CryoEDM

تجربة CryoEDM هي تجربة في فيزياء الجسيمات تهدف إلى قياس عزم ثنائي القطب الكهربائي (EDM) للنيوترون بدقة تصل إلى حوالي 10⁻²⁸ ^{إلكترون} سم. ^{[ 1 ]} الاسم هو اختصار لتجربة عزم ثنائي القطب الكهربائي للنيوترون المبرد . يُستخدم الاسم السابق nEDM أحيانًا، ولكن يُفضل تجنبه في حال وجود أي لبس. يتبع هذا المشروع تجربة nEDM التي أجرتها مختبرات ساسكس/رذرفورد أبليتون/لايل-إلفنت، والتي حددت الحد الأعلى الحالي الأمثل وهو 2.9 × 10⁻²⁶ ^{إلكترون} سم. ^{[ 2 ]} لتحقيق هذه الحساسية المحسّنة، تستخدم تجربة CryoEDM مصدرًا جديدًا للنيوترونات فائقة البرودة (UCN)، والذي يعمل عن طريق تشتيت النيوترونات الباردة في الهيليوم فائق الميوعة .

يقع هذا المشروع التجريبي في معهد لاو-لانجفين في غرونوبل . ويضم فريق البحث فريق nEDM من جامعة ساسكس ومختبر رذرفورد أبليتون ، بالإضافة إلى متعاونين جدد من أكسفورد وكوري في اليابان. ويُعدّ هذا الفريق صغيرًا بشكل ملحوظ بالنسبة لتجربة حديثة في فيزياء الجسيمات (حوالي 30 شخصًا).

في عام 2008، تم تصنيف التجربة كمشروع ألفا 5 (أولوية قصوى) من قبل STFC ، جنبًا إلى جنب مع تجارب CERN الأكبر بكثير : ATLAS و CMS . ^{[ 3 ]}

للمزيد من المعلومات، انظر عزم ثنائي القطب الكهربائي للنيوترون

على الرغم من أن النيوترون متعادل كهربائيًا بشكل عام، إلا أنه يتكون من كواركات مشحونة . أي اختلال في الشحنة على أحد جانبيه سيؤدي إلى عزم ثنائي قطبي كهربائي غير صفري. وهذا يُعد انتهاكًا لتناظر التكافؤ (P) وتناظر انعكاس الزمن (T). يُعتقد أن عزم ثنائي قطبي كهربائي للنيوترون موجود بدرجة ما لتفسير عدم تناظر المادة والمادة المضادة في الكون ، مع أن جميع القياسات حتى الآن أعطت قيمة تتوافق مع الصفر.

تُشكّل القيود المفروضة على عزم ثنائي القطب الكهربائي للنيوترون قيدًا هامًا على العديد من نظريات فيزياء الجسيمات. ويتوقع النموذج القياسي لفيزياء الجسيمات قيمة تتراوح بين 10⁻³¹ ^و10⁻³² إلكترون ^فولت ، بينما تتوقع النظريات الفائقة التناظر قيمًا في نطاق 10⁻²⁵ ^إلى 10⁻²⁸ ^{إلكترون} فولت.

تعتمد تجارب العزم الكهربائي ثنائي القطب الحديثة على قياس تغير في تردد دوران لارمور للنيوترون${\displaystyle \nu }$عندما ينعكس اتجاه المجال الكهربائي المطبق E. ويُعطى هذا بواسطة

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

حيث d هو EDM،${\displaystyle \mu }$يمثل عزم ثنائي القطب المغناطيسي ، وB المجال المغناطيسي، وh ثابت بلانك .${\displaystyle \pm }$يعتمد ذلك على ما إذا كانت المجالات متوازية أم متعاكسة. من الواضح أنه عند عكس اتجاه المجال الكهربائي، ينتج عن ذلك انزياح في تردد التبادر يتناسب مع عزم ثنائي القطب الكهربائي. ولأن عزم ثنائي القطب المغناطيسي للنيوترون ليس صفراً، فمن الضروري حجب أو تصحيح تقلبات المجال المغناطيسي لتجنب إشارة إيجابية خاطئة.

يُقاس تردد التبادر باستخدام طريقة رامزي للرنين المغناطيسي ذي المجال المتذبذب المنفصل ، حيث يتم تخزين عدد كبير من النيوترونات فائقة البرودة ذات الاستقطاب المغزلي في مجال كهربائي ومغناطيسي. ثم يتم تطبيق نبضة مجال مغناطيسي متناوب لتدوير المغازل بواسطة${\displaystyle \pi /2}$ثم يتم إيقاف تشغيل مولد الإشارة المستخدم لتطبيق النبضة بينما تدور لفات النيوترونات حول محور المجال المغناطيسي بتردد الدوران؛ وبعد فترة زمنية تبلغ حوالي 100 ثانية، يتم تطبيق نبضة مجال أخرى لتدوير اللفات بواسطة${\displaystyle \pi /2}$إذا كان تردد الإشارة المُطبقة مساويًا تمامًا لتردد التبادر، فإن جميع النيوترونات ستتزامن مع مولد الإشارة، وستستقطب جميعها في الاتجاه المعاكس لاتجاهها الابتدائي. أما إذا كان هناك فرق بين هذين الترددين، فإن بعض النيوترونات ستعود إلى حالتها الأصلية. بعد ذلك، يُحسب عدد النيوترونات في كل حالة استقطاب، ومن خلال رسم هذا العدد مقابل التردد المُطبق، يُمكن تحديد تردد التبادر.

كانت تجربة عزم ثنائي القطب الكهربائي النيوتروني (nEDM) تجربةً أُجريت في معهد لاو لانجفين (ILL) عند درجة حرارة الغرفة، باستخدام نيوترونات فائقة البرودة من مفاعل المعهد. وتم رصد تقلبات المجال المغناطيسي (مصدر هام للخطأ المنهجي) باستخدام مقياس مغناطيسي ذري زئبقي . نُشرت نتائج القياس عام 1999، حيث حددت حدًا أعلى لعزم ثنائي القطب الكهربائي النيوتروني بـ 6.3 × 10⁻²⁶ ^{إلكترون} سم. ^{[ 4 ]} ثم حسّن تحليلٌ لاحق نُشر عام 2006 هذا الحد إلى 2.9 × 10⁻²⁶ ^{إلكترون} سم. ^{[ 2 ]}

صُممت تجربة قياس العزم الكهربائي فائق البرودة (cryoEDM) لتحسين حساسية تجربة قياس العزم الكهربائي النيوتروني (nEDM) بمقدار رتبتين لتصل إلى حوالي 10⁻²⁸ ^{إلكترون} /سم. وسيتحقق ذلك من خلال عدة عوامل: زيادة عدد النيوترونات فائقة البرودة باستخدام مصدر جديد، حيث يتم تشتيت حزمة من النيوترونات الباردة داخل الهيليوم فائق الميوعة؛ واستخدام الهيليوم السائل بدلاً من الفراغ لزيادة شدة المجال الكهربائي المُطبق؛ وتحسينات الجهاز لزيادة مدة التخزين الممكنة وناتج الاستقطاب. وقد استلزم الانتقال من القياس في درجة حرارة الغرفة إلى القياس في درجات حرارة منخفضة للغاية إعادة بناء الجهاز بالكامل. وتستخدم التجربة الجديدة دروعًا مغناطيسية من الرصاص فائق التوصيل ، ونظام مقياس مغناطيسي فائق التوصيل (SQUID) .

انتهى بناء التجربة وتمكنت من العمل لعدة سنوات في معهد لاو لانجفين. حققت التجربة عددًا من الإنجازات: عمليات متعددة للمبرد عند 0.6 كلفن (حجم 300 لتر من الهيليوم فائق الميوعة)، وإنتاج جسيمات النيوترونات فائقة الحرارة بمعدل متوقع، ونقلها بنجاح إلى غرفة رامزي وأجهزة الكشف، وتطوير وتشغيل أجهزة كشف جسيمات النيوترونات فائقة الحالة الصلبة في الهيليوم السائل، بالإضافة إلى تركيب وتشغيل نظام قياس المغناطيسية فائق التوصيل الكمي (SQUID).

مع ذلك، في ديسمبر 2013، قرر المجلس العلمي التابع لمجلس مرافق العلوم والتكنولوجيا (STFC) الانسحاب التدريجي من تجربة CryoEDM، نظرًا لحجم البرنامج المطلوب لتحقيق نتيجة فيزيائية جديدة في إطار زمني تنافسي يتجاوز مستويات الموارد المتاحة المتوقعة. ^{[ 5 ]} وقد انتهت التجربة في عام 2014.

• عزم ثنائي القطب الكهربائي للنيوترون

• تجربة التبريد الكهربائي
• سجل تجربة CryoEDM على INSPIRE-HEP