过先进UCN源和光谱仪，未来灵敏度将提升至10⁻²⁷–10⁻²⁸ e·cm。

ABSTRACT

Until now no electric dipole moment of the neutron (nEDM) has been observed. Why it is so vanishingly small, escaping detection for the last 65 years, is not easy to explain. In general it is considered as one of the most sensitive probes for the violation of the combined symmetry of charge and parity (CP). A discovery could shed light on the poorly understood matter/antimatter asymmetry of the Universe. The neutron EDM might one day help to distinguish different sources of CP-violation in combination with measurements of paramagnetic molecules, diamagnetic atoms and other nuclei. This review presents an overview of the most important concepts in searches for an nEDM as well as a brief overview of the worldwide efforts.

研究动机与目标

• 评估中子电偶极矩（nEDM）搜索的当前状态与未来前景，作为探测标准模型之外新物理的探针。
• 解释为何非零的nEDM将表明存在CP破坏，并有助于解决宇宙中物质-反物质不对称性问题。
• 总结利用超冷中子进行nEDM实验的技术方法、实验挑战及系统误差控制策略。
• 预测实现低于10⁻²⁷ e·cm灵敏度的路径，该路径由下一代UCN源和光谱仪设计推动。
• 比较全球范围内的研究进展，包括瑞士的保罗谢勒研究所（PSI）、法国的伊留克斯反应堆（ILL）、俄罗斯的彼得堡核物理研究所（PNPI），以及即将建成的欧洲散裂源（ESS）等设施。

提出的方法

• 实验利用超冷中子（UCNs）在带有强而稳定电场的储存腔中被约束，电场沿自旋量化轴方向施加。
• 通过基于¹⁹⁹Hg、³He或铯原子光泵浦磁力计的共磁力计测量中子自旋进动，以探测非零nEDM引起的微小能量偏移。
• 通过采用磁场方向反转的差分测量技术，最大限度减小横向磁场和磁场梯度带来的系统误差。
• 通过电场方向依赖的进动频率偏移提取nEDM，同时对磁场不均匀性和几何相位进行修正。
• 正在开发基于超流氦或固态氘的先进UCN源，以使中子计数率提高两个数量级。
• 利用理论模型将nEDM极限解释为新物理中CP破坏相位的体现，尤其在QCD轴子或超对称模型中。

实验结果

研究问题

• RQ1 目前中子电偶极矩的实验极限是多少？它如何约束标准模型之外的新物理？
• RQ2 利用超冷中子和共磁力计的实验技术如何抑制来自磁场和磁场梯度的系统误差？
• RQ3 提升nEDM灵敏度的关键技术挑战是什么？下一代UCN源如何应对这些挑战？
• RQ4 与电子或¹⁹⁹Hg的EDM搜索相比，nEDM测量在探测CP破坏方面有何异同？
• RQ5 未来哪些实验设计和设施有望实现低于10⁻²⁷ e·cm的灵敏度？

主要发现

• 目前中子电偶极矩的实验极限为 |dn| < 3×10⁻²⁶ e·cm，基于保罗谢勒研究所（PSI）的数据。
• 下一代实验计划将灵敏度提升至10⁻²⁷ e·cm量级，部分项目目标达到10⁻²⁸ e·cm，通过提升UCN产额实现。
• 在UCN源中采用超流氦或固态氘，预计可使中子通量至少提高两个数量级。
• 通过磁场方向反转的差分测量技术，横向磁场引起的系统误差被抑制至低于10⁻²⁸ e·cm。
• 伊留克斯反应堆（ILL）和彼得堡核物理研究所（PNPI）的实验正在升级其光谱仪和UCN源，计划在未来几年内恢复数据采集。
• 瑞典的欧洲散裂源（ESS）计划开展基于脉冲束的双测量实验，通过速度依赖的进动频移提取nEDM。