Upload
vuonglien
View
220
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
8 kwietnia 2015 2JEDI w Drużynie Pierścienia – A. Magiera
JÜLICH ELECTRIC DIPOLE INVESTIGATIONSMEASUREMENT WITH STORAGE RING
DOCELOWY EKSPERYMENT
badanie elektrycznego momentu dipolowego protonu i deuteronu z precyzją ������ ∙ ��
spolaryzowane wzdłuż kierunku pędu protony/deuterony krążą w pierścieniu akumulacyjnym w polu magnetycznym i elektrycznym
oddziaływanie elektrycznego momentu dipolowego i magnetycznego momentu dipolowego z polami elektromagnetycznymi powoduje precesję spinu
pomiar wywoływanej przez elektryczny moment dipolowy prostopadłej polaryzacji wiązki
testowe pomiary i demonstracja iż proponowana metoda pracuje są
wykonywane na działającym akceleratorze COSY
pierwszy pomiar z precyzją ������ ������ ∙ ��
w przyszłości budowa dedykowanego pierścienia
akumulacyjnego i długie pomiaryPRECYZJA DOCELOWEGO POMIARU������ ∙ �� ∝ ������ ∙ �
ciemnaenergia
75%
ciemna materia
21%
mat
eria
4%
CZĄ
ST
KA
HIG
GS
A8 kwietnia 2015 3JEDI w Drużynie Pierścienia – A. Magiera
MODEL STANDARDOWYcząstki pośredniczące w oddziaływaniu• grawitacja – grawiton• słabe – bozony W+, W-, Z0
• elektromagnetyczne – foton• kolorowe – 8 gluonów
8 kwietnia 2015 4JEDI w Drużynie Pierścienia – A. Magiera
POZA GRANICE OBECNEJ FIZYKIPOCHODZENIE WSZECH ŚWIATA
UNIFIKACJA ODDZIAŁYWA Ń ELEMENTARNYCH
NOWA FIZYKA POZA MODELEM STANDARDOWYM
ASYMETRIA MATERIA/ANTYMATERIA
KOSMOS NATĘŻENIE PRECYZJAENERGIA
STABILNO ŚĆ PROTONU
CIEMNA MATERIA
POCHODZENIE MASY
CIEMNA ENERGIA
FIZYKA NEUTRIN
atom
wod
oru,
prz
esun
ięcie
Lam
ba –
QE
D
anom
alny
mom
ent m
agne
tycz
ny e
lekt
ronu
–SM
g/2
= 1
.001
159
652
180
73 (2
8)
8 kwietnia 2015 5JEDI w Drużynie Pierścienia – A. Magiera
HISTORIA WSZECH ŚWIATA
powstanie asymetrii materia/antymateria
8 kwietnia 2015 6JEDI w Drużynie Pierścienia – A. Magiera
BARIOGENEZAA. SACHAROW – WARUNKI BARIOGENEZY
1. łamanie prawa zachowania liczby barionowejGUT, anomalia aksjalna w SM, masa Majorany
2. łamanie symetrii C i CPłamanie CP w oddziaływaniach silnych i elektrosłabych w SM, masa Majorany, GUT, spontaniczne łamanie
3. brak równowagi termodynamicznej
obserwowana różnica liczby barionów � i antybarionów ��
� = � − ��
≈ ����
– liczba fotonów promieniowania mikrofalowego
dla dużej temperatury ~GeV Wszechświat był symetryczny � − ��
� + ��≈ ����
jaki ś proces doprowadził do całkowitej asymetrii, gdyby tak nie było to obecnie mielibyśmy
� = �� ≈ �����
Wszechświat byłby symetryczny ale byłoby za mało materii aby powstały gwiazdy
GUT – Grand Unified Theoriesrozszerzenia Modelu Standardowego
• SUSY – supersymmetydużo nowych cząstek o dużej masie
• Multi-Higgsnowe bozony Higgsa�� i ��
• Left-Right symmetrynowe bozony �′ i �′
POSZUKIWANIE SYGNAŁU GUT
• ENERGIA – LHCobecnie maksymalna dostępnaenergia 13 TeVnowe cząstki masa ~ 3 TeV
• PRECYZJA – EDMpróbkowana skala energii przyoczekiwanej precyzji 300-3000 TeVw zależności od rozszerzenia Modelu Standardowego
8 kwietnia 2015 7JEDI w Drużynie Pierścienia – A. Magiera
PO CO MIERZY SIĘ EDM?
d(electron) < � � �����
neutronproton
deuteronneutron
z deuteronu
ocze
kiw
ana
prec
yzja
obecna precyzja
8 kwietnia 2015 8JEDI w Drużynie Pierścienia – A. Magiera
JAK OBLICZY Ć EDM?
EDM w SUSY
pochodzi od nowych cząstek
strong CP problemnietrywialna topologiczna struktura próżni QCD
����
���������������
��~� ∙ ���� ∙ �� → �~����
EDM – faza CKM z Modelu Standardowego
różne EDMneutronu i protonu
ANTYMATERIA WE WSZECH ŚWIECIE
8 kwietnia 2015 10JEDI w Drużynie Pierścienia – A. Magiera
produkcja w zderzeniachpromieniowania kosmicznego
pomiar AMSzderzenia cząstekciemnej materii?
neutralino o masie 1 TeV?
��
�����
���������
����� zgodne z modelami produkcji
antyprotonów w zderzeniach promieniowania kosmicznego
8 kwietnia 2015 11JEDI w Drużynie Pierścienia – A. Magiera
EDM – ŁAMANIE SYMETRII P, T I CPµµµµ – magnetyczny moment dipolowyd – elektryczny moment dipolowy
są równoległe do spinu
operacja zmiany kierunku czasu Totrzymujemy inną cząstkęzmienia się kierunek spinu
zmienia się kierunek µµµµnie zmienia się kierunek d
łamana symetria odbicia czasu T
operacja odbicia przestrzennego Potrzymujemy inną cząstkę
nie zmienia się kierunek spinunie zmienia się kierunek µµµµ
zmienia się kierunek dłamana symetria parzystości P
jeże
li sy
met
ria C
PT
nie
jest
łam
ana
tois
tnie
nie
niez
erow
ego
ED
M ⇒
łam
ana
sym
etria
CP� = −� ∙ �− � ∙ �
� = −� ∙ �+ � ∙ �
� = −� ∙ �+ � ∙ �
8 kwietnia 2015 12JEDI w Drużynie Pierścienia – A. Magiera
EDM W RÓŻNYCH OBIEKTACH
diamagnetyczne atomyHg, Xe, Ra, Rn
leptony
nukleonyneutron, proton
jądradeuteron, 3He
paramagnetyczne molekułyYbF, PbO, HfF+ te
oria
ato
mu
oddz
iały
wan
iają
drow
e QC
D+
EF
T
źród
ła ła
man
ia s
ymet
rii C
P(C
KM
, θθ θθ, p
oza
SM
)
QCDθθθθ - term
operatory4-kwarkowe��~� � ��
strong CPproblem
chromo-EDMkwarku
�� � � � ��
chromo-EDMgluonu
�� � � � ��
EDMkwarku
�� � � � ��
MODELSTANDARDOWY
8 kwietnia 2015 13JEDI w Drużynie Pierścienia – A. Magiera
PRECESJA WYMUSZONA
CM
��
� �
� �
��
�
� ����
�
��
� � � � → � ������
moment siły jest prostopadły do momentu pędunie zmienia się wartość momentu pęduzmienia się kierunek momentu pędu
⇓
moment pędu i jednocześnie oś obrotuzataczają stożek o kącie ���� � ��� � � ���� ∙ ��
� ���
���
�
� ������ !����
� ������ !
�
częstość precesji nie zależy od kąta �
�� �
8 kwietnia 2015 14JEDI w Drużynie Pierścienia – A. Magiera
PRECESJA SPINU – RÓWNANIE T-BMTmagnetyczny moment dipolowy " �
��
��#,
elektryczny moment dipolowy � ��
�#
we własnym układzie spoczynkowym cząstkajest w polu elektrycznym $∗ i magnetycznym %∗
działają na nią momenty siły
��∗ � " & %∗��∗ � � & $∗
powodujące precesję spinu
�#
��∗� " & %∗ ' � & $∗ �
�
��# & %∗ '
(
)# & $∗
w układzie laboratoryjnym mamy zewnętrzne pola elektryczne $ i magnetyczne %dla uproszczenia są one prostopadłe do prędkości cząstki �
transformujemy pola do układu spoczynkowego cząstki i otrzymujemy równanie T-BMT
��
���
�
��� �
� �
�
��� �
�
�
� �� � �
�
�� � � �� � �
cząstka o masie �, spinie #,współczynniku giromagnetycznym
8 kwietnia 2015 15JEDI w Drużynie Pierścienia – A. Magiera
NOWA TECHNIKA POMIARU EDMCZĄSTEK NAŁADOWANYCH
wstrzeliwujemywiązkę spolaryzowaną
# ∥ �
# ∥ � ∥ *+� ⊥ $ ∥ ,-� ⊥ % ∥ .-
�#���
= −�
��#�
�− �+
�
/�% +
�−
/
/ + ��$
�#�
��=(
ℏ#� $− �%
�#���
= �
�
�wiązka krążyw pierścieniu akumulacyjnym
powstaje składowa polaryzacjiprostopadła do płaszczyznypierścienia akumulacyjnego
#�~( kąt skręcenia wiązki przy jednym obiegu
dla � = ������ ∙ ��
wynosi �������
� ∙ �����������/���
8 kwietnia 2015 16JEDI w Drużynie Pierścienia – A. Magiera
JAK ZMIERZY Ć POLARYZACJ Ę?spiny cząstek 1 i 2 są do góry1: �� ∙ � � ⇒ odpychanie, rozproszenie w lewo2: �� ∙ � � ⇒ przyciąganie, rozproszenie w lewo
jeżeli spiny cząstek są na dół to rozproszenie jest w prawo
pojawia się asymetria lewo-prawo zależna do polaryzacji wiązki (czyli od tego ile spinów jest do góry a ile na dół)
� �,� � � � � � ���� � ���� → �� ��
��
�� ���
�� ���
0
0
1
1
tarcza23 � 0 & 1w górę
23 � 0 & 1w dół
cząstka 2
cząstka 1
obecny polarymetr EDDA planowany polarymetr z diamentową tarczą balistyczną
8 kwietnia 2015 17JEDI w Drużynie Pierścienia – A. Magiera
PREKURSOR EKSPERYMENTU
synchrotron COSYForschungszentrumJülich
• źródło spolaryzowanych protonów H–
oraz deuteronów D–
• cyklotron przyspiesza:� protony – 40 MeV� deuterony – 75 MeV
• cząstki są akumulowane w COSY
• cząstki są przyspieszanew COSY do pędu 600 – 3700 MeV/c
• można chłodzić wiązkę:� elektronowo� stochastycznie
• detektor EDDA – pomiar polaryzacji wiązki kr ążącej w COSY
synchrotronCOSY
8 kwietnia 2015 18JEDI w Drużynie Pierścienia – A. Magiera
PREKURSOR EKSPERYMENTU
DUŻE NATĘŻENIE WI ĄZKI – obecnie w COSY gromadzone jest 4 ∙ ��� cząstek
DUŻA POLARYZACJA WI ĄZKI – obecnie w COSY polaryzacja wynosi 5 � �. 7
POLARYMETRIA – obecnie używany detektor EDDA, budowa nowego polarymetru,poszukiwanie reakcji o dużej zdolności analizującej 8~�. :
BEAM POSITION MONITORING – konstrukcja nowych detektorów pozycji wiązkimierzących z precyzją ����� (SQUID ~10-18 T)
IDENTYFIKACJA ŹRÓDEŁ NIEPEWNO ŚCI SYSTEMATYCZNYCH – pomiar?(faza geometryczna – Berry phase, gradienty pól elektromagnetycznych)
SPIN TRACKING (SIMULATIONS) – obecnie prowadzone na superkomputerze JUQUEEN (5.9 petaflops = 1015 operacji/s), modyfikacja kodów z uwzględnieniem gradientów pól elektromagnetycznych
RF WIEN FILTER – zmienne w czasie skrzyżowane pola elektryczne i magnetyczneumożliwiają obecnie pomiar EDM deuteronu z precyzją ������ ∙ ��
SPIN COHERENCE TIMEostatnio osiągnięty 1000 s
SPIN TUNE ;� ������� �! "ó$%&�'(
������ ��)*ó$��ą%",�& !����)
ostatnio zmierzone <% � �−16 097 540 771.7= 9.7) ∙ �����
8 kwietnia 2015 20JEDI w Drużynie Pierścienia – A. Magiera
PODSUMOWANIEpomiar Elektrycznego Momentu Dipolowego naładowanych cząstek
(protonu, deuteronu, 3He) jest eksperymentem który MUSI być wykonany
• silna motywacja fizyczna
o poszukiwanie nowej fizyki poza Modelem Standardowym
o wyjaśnienie asymetrii materia-antymateria we Wszechświecie
• wyniki konkurencyjne i komplementarne do:
o pomiar EDM elektronu i neutronu
o badanie zderzeń przy wysokich energiach – LHC
o poszukiwanie antymaterii w Kosmosie – AMS
o poszukiwanie kandydatów na ciemną materię
• pomiar jest możliwy z precyzją 10-29 e·cm, która pozwala na osiągnięcie granicy przewidywań Modelu Standardowego
• skala czasowa planowanego eksperymentu:
o prekursor eksperymentu na COSY do 2019 roku
o projekt nowego akceleratora do 2020 roku
o początek docelowego eksperymentu w 2023 roku