Поиск ЭДМ нейтрона кристалл-дифракционным методом

21
Поиск ЭДМ нейтрона Поиск ЭДМ нейтрона кристалл-дифракционным кристалл-дифракционным методом методом Воронин Владимир ПИЯФ, Гатчина Секция ЯФ ОФН РАН, ИТЭФ 2011 October 28, 2022 1

Upload: kenaz

Post on 15-Jan-2016

55 views

Category:

Documents


2 download

DESCRIPTION

Поиск ЭДМ нейтрона кристалл-дифракционным методом. Воронин Владимир ПИЯФ, Гатчина. Секция ЯФ ОФН РАН, ИТЭФ 2011. Neutron EDM. P – spatial inversion С – particle – antiparticle inversion Т – time inversion. Non zero EDM means the P and T violation. CPT theorem - PowerPoint PPT Presentation

TRANSCRIPT

Page 1: Поиск ЭДМ нейтрона кристалл-дифракционным методом

Поиск ЭДМ нейтрона Поиск ЭДМ нейтрона кристалл-кристалл-дифракционным дифракционным методомметодом

Воронин Владимир

ПИЯФ, Гатчина

Секция ЯФ ОФН РАН, ИТЭФ 2011April 21, 2023 1

Page 2: Поиск ЭДМ нейтрона кристалл-дифракционным методом

Neutron EDMNeutron EDM

Non zero EDM means the P Non zero EDM means the P and T violation and T violation

P P – spatial inversionСС – particle – antiparticle inversion Т Т – time inversion

CPTCPT theoremtheorem(Lüders (1954); Pauli(1955))

(Our world is (Our world is СРТСРТ invariant)invariant)

Non zero nEDM meansNon zero nEDM means СРСР violationviolation

April 21, 2023 2

Page 3: Поиск ЭДМ нейтрона кристалл-дифракционным методом

History of nEDM experimentHistory of nEDM experiment

Standard model

dn~(10-31-10-33) e cm

New physics to explain the New physics to explain the baryon asymmetry baryon asymmetry (experiment - (experiment - nnbb/n/n~10~10-11-11

SMSM -- nnbb/n/n~10~10-21-21))

dn~(10-25-10-30) e cm

Neutron scattering

in-flight magnetic resonance

UCN magnetic resonance

April 21, 2023 3

Page 4: Поиск ЭДМ нейтрона кристалл-дифракционным методом

Idea nEDM experimentIdea nEDM experiment

2(E·D)

-E

+EDD

DD

Interaction time

with Е

1 ~ E N

2( ) /D E D

Sensitivity to nEDMSensitivity to nEDM

Neutron size Rn ~ 10-13 cm,

dn/Rn ~ 3 10-13. Corresponding size from Corresponding size from

Earth is Earth is ~ 2~ 2 μμmm

Current accuracy to dCurrent accuracy to dnn

April 21, 2023 4

Page 5: Поиск ЭДМ нейтрона кристалл-дифракционным методом

Sensitivity to neutron EDMSensitivity to neutron EDM

E~ grad Ve ~(0.1-1)GV/cmUCNUCN methodmethod

Crystal-diffraction methodCrystal-diffraction method

E ~ 10 kV/cmτ ~ 1000s (time of life)ЕЕττ ~ ~ 101077(V·s)/cm (V·s)/cm Now ЕЕττ ≈ 106 (V·s)/cm

τa ~ 0.01 c (absorption)

10107 7 (V(V·s)·s)/cm/cm

ЕЕττ

1 ~ E N Electron bonding energy ~ a few eV

~ 1 ÅÅ

April 21, 2023 5

Page 6: Поиск ЭДМ нейтрона кристалл-дифракционным методом

+-

Neutron optic of NCS crystalNeutron optic of NCS crystal

( ( ))( ) 1 g i

K

i

K g

Ve

Ee

E

kr grr

•M. Forte, J. Phys. G: Nucl. Phys. (1983) 745-754.•V. G. Baryshevskii and S. V. Cherepitsa, Phys. Stat. Sol. B128 (1985) 379-387. • V. V. Fedorov, Proc. of XXVI Winter LNPI School, vol. 1, Leningrad (1991) 65.

2 | |( ) | ( ) | ( ) g

K Kg

VE

E E

gE r r r E

Wave functionWave function

g

d

L

V||

v

k

k+g

Electric fieldElectric fieldDeviation

from Bragg condition

Electric field depends Electric field depends onon a deviation from Bragg a deviation from Bragg conditioncondition EE(Neutron energy)

April 21, 2023 6

Page 7: Поиск ЭДМ нейтрона кристалл-дифракционным методом

/2

2d 0 sin ( θ B )= λ

Idea of the experimentIdea of the experiment

F or (1 1 0 ) p lane ofq uartz c rysta l

T = 1 0K

/ 1 0 -5 =B /For /2 reflection

E || vn and

Hs~[E x vn]≈0

+E+E -E-E

April 21, 2023 7

Page 8: Поиск ЭДМ нейтрона кристалл-дифракционным методом

Electric fieldElectric fieldquartz (110) plane Lc=14 cmBragg angle ≈ 860

-0.8·108 V/cm

Theory

+ 0.8·108 V/cm

Variation of the T on 1K

E E ≈≈ 10 108 8

V/cmV/cm

April 21, 2023 8

Page 9: Поиск ЭДМ нейтрона кристалл-дифракционным методом

Test experimentTest experimentPNPIPNPIV.V. Fedorov, E.G. Lapin, I.A. Kusnetsov, S.Yu. Semenikhin,

V.V. Voronin

ILLILLM. Jentschel, E. Lelievre-Berna, V. Nesvizhevsky, A. Petoukhov, T. Soldner, F.Tasset

April 21, 2023 9

Page 10: Поиск ЭДМ нейтрона кристалл-дифракционным методом

Layout of the Layout of the experimentexperiment

T = T 0T = T 0

(1 1 0 ) p la n e

P G (0 0 2 )(R ~ 5 0 % )

(1 1 0 ) p la n eM e is s n e r c a v ity

H L03He cell

n P S D

S p in flip p e r P F 1 b

Z

X

Y

B e a m s to p

B e a m s to p

S M p o la rize rD o u b le c rys ta lP G m o n o c h ro m a to r

in c o m in gn u ta to r

o u tg o in gn u ta to r

C asem at

+ E -Ev n

-P D

+ P D

E n> E 0

E n< E 0

M on itor

.

6 m

April 21, 2023 10

Page 11: Поиск ЭДМ нейтрона кристалл-дифракционным методом

nEDM measurementnEDM measurement

0 5 10 15 20 25

-0,002

0,000

0,002

0,004

0,006

Runs

PXY

PYX

ddnn=(2.4=(2.46.5)106.5)10-24-24 e cm e cm

-4(0.6 2.3)10XYP -4(1.9 2.2)10YXP

-4(0.6 1.6)10dP

P0=0.82KBG= 0.85

-4(0.9 2.3)10d

Kr=0.7

E=E= (0.7±0.1) 10(0.7±0.1) 1088 V/cm V/cm

April 21, 2023 11

Page 12: Поиск ЭДМ нейтрона кристалл-дифракционным методом

Improvement the sensitivity for Improvement the sensitivity for current geometry of current geometry of experimentexperimentTest

setupFull scale setup Kimp

Crystal size, cm 14x2x2 50x10x10 3.6

Beam size, cm 27S=5.7

6x12S=72

3.6

Beam collimation, sr

(4/700)2=3.2 ·10-5

(12/450)2

=7.1 ·10-44.7

Reducing the background

0.85 1 1.17

Absorption in quartz

0.84 0.54 0.8

KKss=57=57

1.6 101.6 10-23-23

ddnn,,e cm e cm

per dayper day

2.8 102.8 10-25-25

April 21, 2023 12

Page 13: Поиск ЭДМ нейтрона кристалл-дифракционным методом

-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

W, 1

0-5

Crystal number

Crystal quartz testCrystal quartz test

Now we have quartz crystal withsummary size

100x100x500 mm3 with d/d~ 4 10-6

April 21, 2023 13

Доклад Семенихина С.Ю.

Page 14: Поиск ЭДМ нейтрона кристалл-дифракционным методом

April 21, 2023

3-D analysis of neutron polarization

Magnetic field || surface of the superconductor.

HL≈0 HL≠0

P

Current accuracy of spin Current accuracy of spin orientation isorientation is

~10~10-2-2 rad rad for routine experiment

~10~10-3-3 rad rad can be reached for special casesF. Tasset, P.J. Brown, E. Lelie`vre-Berna, T. Roberts, S. Pujol, J. Allibon, E. Bourgeat-

Lami, Physica B, 267-268 (1999) 69-74

14

Page 15: Поиск ЭДМ нейтрона кристалл-дифракционным методом

April 21, 2023 15

CRYOPAD-D under constructionCRYOPAD-D under construction

Size - 60cm 60cm Beam aperture –10x10 cm10x10 cm2 2

Nutator fields homogeneity – 1010-3-3

Page 16: Поиск ЭДМ нейтрона кристалл-дифракционным методом

Crystal Symmetry group

hkl d, (Å) Eg,108V/cm

a,

ms

Eg a,(kVs/cm)

-quartz(SiO2)

32(D63) 111 2.236 2.3 1 230

110 2.457 2.0 200

Bi12SiO20 I23 433 1.75 4.3 4 1720

444 1.46 4.65 1860

Bi12GeO20I23 433 1.74 4.65 1 465

444 1.46 4.8 480

PbO P c a 21 002 2.94 10.4 1 1040

004 1.47 10 1000

BeO 6mm 011 2.06 5.4 7 3700

201 1.13 6.5 4500

Parameters of some NCS Parameters of some NCS crystalscrystals

!!! We should looking for new NCS crystal !!!!!! We should looking for new NCS crystal !!!April 21, 2023 16

Page 17: Поиск ЭДМ нейтрона кристалл-дифракционным методом

Storage variantStorage variantt=0

0<t<2ta

t=2ta3He cell Detector

Hf

Hi

Perfect crystal reflectionT=T0

T=T0T T=T0T

Up to 1000 reflections (s~1 s)M.R. Jaekel, C.J. Carlile, E.Jericha, D.E. Schwab and H. Rauch, SPIE Vol. 3767 EUV, X-Ray, and Neutron Opticas and Sources, 353 (2000)

April 21, 2023 17

Page 18: Поиск ЭДМ нейтрона кристалл-дифракционным методом

Some numerical estimationSome numerical estimation

Bragg width –

Responsible time –

Crystal acceleration –

(fast piezoelectric element?)

(444)40.6 /g BSO

Bc

F dv cm s

mV

15~ 2 / ~ 0.2L cmr nL v ms

/ ~ 30 / 3c B ra v m s g

April 21, 2023 18

Page 19: Поиск ЭДМ нейтрона кристалл-дифракционным методом

Sensitivity estimation Sensitivity estimation

Eg,108V/cm

,ms

Count rate Kg d, ecm

per day

-quartz

(110) in-flight

2.0 0.6(L=50cm)

104 n/s(ILL PF1)

(2-3)10-25

Bi12SiO20 (444)storage

4.65 8(L=15 cm)

103 n/s(ESS - SP)

10 (2-3)10-26

April 21, 2023 19

Page 20: Поиск ЭДМ нейтрона кристалл-дифракционным методом

ConclusionConclusion Full-scale setup with quartz crystal could

have a sensitivity dd~(2-3)~(2-3)··1010-26-26 e e··cm cm per per

100 day of measurement100 day of measurement

Storage modification of crystal-diffraction

nEDM experiment could reach a sensitivity

dd~(2-3)~(2-3)··1010-27-27 e e··cm cm for the short pulse ESS

and BSO crystal

April 21, 2023 20

Page 21: Поиск ЭДМ нейтрона кристалл-дифракционным методом

April 21, 2023 21

Summary of the systematic

5~ 10 /r Gs hourH

4~ 10r GsHResidual magnetic field

Value

Time stability

3D analysis of polarization3~ 10y rad

d n < 1 0 -2 6e c m

The crystals alignment

The ΔT0 control ~0.010K

~0.01 arc degree~0.01 arc degree

Flat windows of CRYOPAD4~ 10f rad

P odd rotation is4 3 7

0

10 10 10P P

dn~10-27 e cm