Поиск электрического дипольного момента нейтрона

Поиск ЭДМ нейтрона
кристалл-дифракционным
методом
В.В. Воронин1, 2, 3, Ю.П. Брагинец1, 2, Е.О. Вежлев1, 2, И.А. Кузнецов1,
Е.Г. Лапин1, М.В. Ласица1, 2, С.Ю. Семенихин1, В.В. Федоров1, 2, 3
1 Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова
Санкт-Петербургский государственный политехнический университет
3 Санкт-Петербургский государственный университет
2
PHCИ-KC 2014
ЭДМ нейтрона
е – заряд электрона,
d – вектор, соединяющий центры шариков и направленный
от положительного заряда к отрицательному.
ЭДМ и нарушение СР-симметрии
Не нулевой ЭДМ требует
одновременное
нарушение временной (Т)
и пространственной (Р)
инвариантностей, а в силу
СРТ-теоремы и СРинвариантности.
Барионная асимметрия Вселенной

1967 г. А.Д. Сахаров ввел три условия
возникновения Вселенной:

существует взаимодействие, не сохраняющее
барионное число

существует взаимодействие, нарушающее СРинвариантность

отсутствует термодинамическое равновесие при
расширении
Начало поиска ЭДМ нейтрона



1950 г. – Парселл и Рамзей анализируя работы о нейтронэлектронному взаимодействию предположили существования
ЭДМ у нейтрона порядка 3·10-18 е·см.
1951 г. – Смит, Парселл и Рамзей первый эксперимент D < 5·1020 е·см.
1957 г. – группа Ву обнаружили нарушение пространственной
четности предсказанное Ли и Янгом.

1964 г. непосредственное обнаружение нарушения СРсимметрии в распаде нейтрального К-мезона.

2004 г. Belle, BaBar обнаружение нарушения СР-симметрии в
распаде нейтрального В-мезона.
ПИЯФ
Холодные нейтроны,
проточный вариант установки
УХН, накопительный вариант
установки
Эксперименты по поиску ЭДМ на УХН
ПИЯФ
ILL, Sussex, RAL
1995 г. D < 9,7·10-26 е·см,  ~ 100 с,
E=15 кВ/см.
2006 г. D < 2,9·10-26 е·см,  ~ 150 с, E=10 кВ/см.
Phys. Lett., 2006, v.97, 131801
Phys. Lett., 1996, v.59, pp.1204-1224
Чувствительность к ЭДМ

1
~ E N
Для УХН
Для кристалл-дифракционного метода
E ~ 10 кВ/см
 ~ 1000 с
E ~ (108-109) В/см,
а~ 0.01 с (поглощение)
Максимальная чувствительность Чувствительность метода к ЭДМ
Е ~ 107(B·c)/см.
Е ~ 107(B·c)/см
Достигнутая
Е ≈ 106 (В·с)/см
Кристалл-дифракционный метод
+ “ядерные”
плоскости
“электрические”
плоскости
k
L
g
max |ψ(1)|2
max |ψ(2)|2
k+g
Проходя через нецентросимметричный
кристалл нейтрон оказывается под
действием сильных 108-109 В/см
межплоскостных электрических полей
противоположного знака ± Е.
Основная идея эксперимента
кварцевый
кристалл-отражатель
T=T0 ±DT
PG (002)
R 50%
плоскость
(110)
Детектор
-
~
d  d 0 (1   T D T )
где Т – коэффициент теплового
расширения кварца в направлении
перпендикулярном отражающим
плоскостям.
+
+0.8·108 В/см
-E
T=T0
+E
Теория
рабочий кристалл
кварца
пучок
нейтронов
Отметим, что при угле дифракции /2,
E||vn Hs~[E×vn]≈0
- 0.8·108 В/см
Тестовый кристалл-дифракционный
эксперимент (ПИЯФ, ILL)
монитор
поглотитель
сверхпроводящий
экран
(110) плоскость
поглотитель T=T0±DТ
PG (002)
(R~50%)
выходной
нутатор
входной
нутатор
T=T0
SM поляризатор
PF1b
(110) плоскость
H L 0
3
He ячейка
Z
En<E0
vn
позиционно
чувствительный
детектор
спин-флиппер
Y
+E
X
+PD
двухкристальный
монохроматор PG
-E
Каземат
En>E0
-PD
Чувствительность к ЭДМ в тестовом
эксперименте 1.6 10-23 е см/сутки
(dn=(2.5 ± 6.5)10-24 e см.)
Тестирование кристаллов кварца
4,5
W, 10
-5
4,0
3,5
3,0
2,5
2,0
1,5
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
Crystal number
Отобраны кристаллы суммарным
размером 105x100x500 мм3
(15 кристаллов 35х100х100 мм3)
и разбросом межплоскостного
расстояния Dd/d~ 4 10-6
8
9
10 11
Кристаллодержатель
Водяной термостат
стабилизация температуры ~ 0,010C
CRYOPAD для ЭДМ эксперимента




Внутренний диаметр – 642x256 мм
Размер входного и выходного окна 120х120 мм2
Входное и выходное окна
плоскопараллельны друг другу с
точностью не хуже ~10-3 рад
Точность и однородность поворота
поляризации по всей апертуре пучка
должны быть не хуже ~10-3 рад

Остаточные магнитные поля ~ 104 Гс

Время стабилизации
105 Гс / час
σd~3 10-25 e cм/сутки
Многощелевой SM поляризатор на
основе Fe/SiNx зеркал
детектор
N(+) transmition is ~70%
0
for beam with divergence ~ ±0.8
Pf
N(+)
N(-)
1
0,1
0,01
спин-флиппер
1E-3
Многощелевой
SM поляризатор
-0,5
на основе Fe/SiNx зеркал
без поглощающей подложки,
m=3
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
Angle, degree
σd~1.8 10-25 e cм/сутки
P.Hoghoj, I. Anderson, K. Ben-Saidane, W. Graf
Neutron polarizing Fe/SiNx mirrors at ILL
Параметры нецентросимметричных
кристаллов
Crystal Symmetry
group
hkl
d, (Å)
Eg,
108V/cm
 a,
ms
Eg a,
(kVs/cm)
-quartz
(SiO2)
32(D63)
111
2.236
2.3
1
230
110
2.457
2.0
Bi12SiO20
I23
433
1.75
4.3
444
1.46
4.65
433
1.74
4.65
444
1.46
4.8
002
2.94
10.4
004
1.47
10
011
2.06
5.4
201
1.13
6.5
Bi12GeO20
PbO
BeO
I23
P c a 21
6mm
200
4
1720
1860
1
465
480
1
1040
1000
7
3700
4500
Накопительный вариант установки
для импульсного источника нейтронов
T=T0DT
T=T0
T=T0DT
Брэгговская ширина
t=0
DvB 
mVc
(444) Bi12 SiO20

 0.6 см / с
Время прохождения импульса через
кристалл и обратно
0<t<2t
L 15 см
 r ~ 2 L / vn 
~ 0.2 мс
a
t=2a
4 Fg d
3He
ячейка Детектор
Ускорение кристалла
Hi
Hf
a – время поглощения нейтронов в кристалле
ac  DvB /  r ~ 30 м / с  3g
σd~2 10-26 e cм/сутки
для ESS
Заключение

Использование
кристаллов
кварца
суммарным
размером
105х100х500
мм3
и
CRYOPAD
c
плоскопараллельными входным и выходным окном
позволяет достичь чувствительности ~3 10-25 e cм/сутки

Использование многощелевого SM поляризатора на
основе Fe/SiNx зеркал без поглощающей подложки
~1.8·10-25 e см/сутки

Дальнейшее усовершенствование метода может быть
связанно
с
использованием
других
нецентросимметричных кристаллов и накопительного
варианта установки позволит достичь чувствительности
на уровне ~2 10-26 e cм/сутки