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Systematic Effects in Electric Dipole Searches at the Paul Scherrer Institute

English title Systematic Effects in Electric Dipole Searches at the Paul Scherrer Institute
Applicant Schmidt-Wellenburg Philipp
Number 204118
Funding scheme Project funding
Research institution Paul Scherrer Institut
Institution of higher education Paul Scherrer Institute - PSI
Main discipline Particle Physics
Start/End 01.03.2022 - 28.02.2026
Approved amount 481'964.00
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Keywords (8)

Beyond standard model; Muon; Charge-Parity violation; Ultracold neutrons; Electric dipole moment; Neutron; Systematic effects; Precision

Lay Summary (German)

Lead
Moderne Teilchenphysik und Kosmologie beschreiben heute auf sagenhafte Weise die Entstehung des Universums und die Bausteine der Materie. Trotz dieses bemerkenswerten Erfolgs verbleiben noch grosse Rätsel in der Physik. Insbesondere ist bis heute ungeklärt wie es dazu kam, dass während des Big Bangs nur Materie und keine Antimaterie entstanden ist. Diese Symmetrieverletzung im Universum könnte ihren Ursprung in noch unbekannten Kräften haben, die bei Myonen und Neutronen zu einem elektrischen Dipolmoment führen würden. Am Paul Scherrer Institut (PSI) errichtet gerade eine internationale Kollaboration das weltweit präziseste Experiment zur Suche nach einem elektrischen Dipolmoment des Neutrons. Neben der extremen Präzision muss dabei sichergestellt werden, dass systematische Fehler des Messsystems perfekt verstanden werden. Das Ziel des Forschungsprojektes ist eine genau Studie dieser systematischen Effekte bei der Suche des elektrischen Dipolmoments des Neutrons und Myons.
Lay summary

Das Paul Scherrer Institut betreibt den leistungsstärksten Protonenbeschleuniger der Welt. Die Protonen prallen mit 80% der Lichtgeschwindigkeit auf Kohlenstoff beziehungsweise Blei um dabei Pionen und Neutronen zu erzeugen. Die Pionen bestehen aus zwei Quarks und Zerfallen sofort in Myonen.

Myonen sind Elementarteilchen ähnlich dem Elektron aber mit einer Masse die fast 200 mal grösser ist. Nach 2.2 Mikrosekunden zerfallen sie in ein Elektron und zwei Neutrinos. Neutronen hingegen sind mit Protonen die Bausteine der Kerne der chemischen Elemente. Sie sind ebenfalls instabil und zerfallen nach ca. 900 Sekunden in ein Proton, Elektron und ein Neutrino.

Sowohl das Neutron als auch das Myon haben einen intrinsischen Spin ähnlich einer kleinen Kompassnadel. In magnetischen Feldern richtet sich der Spin relativ zum Magnetfeld aus. Ein elektrischer Dipolmoment würde nun dazu führen, dass sich der Spin in gleichweise auch in einem elektrischen Feld verhält. Obwohl viele physikalische Modelle und Theorien vorhersagen, dass Elementarteilchen einen elektrischen Dipolmoment haben sollten wurde diese Eigenschaft noch nie gemessen.

Das Ziel des Forschungsprograms ist systematische Fehler bei der Suche und möglichen Entdeckung des elektrischen Dipolmoments genauestens zu studieren. Für beide Messungen müssen sämtliche bekannten Fehlerquellen entweder perfekt korrigiert werden oder perfekt gemessen werden um dann die Daten der Messung korrigieren zu können.

Wissenschaftlicher und gesellschaftlicher Kontext des Forschungsprojekts
Das Forschungsprojekt untersucht mögliche systematische Fehler in der Suche nach neuen Wechselwirkungen in der Physik. Eine erfolgreiche erste Messung eines elektrischen Dipolmoment würde nachhaltig unser heutiges Model der Teilchenphysik verändern.  

Keywords

Universum, elektrischer Dipolmoment, Teilchenphysik, Spin, ultrakaltes Neutron, Myonen, Präzession, Präzision, neue Physik

Direct link to Lay Summary Last update: 28.09.2021

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Project partner

Natural persons


Name Institute

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
177008 Field Generation and Control System for the n2EDM spectrometer 01.12.2017 R'EQUIP
188700 A new search for an electric dipole moment of the neutron with increased sensitivity and an improved UCN source. 01.09.2020 Project funding

Abstract

The project proposes to assess systematic effects in searches for electric dipole moments of the neutron and muon. Electric dipole moments (EDM) are excellent probes for the violation of time-reversal symmetry and, in turn, also indicate the violation of the combined symmetry of charge and parity (CP). CP violation is a necessary ingredient to explain the origin of matter, also known as baryon asymmetry of the universe. The EDM of the muon and neutron are complementary because they probe different possible origins of CP violation in underlying elementary theories beyond the standard model. At PSI, we are currently mounting the next-generation neutron EDM spectrometer, n2EDM, and for the exploitation of its full scientific reach, a thorough assessment of systematic effects is essential. PSI also hosts the most intense muon beams at low energy, which lend themselves perfectly for a search of the muon EDM. For the technical design of a future muon EDM spectrometer, a quantitative assessment of all systematic effects is indispensable.
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