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 ~ 104 Гс Время стабилизации 105 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, (kVs/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=T0DT T=T0 T=T0DT 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=2a 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