Le moment électrique dipolaire du neutron

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1 nEDM@PSI Le moment électrique dipolaire du neutron
Dominique Rebreyend (LPSC Grenoble) Prospectives IN2P3-IRFU 2012 Autre approche experimentale pour rechercher nouvelles sources de violation CP= mesure EDM particules, en particuler n. Frontiere energie  frontiere precision 20 ordres de grandeur entre energie p LHC et energie UCN Sensibilite instrument a construire= eV G1 G2 G3 G4

2 nEDM et symétries P, T _ +_ + m d m d
nEDM non nul implique brisure P et T + Théorème CPT  brisure CP Violation T violation CP avec theoreme CPT Premiere experience proposee en 1950 par Purcell et Ramsey en 1950 pour tester P (avant decouverte violation P dans interaction faible). P et T changent directions relatives mu et d  nouvel etat du neutron Existence of this “ghost” neutron would have visible consequences in nuclear physics (Pauli principle). Purcell and Ramsey, PR78(1950)807

3 dn < 2.9 x 10-26 e.cm (90% CL) (RAL-Sussex-ILL collaboration, 2006)
Limite expérimentale dn < 2.9 x e.cm (90% CL) (RAL-Sussex-ILL collaboration, 2006) 10  -e +e Depuis 60 ans, limite baissée de 6 ordres de grandeur (facteur 10 par décade). nEDM toujours compatible avec 0. Meilleure limite a ILL par collaboration RAL-Sussex-ILL. Expliquer image. Objectif prochaine generation experience est de descendre cette limite de 2 ordres de grandeur pour atteindre la gamme e.cm.

4 nEDM et le Modèle Standard
Secteur électro-faible: la phase CKM Phase unique: dn nul aux 2 premiers ordre pert. Hors d’atteinte pour la prochaine génération d’expériences Signal non nul = nouvelle physique QCD: la phase q dn ~ e.cm Transition: Que nous dit le MS ? nEDM du MS est nul au premier et deuxieme ordre du a la structure particuliere de la brisure de CP du MS avec une seule phase dans CKM dn(MS)=1e-30 1e-32 Deux consequences importantes: La prediction du MS ne pourra etre verifiee par la prochaine generation d’experiences. Tout signal sera le signe d’une « nouvelle » physique: difference majeure/decroissance K ou B ou mesure petit signal sur fond=avantage Modulo existence deuxieme source potentielle violation CP: phase theta QCD Mais pas de solution satisfaisante a l’heure actuelle. dn ≈ q x e.cm  q < (strong CP problem)

5 nEDM et les extensions du MS
Nouvelles phases existent de façon générique  dn naturellement « grand » Échelle de masse accessible: En se basant sur des arguments d’analyse dimensionnelle: M = échelle de masse nouvelle physique, fCP = phase CPV Pour dn < e.cm: sin(φCP) ~ 1  MNP > 3000 GeV MNP ~ 300 GeV  sin(φCP) < 10-2 dn ~ e.cm Situation radicalement differente dans extensions MS et en particulier SUSY: nouvelles phases valeur « elevees » nEDM BSM modeles déjà fortement contraints par limite actuelle/ prochaine generation experiences permettra de tester les predictions de ces modeles. Question: a quelle echelle de masse est-on sensible  utilisation formule qui montre que l’on est sensible a une combinaison de la masse et de la phase. Hypothese phase “naturelle”  test la physique multiTeV Hypothese nouvelle physique autour de 300 GeV  forte contrainte sur phase (idem strong CP problem) nEDM ne “tuera” pas SUSY mais apportera fortes contraintes. Bien sur rien n’exclut d’observer un signal non nul.

6 Baryogénèse MSSM : EDM/LHC
Calcul à 2 boucles prenant en compte la densité relique de neutralinos M1= masse bino, m = parametre de masse Higgsino-Higgs Cirigliano, Li, Profumo, Ramsey-Musolf Situation particulierement interessante pour baryogenese EW. Modeles tres complexes car doivent prendre en compte en plus CPV les 2 autres conditions de Sakharov: non conservation B + situation hors equilibre. Exple pris expose “Intensity frontier workshop” qui s’est tenu automne 2011 aux USA, groupe tres actif dans ce domaine. Zone achuree represente la zone de l’espace des parametres qui permet d’aboutir a la bonne asymetrie baryonique. Baryogenese depend aussi fortement du secteur de Higgs. Suivant ce que le LHC decouvre, la baryogenese EW pourrait etre exclue. Baryogénèse MSSM fortement contrainte… voire «exclue» suivant secteur Higgs ( LHC)

7 La technique expérimentale
UCN (Ultra Cold Neutron) stockés dans un volume avec champs magnétique et électrique parallèles ou anti-paral. B B E B E fL( ) = 2 ( mn B + dn E)/h fL( ) = 2 ( mn B - dn E)/h fL = 2 mn B/h Technique experimentale tres particuliere, totalement differente des techniques en physique nucleaire et des particules. explications. H = -2 (mn.B + dn.E) DfL ( ) = 4 dn E / h

8 The Ramsey method of separated oscillatory fields
Ramsey cycle t ~ 2s 4. 3. 2. 1. Free precession... Apply /2 spin flip pulse... “Spin up” neutron... Second /2 spin flip pulse. T ~ 100s Measurement based on NMR techniques first developed by Raby and then improved by Ramsey. Method similar to interference with Young slits. Second pulse coherent with the first one. The measurement is performed half-way up the central fringe where the slope is steepest and the sensitivity to a frequency shift maximal. Precision still not sufficient. Needs to repeat same measurement for about cycles to reach requested sensitivity for

9 Le projet nEDM à PSI Source UCN (50 UCN.cm-3)
Presentation rapide du PSI. 2 projets phares: nEDM et mue g Nouvelle source UCN a demarre en Densite attendue 50 superieure a ILL. Pour l’instant pareil ILL.

10 Le projet nEDM à PSI Collaboration européenne ~50 personnes (25 permanents)/ 13 instituts Programme en 3 phases: : R&D spectro RAL-Sussex-ILL : Prise de données à PSI (2012) avec spectro RAL-Sussex amélioré Objectif: 5x10-27 e.cm Développement nouveau spectromètre n2EDM : prise de données avec n2EDM Objectif: 5x10-28 e.cm Demande correspond aux 2 derniers items: participer a la conception/construction n2EDM + prise de donnees.

11 Le contexte international (nEDMs)
Projet Objectif (en e.cm ) Résultat en… ~ 5 x 10-27 ~ 5 x 10-28 2014 2020 ~ 1 x 10-26 ~ 3 x 10-27 2016 ~ 3 x 10-28 ~ 1 x 10-28 2017 2018 Tableau presentant les differentes experiences/projets pour la mesure de nEDM Il existe aussi des projets pour mesurer EDM p, d, atomes, molecules, muons + projets d (BNL), muon (JPARC), atomes, molecules

12 Demandes nEDM (phase 3) Équipe (≈3 ETP + 1 thésard*, ~ 20 % de la collaboration) : LPC Caen: Gilles Ban, Thomas Lefort, Yves Lemière, Oscar Naviliat-Cuncic, Gilles Quéméner LPSC Grenoble : Guillaume Pignol, Dominique Rebreyend Budget (période ) Demande IN2P3: 300 k€ (fonctionnement+séjour) Demande ANR: 700 k€ (équipement)  Contribution ~ 20 % du budget global Personnels: 2 postes CR2 * Depuis le début du projet, 3 thèses ont été soutenues. Besoin signal clair de la part de l’IN2P3.

13 Back-up slides

14 Contributions IN2P3 Physique: Technique
Calculs champ magnétique (bobines/blindage) Magnétométrie Hg Groupe analyse France Technique Détecteur UCN Nanosc Module DAQ Source courant stable (10-6)

15 The Neutron EDM Collaboration
Physikalisch Technische Bundesanstalt, Berlin Laboratoire de Physique Corpusculaire, Caen Institute of Physics, Jagiellonian University, Cracow Henryk Niedwodniczanski Inst. Of Nucl. Physics, Cracow Joint Institute of Nuclear Reasearch, Dubna Département de physique, Université de Fribourg, Fribourg Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie, Grenoble Biomagnetisches Zentrum, Jena Katholieke Universiteit, Leuven Centre de Spectrométrie Nucléaire et de Spectrométrie de Masse, Orsay Inst. für Kernchemie, Johannes-Gutenberg-Universität, Mainz Inst. für Physik, Johannes-Gutenberg-Universität, Mainz Paul Scherrer Institut, Villigen Eidgenössische Technische Hochschule, Zürich M. Burghoff, A. Schnabel, J. Vogt G. Ban, V. Helaine1, Th. Lefort, Y. Lemiere, O. Naviliat-Cuncic, E. Pierre1, G. Quéméner K. Bodek, St. Kistryn, G. Wyszynski3, J. Zejma A. Kozela N. Khomutov Z. Grujic, M. Kasprzak, P. Knowles, H.C. Koch, A. Weis G. Pignol, D. Rebreyend S. Afach, G. Bison J. Becker, N. Severijns, R. Chankova S. Roccia C. Plonka-Spehr, J. Zenner1 W. Heil, A. Kraft, T. Lauer , D. Neumann, Yu. Sobolev2 Z. Chowdhuri, M. Daum, M. Fertl3 , B. Franke3, M. Horras3, B. Lauss, J. Krempel , K. Mishima4, A. Mtchedlishvili, PSW, G. Zsigmond K. Kirch1, F. Piegsa, D. Ries I would like to thank you all for your interest and all these colleagues for their excellent work! Thank you very much. also at: 1Paul Scherrer Institut, 2PNPI Gatchina, 3Eidgenössische Technische Hochschule, 4KEK

16 Sketch of the PSI UCN source
tank cryo-pump DLC coated UCN storage vessel height 2.5 m, ~ 2 m3 UCN guides towards experimental areas 8.6m(S) / 6.9m(W) 7 m heavy water moderator → thermal neutrons 3.6m3 D2O cold UCN-converter ~30 dm3 solid D2 at 5 K SV-shutter pulsed 1.3 MW p-beam 600 MeV, 2.4 mA, 1% duty cycle spallation target (Pb/Zr) (~ 8 neutrons/proton)

17 n2EDM General concept - simultaneous measurement in 2 precession chambers - laser based Hg co-magnetometer - 3He magnetometers - multiple Cs magnetometers for He readout and gradients - UCN chamber position at PSI UCN beam height E

18 n2EDM General concept - movable 5 layer cubic shielding
(started design discussion with companies) - active vibration compensation

19 n2EDM staging area with new thermohouse

20 EDM projects (non exhaustive list)
Various EDM limits 1.05 x 10-27 YbF molecule 3.1 x 10-29 EDM projects (non exhaustive list)