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La mesure du moment électrique dipolaire du neutron
Motivations physiques
La méthode de mesure
Le spectromètre RAL-Sussex-ILL
Le projet nEDM@PSI
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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...
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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
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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
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Workshop QCD-reseau (Autrans, 6-7/06/05) 5
Si le neutron avait la taille de la terre...
10 -e
+e
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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