Momento de dipolo elétrico de nêutrons - Neutron electric dipole moment

O momento de dipolo elétrico de nêutrons (nEDM) é uma medida para a distribuição de carga positiva e negativa dentro do nêutron . Um momento de dipolo elétrico finito só pode existir se os centros da distribuição de carga negativa e positiva dentro da partícula não coincidirem. Até agora, nenhum EDM de nêutrons foi encontrado. O melhor limite atual medido para d _n é(0,0 ± 1,1) × 10 ⁻²⁶  e ⋅cm .

Teoria

Violação de paridade (P) e reversão de tempo (T) devido a um momento de dipolo elétrico

Um momento de dipolo elétrico permanente de uma partícula fundamental viola a paridade (P) e a simetria de reversão de tempo (T). Essas violações podem ser entendidas examinando o momento de dipolo magnético do nêutron e o hipotético momento de dipolo elétrico. Sob reversão de tempo, o momento de dipolo magnético muda sua direção, enquanto o momento de dipolo elétrico permanece inalterado. Sob paridade, o momento de dipolo elétrico muda sua direção, mas não o momento de dipolo magnético. Como o sistema resultante em P e T não é simétrico em relação ao sistema inicial, essas simetrias são violadas no caso da existência de um EDM. Tendo também simetria CPT , a simetria combinada CP também é violada.

Predição do modelo padrão

Conforme descrito acima, para gerar um nEDM finito, são necessários processos que violam a simetria do CP . A violação de CP foi observada em interações fracas e está incluída no modelo padrão da física de partículas por meio da fase de violação de CP na matriz CKM . No entanto, o valor da violação do CP é muito pequeno e, portanto, também a contribuição para o nEDM: | d _n | ~10 ⁻³¹  e ⋅cm .

Assimetria matéria-antimatéria

Pela assimetria entre matéria e antimatéria no universo, suspeita-se que deve haver uma quantidade considerável de violação de CP . Medir um momento de dipolo elétrico de nêutrons em um nível muito mais alto do que o previsto pelo Modelo Padrão iria, portanto, confirmar diretamente essa suspeita e melhorar nossa compreensão dos processos de violação de CP.

Forte problema de CP

Como o nêutron é formado por quarks , ele também é suscetível à violação de CP decorrente de fortes interações . Cromodinâmica quântica - a descrição teórica da força forte - naturalmente inclui um termo que quebra a simetria CP. A força deste termo é caracterizada pelo ângulo θ . O limite de corrente no nEDM restringe este ângulo a ser menor que ^10-10  radianos . Este ajuste fino do ângulo  θ , que naturalmente se espera que seja da ordem 1, é o forte problema do CP .

Problema SUSY CP

Extensões supersimétricas para o modelo padrão, como o modelo supersimétrico mínimo padrão , geralmente levam a uma grande violação de CP . As previsões típicas para o EDM de nêutrons surgindo da teoria variam entre 10 ⁻²⁵ e ⋅cm e 10 ⁻²⁸ e ⋅cm . Como no caso da interação forte , o limite no EDM de nêutrons já está restringindo as fases de violação de CP. O ajuste fino , entretanto, não é tão severo ainda.

Técnica experimental

Para extrair o EDM de nêutrons, mede-se a precessão de Larmor do spin do nêutron na presença de campos elétricos e magnéticos paralelos e antiparalelos. A frequência de precessão para cada um dos dois casos é dada por

${\ displaystyle h \ nu = 2 \ mu _ {\ text {n}} B \ pm 2d _ {\ text {n}} E}$,

a adição ou subtração das frequências decorrentes da precessão do momento magnético em torno do campo magnético e da precessão do momento dipolo elétrico em torno do campo elétrico . A partir da diferença dessas duas frequências, obtém-se prontamente uma medida do EDM de nêutrons:

${\ displaystyle d _ {\ text {n}} = {\ frac {h \, \ Delta \ nu} {4E}}}$

O maior desafio do experimento (e ao mesmo tempo a fonte dos maiores efeitos falsos sistemáticos) é garantir que o campo magnético não mude durante essas duas medições.

História

A história dos limites de EDM de nêutrons, incluindo o melhor resultado mais recente da colaboração nEDM em PSI. A previsão proveniente do Modelo Padrão também é indicada.

Os primeiros experimentos em busca do momento de dipolo elétrico do nêutron usaram feixes de nêutrons térmicos (e depois frios ) para realizar a medição. Tudo começou com a experiência de Smith, Purcell e Ramsey em 1951 (e publicada em 1957) obtendo um limite de | d _n | <5 × 10 ⁻²⁰  e ⋅cm . Feixes de nêutrons foram usados ​​até 1977 para experimentos nEDM. Nesse ponto, os efeitos sistemáticos relacionados às altas velocidades dos nêutrons no feixe tornaram-se intransponíveis. O limite final obtido com um feixe de nêutrons atinge | d _n | <3 × 10 ⁻²⁴  e ⋅cm .

Depois disso, os experimentos com nêutrons ultracold assumiram o controle. Tudo começou em 1980 com uma experiência no Instituto de Física Nuclear de Leningrado (LNPI) obtendo um limite de | d _n | <1,6 × 10 ⁻²⁴  e ⋅cm . Este experimento e especialmente o experimento iniciado em 1984 no Institut Laue-Langevin (ILL) empurrou o limite para baixo em outras duas ordens de magnitude, resultando no melhor limite superior citado acima em 2006, revisado em 2015.

Durante esses 50 anos de experimentos, seis ordens de magnitude foram cobertas, colocando assim restrições rigorosas nos modelos teóricos. O último melhor limite foi publicado em 2020 pela colaboração nEDM em PSI.

Experimentos atuais

Atualmente, existem pelo menos seis experimentos com o objetivo de melhorar o limite de corrente (ou medição pela primeira vez) no EDM de nêutrons com uma sensibilidade de até 10 ⁻²⁸  e ⋅cm nos próximos 10 anos, cobrindo assim a faixa de previsão proveniente deextensões supersimétricas para o Modelo Padrão.

• n2EDM da colaboração nEDM em construção na fonte UCN do Instituto Paul Scherrer
• Experimento UCN nEDM em construção no TRIUMF
• Experimento EDM de nêutron criogênico sendo montado no Institut Laue-Langevin
• Experimento nEDM em construção na Fonte de Nêutrons de Espalação
• Experimento nEDM sendo construído no Institut Laue-Langevin
• Experiência nEDM sendo construída no Forschungsreaktor München II

Veja também

• Momento de dipolo elétrico de elétron

Referências