Crioelectroerosión

CryoEDM es un experimento de física de partículas que tiene como objetivo medir el momento dipolar eléctrico (EDM) del neutrón con una precisión de ~10 ⁻²⁸ ecm. ^{[ 1 ]} El nombre es una abreviatura de experimento criogénico de EDM de neutrones . El nombre anterior nEDM también se usa a veces, pero debe evitarse donde pueda haber ambigüedad. El proyecto sigue al experimento Sussex/RAL/ILL nEDM, que estableció el mejor límite superior actual de 2,9×10 ⁻²⁶ ecm. ^{[ 2 ]} Para lograr la sensibilidad mejorada, cryoEDM utiliza una nueva fuente de neutrones ultrafríos (UCN), que funciona dispersando neutrones fríos en helio superfluido .

El experimento se lleva a cabo en el Instituto Laue-Langevin de Grenoble . La colaboración incluye al equipo nEDM de la Universidad de Sussex y RAL , así como a nuevos colaboradores de Oxford y Kure (Japón). Cabe destacar que la colaboración es sorprendentemente pequeña para un experimento moderno de física de partículas (alrededor de 30 personas).

En 2008, el experimento fue clasificado como un proyecto alfa 5 (máxima prioridad) por el STFC , junto con los experimentos mucho más grandes del CERN : ATLAS y CMS . ^{[ 3 ]}

Para obtener más información, consulte el momento dipolar eléctrico del neutrón.

Aunque en general es eléctricamente neutro, el neutrón está compuesto por quarks cargados . Un desequilibrio de carga en un lado produciría un momento dipolar eléctrico (MDE) distinto de cero. Esto constituiría una violación de las simetrías de paridad (P) e inversión temporal (T). Se cree que existe un MDE del neutrón, en cierto nivel, para explicar la asimetría materia-antimateria del Universo , aunque hasta la fecha todas las mediciones han arrojado un valor consistente con cero.

Los límites del momento dipolar eléctrico del neutrón constituyen una restricción significativa para muchas teorías de la física de partículas. El Modelo Estándar de la Física de Partículas predice un valor de ^10⁻³¹ a 10⁻³² ^ecm , mientras que las teorías supersimétricas predicen valores en el rango de ^10⁻²⁵ a 10⁻²⁸ ^ecm .

Los experimentos modernos de EDM funcionan midiendo un cambio en la frecuencia de precesión de espín de Larmor del neutrón.${\displaystyle \nu }$, cuando se invierte el campo eléctrico aplicado E. Esto viene dado por

${\displaystyle h\nu =2dE\pm 2\mu B}$

donde d es el EDM,${\displaystyle \mu }$es el momento dipolar magnético , B es el campo magnético y h es la constante de Planck , (el${\displaystyle \pm }$(Depende de si los campos son paralelos o antiparalelos). Claramente, cuando se invierte el campo eléctrico, se produce un cambio en la frecuencia de precesión proporcional al momento dipolar eléctrico (EDM). Dado que el momento dipolar magnético del neutrón es distinto de cero, es necesario blindar o corregir las fluctuaciones del campo magnético para evitar una señal falsamente positiva.

La frecuencia de precesión se mide utilizando el método de resonancia magnética de campo oscilatorio separado de Ramsey , en el que un gran número de neutrones ultrafríos polarizados en espín se almacenan en un campo eléctrico y magnético. Luego se aplica un pulso de campo magnético alterno para rotar los espines mediante${\displaystyle \pi /2}$El generador de señales utilizado para aplicar el pulso se desactiva mientras los espines de neutrones precesan alrededor del eje del campo magnético a la frecuencia de precesión; después de un período de ~100 s, se aplica otro pulso de campo para rotar los espines en${\displaystyle \pi /2}$Si la frecuencia de la señal aplicada coincide exactamente con la frecuencia de precesión, todos los neutrones se sincronizarán con el generador de señal y terminarán polarizados en la dirección opuesta a la inicial. Si existe una diferencia entre estas dos frecuencias, algunos neutrones volverán a su estado original. Se cuenta el número de neutrones en cada estado de polarización y, al representar gráficamente este número en función de la frecuencia aplicada, se puede determinar la frecuencia de precesión.

El experimento nEDM fue un experimento de EDM de neutrones a temperatura ambiente que se llevó a cabo en el ILL, utilizando neutrones ultrafríos del reactor ILL. Las fluctuaciones del campo magnético (una fuente significativa de error sistemático) se monitorizaron mediante un magnetómetro de mercurio atómico . Los resultados de la medición se publicaron en 1999, dando un límite superior para el EDM de neutrones de 6,3 × 10⁻²⁶ ^ecm . ^{[ 4 ]} Un análisis posterior publicado en 2006 mejoró este valor a 2,9 × 10⁻²⁶ ^ecm . ^{[ 2 ]}

El experimento cryoEDM está diseñado para mejorar la sensibilidad del experimento nEDM en dos órdenes de magnitud, hasta aproximadamente 10⁻²⁸ ^ecm . Esto se logrará mediante varios factores: se aumentará el número de UCN utilizando una nueva fuente, en la que un haz de neutrones fríos se dispersa dentro de helio superfluido; el uso de helio líquido en lugar de vacío permitirá aumentar el campo eléctrico aplicado; las mejoras en el aparato aumentarán el tiempo de almacenamiento posible y el producto de polarización. Pasar de una medición a temperatura ambiente a una criogénica ha implicado la necesidad de reconstruir todo el aparato. El nuevo experimento utiliza blindajes magnéticos de plomo superconductores y un sistema magnetómetro SQUID .

El experimento finalizó su construcción y pudo operar durante algunos años en el ILL. El experimento logró varios avances: múltiples operaciones del criostato a 0,6 K (volumen de 300 L de helio superfluido), producción supertérmica de UCN a la tasa esperada, transporte demostrado a la cámara Ramsey y a los detectores, desarrollo y operación de detectores de UCN de estado sólido en helio líquido, así como la instalación y operación del sistema de magnetometría SQUID.

Sin embargo, en diciembre de 2013, el Comité Científico del STFC decidió llevar a cabo una “retirada controlada” del experimento CryoEDM, debido a la magnitud del programa necesario para alcanzar un nuevo resultado físico en un plazo competitivo que excedía los niveles de recursos disponibles previstos. ^{[ 5 ]} El experimento finalizó en 2014.

• momento dipolar eléctrico del neutrón

• Experimento de crio-EDM
• Registro del experimento CryoEDM en INSPIRE-HEP