ce w oddziaływaniu - users.uj.edu.plusers.uj.edu.pl/~magiera/prezentacje/magiera-nkf-2015.pdf ·...

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


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)


HISTORIA WSZECH ŚWIATA

powstanie asymetrii materia/antymateria


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


PO CO MIERZY SIĘ EDM?

d(electron) < � � ��

neutronproton

deuteronneutron

z deuteronu

ocze

kiw

ana

prec

yzja

obecna precyzja


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


ENERGIA – CZĄSTKI SUSY W LHC

ANTYMATERIA WE WSZECH ŚWIECIE


produkcja w zderzeniachpromieniowania kosmicznego

pomiar AMSzderzenia cząstekciemnej materii?

neutralino o masie 1 TeV?

��

��

��

�� zgodne z modelami produkcji

antyprotonów w zderzeniach promieniowania kosmicznego


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� = −� ∙ �− � ∙ �

� = −� ∙ �+ � ∙ �

� = −� ∙ �+ � ∙ �


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


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 �

��


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


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 ��

� ∙ ��/��


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


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


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) ∙ ��


NOWY PIERŚCIEŃ AKUMULACYJNY JEDI


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

ce w oddziaływaniu - users.uj.edu.plusers.uj.edu.pl/~magiera/prezentacje/magiera-nkf-2015.pdf ·...

Documents

Transcript of ce w oddziaływaniu - users.uj.edu.plusers.uj.edu.pl/~magiera/prezentacje/magiera-nkf-2015.pdf ·...