La mesure du moment électrique dipolaire du neutron

Motivations physiques

La méthode de mesure

Le spectromètre RAL-Sussex-ILL

Le projet nEDM@PSI

Workshop QCD-reseau (Autrans, 6-7/06/05) 2

nEDM ≠ 0 violation P et T

Théorème CPT violation CP

Le moment électrique dipolaire du neutron et la violation de CP

Neutron

“Ghost” neutron

N dN

N dN

Vrai pour toute particule élémentaire: e,p , , atomes, molécules...

Workshop QCD-reseau (Autrans, 6-7/06/05) 3

Secteur électrofaible : la phase de la matrice CKM permet d’expliquer violation de CP dans

décroissances mésons (K, B) dn = 0 au premier ordre

dn ~ 10-32 e.cm

QCD : la phase dn ~ 10-15 e.cm

~ 10-11

STRONG CP PROBLEM !

Violation de CP dans le MS

Workshop QCD-reseau (Autrans, 6-7/06/05) 4

Etat de l’art & Objectif

Objectif:

10-27-10-28 e-cm

Meilleure limite actuelle :

|dn | ≤ 6.3 10-26 e.cm (90 % CL)

ILL (PRL 82(1999) )

• MS hors d’atteinte (nEDM=0 1er ordre)

• Contraintes très sévères sur les nouveaux mécanismes

• Signal : signature nouvelle physique ?C. A. Baker, ILL millenium symposium, 2001

Workshop QCD-reseau (Autrans, 6-7/06/05) 5

Si le neutron avait la taille de la terre...

10 -e

+e

Workshop QCD-reseau (Autrans, 6-7/06/05) 6

Les neutrons ultra froids (UCN)

UCN = neutrons pouvant se réfléchir

élastiquement sur une paroi

quel que soit l’angle d’incidence

Simulation GEANT4

• E ~ 100 neV (~ 1 m)

• V ~ 5 m/s

• ~ 1000 Å

• Nombreuses applications : nEDM, niveaux gravitationnels, durée de vie du neutron, interaction n-n très basse énergie, oscillations n-nbar,...

• Sources UCN :

• PF2@ILL, source la plus dense : ~ 40 UCN/cm3 (Fission)

• UCN@PSI (à partir de 2007) : ~ 3 103 UCN/cm3 (Spallation)

• + de nombreux projets (Munich, Japon, Los Alamos)

g

Workshop QCD-reseau (Autrans, 6-7/06/05) 7

La méthode de Ramsey

t ~ 2s

t ~ 2s4.

3.

2.

1.

Free precession...

Apply /2 spinflip pulse...

“Spin up” neutron...

Second /2 spinflip pulse.

T ~ 100s

H = -2 (n B ± dn E)

L ( - ) = 4 dn E / h

Workshop QCD-reseau (Autrans, 6-7/06/05) 8

Le spectromètre EDM RAL-Sussex-ILL

Paramètres expérimentaux :

• B ~ 1 T

• E = 10-15 kV/cm

• T ~ 100 s

• L ~ 30 Hz

Pour dn = 10-27 e.cm et E = 15 kV/cm :

~ 6 10-23 eV ou L ~ 10-8 Hz

dn ≤ 6.3 10–26 e.cmP.G. Harris et al.,PRL82(1999)904

Meilleure limite actuelle

Workshop QCD-reseau (Autrans, 6-7/06/05) 9

Projet en 2 étapes : Amélioration du spectromètre RAL-Sussex-ILL et première mesure dès que la source de PSI sera opérationnelle (2007-2008)

Conception d’un nouvel appareil optimisé pour les densités UCN de PSI

Objectif : diminuer de 1 à 2 ordres de grandeur la limite actuelle sur le moment électrique dipolaire du neutron

Le projet nEDM@PSI

Objectif final : dn ~ 10-28 e.cm à l’horizon 2012

Workshop QCD-reseau (Autrans, 6-7/06/05) 10

La source UCN de PSI

en construction

- approuvée et financée par le PSI

- démarrage prévu fin 2007

Workshop QCD-reseau (Autrans, 6-7/06/05) 11

La collaboration G. Ban, X. Fléchard, M. Labalme, T. Lefort, E. Liénard, O. Naviliat*

(LPC Caen)

K. Bodek, S. Kistryn, A. Magiera, J. Zejma (Jagellonian Univ., Cracovie)

D. Mazhvia, N. Khomutov, A. Olnev, B. Sabirov(JINR, Dubna)

S. Gröger, P. Knowles, A. Weis(FRAP, Université de Fribourg)

C. Plonka(ILL)

G. Quéméner, U.C. Tsan, D. Rebreyend(LPSC Grenoble)

T. Brys, M. Daum, P. Fierlinger, R. Henneck, S. Heule, M. Kasprzak, K. Kirch*, A. Pichlmaier

(PSI)

* co-spokesperson

Workshop QCD-reseau (Autrans, 6-7/06/05) 12

EDM Limits: the first half-centuryE

xper

imen

tal L

imit

on

d (

e cm

)

1960 1970 1980 1990

Left-Right

10-32

10-20

10-22

10-24

10-30

MultiHiggs SUSY

Standard Model

Electro-magnetic

neutron:electron:

10-34

10-36

10-38

2000

10-20

10-30

Barr: Int. J. Mod Phys. A8 208 (1993)

Factor ~10 per 8 years

Workshop QCD-reseau (Autrans, 6-7/06/05) 13

Violation de CP dans le MS

Secteur électrofaible : la phase de la matrice CKM

d’ 1- ( –i ) ds’ = - 1-

sb’ (1––i ) –b

nEDM ~ 10-32 e.cm

QCD : la phase