寻找镭-225的固有电偶极矩（EDM） - 实验检验时间反演对称性

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1 寻找镭-225的固有电偶极矩（EDM） - 实验检验时间反演对称性
卢征天 合肥微尺度物质科学国家实验室 中国科大 近代物理系 2015年 11月

2 固有电偶极矩破坏时间（T）、空间（P）反演对称性
_ + + T P + _ _ EDM Spin EDM Spin EDM Spin 诱导 EDM: 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑦=− 1 2 𝛼 𝐸 2 Pseudo-scalar s · E 固有 EDM: 𝐸𝑛𝑒𝑟𝑔𝑦=−𝑑∙𝐸

3 P C T 离散基本对称性 CP 60Co CPT Pseudo-scalar s · p 宇称不守恒 吴建雄等（1957） 宇称、空间反演
宇称不守恒 吴建雄等（1957） P 宇称、空间反演 电荷共轭 宇称-电荷共轭 时间反演 在遵守洛伦茨不变性的量子场论里是守恒的 C CP 60Co T CPT Pseudo-scalar s · p

4 探索新的 CP 物理机制 强相互作用中的CP问题: q项 超对称模型 更多基本粒子 新的CP相位 物质-反物质起源问题 新的CP物理机制
通过EDM测量探索 10-100TeV的新物理 CP T =

5 EDM: 标准模型 vs. 超对称模型 q gaugino squark  Standard Model Supersymmetry e
~ e  W t b s d  M. Ramsey-Musolf, UMass

6 在三种不同系统中寻找 EDM 中子 夸克EDM 标准模型之外的新物理: 超对称等. 核–逆磁性原子 Hg, Ra, Yb 夸克色EDM
美、德、瑞士 日本-加拿大 中子 夸克EDM 标准模型之外的新物理: 超对称等. 华盛顿大学 阿贡-中科大 核–逆磁性原子 Hg, Ra, Yb 夸克色EDM 4费米子,3胶子 哈佛-耶鲁 伦敦帝国理工 美国国家标准局 电子–顺磁性分子 YbF, ThO 电子EDM, 电子-夸克作用 系统 测量上限 (e-cm) 方法 标准模型预期值 电子 9 x 10-29 原子束中的 ThO 10-38 中子 3 x 10-26 瓶中的超冷中子 10-31 199Hg 3 x 10-29 玻璃管中的汞蒸汽 10-33 Engel, Ramsey-Musolf, van Kolck, Prog. Part. Nucl. Phys. 71, 21 (2013)

7 EDM 测量原理 B E 统计误差与精确度 m, s d, s 𝛿𝑑= ħ 2𝐸 2𝑁𝜏𝑇 举例: B B E s s E
𝛿𝑑= ħ 2𝐸 2𝑁𝜏𝑇 举例: B = 10 mGauss E = 100 kV/cm f = 11 Hz f+ - f- = 10 nHz d = 1 ´ e cm B B E s s E

8 寻找中子的EDM 中子束时代 限制因数 ΔB ≈ v x E / c2 储藏超冷中子时代 冰冻时代 UCN Storage
Just tear through 储藏超冷中子时代 UCN Storage 冰冻时代

9 Completed nEDM experiment Institut Laue-Langevin (ILL)
Magnetic shielding Generate UCN Polarise UCN UCN admitted into cell with E&B 199Hg polarised Ramsey NMR performed Released from cell Neutrons spin analysed Repeat: E=↓or 0, B=↓ High voltage lead Magnetic field coil Storage cell E B Scale: 1 m Magnet & polarizing foil / analysing foil S N dn < 3 x e-cm (90% C.L.) Baker et al., PRL (2006) UCN J. Karamath, Univ. Sussex

10 Measurability of Nuclear EDM
L.I. Schiff, Phys. Rev. 132, 2194 (1963) Schiff shielding since nuclear charge distribution differs from EDM distribution. 𝑑 𝑎𝑡𝑜𝑚 ∝ 𝑑 𝑛𝑢𝑐𝑙𝑒𝑢𝑠 ∙ 𝑟 𝑑 2 − 𝑟 𝑐 2 ∙ 𝑟 𝑎𝑡𝑜𝑚 −1 ∙ 𝑟 𝑐 −1 However simplified Schiff moment rigorous

11 The Seattle EDM Measurement
199Hg stable, high Z, groundstate 1S0, I = ½, high vapor pressure E E Courtesy of Michael Romalis The best limit on atomic EDM EDM (199Hg) < 3 x e-cm Griffith et al., Phys Rev Lett (2009) +e -e cm Unit EDM

12 光抽运 mF = +1/2 7p 3P1 Fluorescence s+ Excitation 7s2 1S0 F = 1/2

13 Ds Rg Cn Uut Fl Uup Lv Uus Uuo 1S0 1S0 I = 1/2

14 |a |b 镭-225的EDM：灵敏度高，计算可靠 宇称相反的双能级系统 放大倍数: EDM (225Ra) / EDM (199Hg)
能量接近，宇称相反的双能级系统 – Haxton & Henley, PRL 51,1937(1983) 核八极变形导致较大的席夫极矩（Schiff moment） – Auerbach, Flambaum, Spevak, PRL 76, 4316 (1996) 原子重，相对论效应高 (225Ra / 199Hg ~ 3) – Dzuba, Flambaum et al., PRA 66, (2002) - = (|a - |b)/2 + = (|a + |b)/2 55 keV |a |b 宇称相反的双能级系统 放大倍数: EDM (225Ra) / EDM (199Hg) Isoscalar Isovector Skyrme SIII 300 4000 Skyrme SkM* 2000 Skyrme SLy4 700 8000 Schiff moment of 225Ra, Dobaczewski, Engel, PRL 94, (2005) Schiff moment of 199Hg, Ban et al., PRC (2010) “[Nuclear structure] calculations in Ra are almost certainly more reliable than those in Hg.” – Engel, Ramsey-Musolf, van Kolck, Prog. Part. Nucl. Phys. (2013) Constraining parameters in a global EDM analysis. – Chupp, Ramsey-Musolf, Phys. Rev. C 91, (2014)

15 用冷原子方法测量镭-225的EDM 统计误差 100 d 100 kV/cm 10% 100 s 106 有效地利用稀有的225Ra原子
I = ½ t1/2 = 15 d 用冷原子方法测量镭-225的EDM 有效地利用稀有的225Ra原子 高电场(> 100 kV/cm) 相干进动时间长(~ 100 s) 系统误差小，“v x E”效应可忽略 横向冷却 热炉 塞曼减速 磁光阱(MOT) 光偶极阱 (ODT) EDM 测量 统计误差 100 d 100 kV/cm 10% 100 s 106 长远目标: dd ~ e cm

16 测量EDM (d) 关键：磁场的精密测量与控制 B ~ 10 mGauss 磁场空间均匀度 < 0.1%/cm
磁场时间稳定度 < 0.01% (50sec) Emax = 75 kV/cm 电场空间均匀度 < 1%/mm Go to ”Insert (View) | Header and Footer" to add your organization, sponsor, meeting name here; then, click "Apply to All"

17 镭-225 EDM 初步结果 2014年12月 EDM < 5.0 × 10-22 e-cm (95%)
--- Parker et al., PRL 114, (2015) Featured in Physics, Editor’s Suggestion 首次测量有八极变形核原子的EDM 首次用冷原子方法测量EDM 评语：“It is an important step forward in the field of fundamental symmetry tests with atoms.” 2015年6月 EDM < 1.4 × e-cm (95%) E (kV/cm) t (秒) e N T (小时) EDM上限(e cm) 2014 70 1.5 0.1% 200 1 5.0E-22 2015 20 0.2% 400 12 1.4E-23 2020 150 50 10% 20,000 240 E-26 TeV尺度的新物理 Go to ”Insert (View) | Header and Footer" to add your organization, sponsor, meeting name here; then, click "Apply to All"

18 “蓝光升级”计划 -- 提高冷原子数目 方法 一级减速激光: 483 nm 二级减速激光: 714 nm
7p 1P1 Trap, 714 nm 7s2 1S0 7p 3P1 420 ns 6 ns 6d 3D1 Pump #1 Slow & Trap, 714 nm 6d 1D2 430 ms 6d 3D2 Slow, 483 nm Pump #2 Pump #3 方法 一级减速激光: 483 nm 二级减速激光: 714 nm 三台回泵浦激光: 1428 nm, 1488 nm, 2.75 mm 171Yb 共处磁力仪 * 同时同地囚禁225Ra 与 171Yb, 间隔 < 50 um 优点 倍的225Ra冷原子 减小系统误差 Atom Velocity Atom Flux 60 m/s 310 m/s Go to "View | Header and Footer" to add your organization, sponsor, meeting name here; then, click "Apply to All"

19 1997-2015 领导阿贡国家实验室 物理部 冷原子精密测量研究组
Michael Bishof Peter Mueller Tom O’Connor Kevin Bailey Mukut Kalita Roy Holt Richard Parker Argonne: K. Bailey, M. Bishof, M. Dietrich, J. Greene, R. Holt, N. Lemke, Z.-T. Lu, P. Mueller, T. O’Connor, R. Parker Kentucky: M. Kalita, W. Korsch Michigan State: T. Rabga, J. Singh 领导阿贡国家实验室 物理部 冷原子精密测量研究组

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