Электрический дипольный момент нейтрона - Neutron electric dipole moment

В электрический дипольный момент нейтрона (nEDM) является мерой распределения положительного и отрицательного заряда внутри нейтрон. Конечная электрический дипольный момент может существовать только в том случае, если центры распределения отрицательного и положительного заряда внутри частицы не совпадают. ЭДМ нейтрона пока не обнаружено. Текущий наилучший измеренный предел для d_п является (0.0±1.1)×10⁻²⁶ е ⋅см.^[1]

Теория

Нарушение четности (P) и обращения времени (T) из-за электрического дипольного момента

Постоянный электрический дипольный момент фундаментальной частицы нарушает оба паритет (P) и симметрия обращения времени (Т). Эти нарушения можно понять, исследуя нейтронную магнитный дипольный момент и гипотетический электрический дипольный момент. При обращении времени магнитный дипольный момент меняет свое направление, а электрический дипольный момент остается неизменным. При четности изменяет свое направление электрический дипольный момент, но не магнитный дипольный момент. Поскольку получившаяся система относительно P и T не является симметричной относительно исходной системы, эти симметрии нарушаются в случае существования EDM. Имея также Симметрия CPT, комбинированная симметрия CP также нарушается.

Прогнозирование стандартной модели

Как показано выше, для создания конечного nEDM нужны процессы, которые нарушать CP-симметрия. Нарушение CP наблюдается в слабые взаимодействия и входит в Стандартная модель физики элементарных частиц через фазу нарушения CP в CKM матрица. Однако степень нарушения CP очень мала и, следовательно, также вносит вклад в nEDM: |d_п| ~ 10⁻³¹ е⋅см.^[2]

Асимметрия вещества и антивещества

Из-за асимметрии между материей и антивеществом во Вселенной можно предположить, что должно быть значительное количество CP-нарушение. Следовательно, измерение электрического дипольного момента нейтрона на гораздо более высоком уровне, чем предсказывает Стандартная модель, напрямую подтвердит это подозрение и улучшит наше понимание CP-нарушающих процессов.

Сильная проблема CP

Поскольку нейтрон состоит из кварки, он также подвержен CP-нарушению, обусловленному сильные взаимодействия. Квантовая хромодинамика - теоретическое описание сильного взаимодействия - естественно включает термин, нарушающий CP-симметрию. Сила этого члена характеризуется углом θ. Текущее ограничение на nEDM ограничивает этот угол менее 10⁻¹⁰ радианы. Этот тонкая настройка углаθ, который, естественно, должен иметь порядок 1, является сильная проблема CP.

Проблема с SUSY CP

Суперсимметричный расширения Стандартной модели, такие как Минимальная суперсимметричная стандартная модель, обычно приводят к большому CP-нарушение. Типичные предсказания для ЭДМ нейтрона, вытекающие из теории, находятся в диапазоне от 10⁻²⁵ е⋅см и 10⁻²⁸ е⋅см.^[3][4] Как и в случае с сильное взаимодействие ограничение на ЭДМ нейтрона уже ограничивает фазы, нарушающие CP. В тонкая настройка однако еще не так серьезен.

Экспериментальная техника

Для извлечения ЭДМ нейтрона измеряется Ларморова прецессия нейтрона вращение при наличии параллельных и антипараллельных магнитных и электрических полей. Частота прецессии для каждого из двух случаев определяется выражением

${ displaystyle h nu = 2 mu _ { text {n}} B pm 2d _ { text {n}} E}$,

сложение или вычитание частот, возникающих из-за прецессии магнитный момент вокруг магнитное поле и прецессия электрического дипольного момента вокруг электрическое поле. Из разницы этих двух частот легко получить меру ЭДМ нейтрона:

${ displaystyle d _ { text {n}} = { frac {h , Delta nu} {4E}}}$

Самая большая проблема эксперимента (и в то же время источник самых больших систематических ложных эффектов) - убедиться, что магнитное поле не меняется во время этих двух измерений.

История

Измерены верхние пределы ЭДМ нейтрона. Даны также предсказания, вытекающие из суперсимметрии и Стандартной модели.

В первых экспериментах по поиску электрического дипольного момента нейтрона использовались пучки тепловой (и позже холодный ) нейтронов для проведения измерения. Это началось с эксперимента Смита, Перселл, и Рэмси в 1951 г. (и опубликовано в 1957 г.), получив предел |d_п| < 5×10⁻²⁰ е⋅см .^[5] Пучки нейтронов использовались до 1977 года для экспериментов nEDM. В этот момент систематические эффекты, связанные с высокими скоростями нейтронов в пучке, стали непреодолимыми. Окончательный предел, полученный с помощью нейтронного пучка, составляет |d_п| < 3×10⁻²⁴ е⋅см.^[6]

После этого эксперименты с ультрахолодные нейтроны взял на себя. Все началось в 1980 году с эксперимента на Ленинградский институт ядерной физики (LNPI) получение лимита |d_п| < 1.6×10⁻²⁴ е⋅см.^[7] Этот эксперимент и особенно эксперимент, начатый в 1984 г. Institut Laue-Langevin (ILL) подтолкнул предел еще на два порядки величины дающий указанный выше лучший верхний предел в 2006 году, пересмотренный в 2015 году.

За эти 50 лет экспериментов шесть порядки величины были охвачены, что накладывает строгие ограничения на теоретические модели.^[8]

Текущие эксперименты

В настоящее время проводится как минимум шесть экспериментов, направленных на улучшение предела тока (или измерение впервые) на ЭДМ нейтрона с чувствительностью до 10⁻²⁸ е⋅см в течение следующих 10 лет, таким образом охватывая диапазон прогнозов, исходящих из суперсимметричный расширения Стандартной модели.

• Проводится эксперимент nEDM (n2EDM строится) на источнике УХН в Институт Пауля Шеррера^[9]
• Эксперимент UCN nEDM строится на ТРИУМФ^[10]
• Криогенный нейтронный EDM эксперимент создается в Institut Laue-Langevin^[11]
• Эксперимент nEDM строится на Источник нейтронов расщепления^[12][13]
• Эксперимент nEDM строится на Institut Laue-Langevin^[14]
• Эксперимент nEDM строится на Forschungsreaktor München II^[15]

Смотрите также

• Электрический дипольный момент электрона

Рекомендации