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Field Generation and Control System for the n2EDM spectrometer

English title Field Generation and Control System for the n2EDM spectrometer
Applicant Schmidt-Wellenburg Philipp
Number 177008
Funding scheme R'EQUIP
Research institution Paul Scherrer Institut
Institution of higher education Paul Scherrer Institute - PSI
Main discipline Particle Physics
Start/End 01.12.2017 - 30.11.2020
Approved amount 177'500.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Particle Physics
Nuclear Physics

Keywords (5)

New physics; Electric field generation; Magnetic field generation; High precision and stability field control; Ultracold neutrons

Lay Summary (German)

Lead
Am Paul Scherrer Institut wird momentan das weltweit präziseste Experiment zur Suche nach einem elektrischen Dipolmoment des Neutrons auf gebaut. Es eröffnet einzigartige Möglichkeiten grundlegende Fragen der Teilchenphysik zu untersuchen. Der primäre Grund der Suche nach einem nEDM mit ultrakalten Neutronen ist der Versuch zu klären warum beim Urknall keine Antimaterie entstand. Zu diesem Zweck misst man die Präzessionsfrequenz der Neutronen in einer Überlagerung eines extrem homogenen und stabilen aber schwachen Magnetfelds und eines sehr starken elektrischen Felds. Die extrem präzisen und Langzeit stabilen Netzgeräte dieses Antrages ermöglichen eine noch nie dagewesene Kontroller des elektrischen und magnetischen Feldes, eine Vorraussetzung für eine zehnmal präzisere Messung den nEDM in der Zukunft.
Lay summary

Inhalt und Ziel des Forschungsprojekts

Ultrakalte Neutronen sind freie Neutronen mit Geschwindigkeiten von wenigen Metern pro Sekunde und können in Vakuumbehältern für viele Minuten eingesperrt und beobachtet werden. Neutronen haben einen intrinsischen Spin ähnlich einer kleinen Kompassnadel. In magnetischen Feldern richtet sich der Spin auf zwei Arten relativ zum Magnetfeld aus. Die Kombination dieser beiden Eigenschaften ermöglicht hochpräzise Messungen der Neutron Präzessionsfrequenz, der „Rotationsgeschwindigkeit des Neutronenspins. Für diese Messungen wird Ramseys Methode der separierten oszillierender Felder (Nobelpreis 1989) verwendet, die eine Genauigkeit von einem Zehntelmillionstel (0.0000001) pro Tag am PSI ermöglicht.

Um diese Neutronenpräzession zehnmal genauer messen zu können wie in der Vergangenheit muss das Feld extrem homogen als auch zeitlich stabil sein. Für diesen Zweck müssen über 64 individuelle Spulen um das Experiment mit hoch-präzisen Strömen gespeist werden. Legt man nun zusätzlich zu diesem magnetischen Feld ein extrem starkes elektrisches Feld von 20 Millionen Volt pro Meter an, kann man nach einer kleinen Änderung der Präzision des Neutrons suchen. Diese Änderung der Frequenz wäre das erste Zeichen eines elektrischen Dipolmomentes des Neutrons und ein klares Indiz für neue Physik.

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojekts

Die Apparatur wird zur Suche eines elektrischen Dipolmomentes der Neutrons verwendet. Die Messung eines Signals als auch eine Nichtbeobachtung liefert wichtige experimentelle Daten für erweiterte Modelle der Teilchenphysik.

Keywords

CP-Verletzung, Elektrische Dipolmoment, Teilchenphysik, Spin, ultrakaltes Neutron, Präzession, Präzision, neue Physik

Direct link to Lay Summary Last update: 12.12.2017

Responsible applicant and co-applicants

Project partner

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
169596 Spin-spectroscopy with ultracold neutrons - Searching for dark matter and lorentz violation using spin-precessing neutrons 01.09.2017 Project funding (Div. I-III)
172639 Precision Physics with Muons and Ultracold Neutrons 01.05.2017 Project funding (Div. I-III)
139140 Passive magnetic shield for the new neutron electric dipole moment experiment n2EDM 01.01.2013 R'EQUIP
163413 Improving ultracold neutron intensities for frontier precision experiments in fundamental physics 01.11.2015 Project funding (Div. I-III)
162574 Measurement of the neutron electric dipole moment 01.11.2015 Project funding (Div. I-III)
186179 n2EDM: The next measurement of the neutron electric dipole moment 01.04.2019 FLARE

Abstract

The scientific goal of this proposal is to measure the electric dipole moment of the neutron (nEDM). PSI holds the measurement of the lowest bound on the value of nEDM. The rationale for the n2EDM search is to explore the breakdown of the standard model of elementary particle physics. As the standard model predicts an nEDM no larger than 1E-31 e cm, any measurement of an nEDM one order of magnitude larger than 1E-31 e cm would imply the discovery of physics beyond the standard model of elementary particle physics. A new spectrometer with a sensitivity of better than 5E-28 e cm is to be commissioned, the so-called n2EDM spectrometer. This proposal is dedicated to the generation and delicate control of the magnetic fields in the n2EDM spectrometer.
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