CryoEDM

CryoEDMは、中性子の電気双極子モーメント（EDM）を約10 ⁻²⁸ ecmの精度で測定することを目的とした素粒子物理学実験です。 ^{[ 1 ]}この名称は、極低温中性子EDM実験の略です。以前の名称であるnEDMも時々使用されますが、曖昧さが生じる可能性がある場合は避けるべきです。このプロジェクトは、現在の最良の上限値である2.9×10 ⁻²⁶ ecmを設定したSussex/RAL/ILL nEDM実験に続いています。^{[ 2 ]}感度を向上させるために、cryoEDMは超低温中性子（UCN）の新しい発生源を使用しており、これは超流動ヘリウム中で低温中性子を散乱させることで機能します。

この実験はグルノーブルのラウエ・ランジュバン研究所で行われている。共同研究には、サセックス大学とRALのnEDMチームに加え、オックスフォード大学と日本の呉市からの新たな協力者が参加している。現代の素粒子物理学実験としては、この共同研究の規模は驚くほど小さい（約30人）。

2008年、この実験はSTFCによってアルファ5（最優先）プロジェクトにランク付けされ、はるかに規模の大きいCERNの 実験であるATLASとCMSと並んで位置づけられた。^{[ 3 ]}

詳細については、中性子の電気双極子モーメントを参照してください。

中性子は全体としては電気的に中性であるが、電荷を持つクォークで構成されている。片側に電荷の不均衡が生じると、ゼロではない電気双極子モーメント（EDM）が生じる。これはパリティ（P）対称性と時間反転（T）対称性の違反となる。宇宙の物質・反物質非対称性を説明するために、中性子のEDMが何らかの形で存在すると考えられているが、現在までの測定結果はすべてゼロと一致する値を示している。

中性子の電気双極子モーメント（EDM）の制限は、多くの素粒子物理学理論にとって重要な制約となっている。素粒子物理学の標準模型は^10⁻³¹～10⁻³² ^ecmの値を予測する一方、超対称性理論は^10⁻²⁵～10⁻²⁸ ^ecmの範囲の値を予測する。

現代のEDM実験は、中性子ラーモアスピン歳差運動周波数のシフトを測定することによって機能します。${\displaystyle \nu }$印加電場Eが反転すると、次のようになる。

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

ここでdはEDMであり、${\displaystyle \mu }$は磁気双極子モーメント、Bは磁場、hはプランク定数（${\displaystyle \pm }$（電場が平行か反平行かによって異なる）。明らかに、電場が反転すると、歳差運動周波数にEDMに比例したシフトが生じる。中性子の磁気双極子モーメントはゼロではないため、偽陽性信号を避けるために磁場変動を遮蔽または補正する必要がある。

歳差運動の周波数は、ラムゼイ分離振動磁場磁気共鳴法を用いて測定される。この方法では、多数のスピン偏極した超低温中性子が電場と磁場に蓄積される。次に、交流磁場パルスを印加してスピンを回転させる。${\displaystyle \pi /2}$パルスを印加するために使用される信号発生器は、中性子スピンが歳差周波数で磁場軸の周りを歳差運動している間、ゲートオフされます。約100秒後、スピンを回転させるために別の磁場パルスが印加されます。${\displaystyle \pi /2}$印加信号の周波数が歳差運動の周波数と完全に一致する場合、中性子はすべて信号発生器と同期し、開始時とは逆方向に偏極します。これら2つの周波数に差がある場合、一部の中性子は元の状態に戻ります。各偏極状態にある中性子の数を数え、この数を印加周波数に対してプロットすることで、歳差運動の周波数を求めることができます。

nEDM実験は、ILL原子炉からの超低温中性子を使用してILLで行われた室温中性子EDM実験でした。磁場変動（系統誤差の大きな原因）は、原子水銀磁力計を使用して監視されました。測定結果は1999年に発表され、中性子EDMの上限値は6.3×10 ^{−26 ecmとなりました。 [ 4 ] 2006年に発表されたさらなる解析では、この値は2.9×10 −26} ecmに改善されました。^{[ 2 ]}

cryoEDM実験は、nEDM実験の感度を2桁向上させ、約10⁻²⁸ ecmまで下げることを目的として設計されています^。これは、いくつかの要因によって達成されます。超流動ヘリウム内で冷中性子ビームをダウンスキャッタリングする新しい線源を使用して超伝導中性子の数を増やします。真空の代わりに液体ヘリウムを使用することで、印加電場を増やすことができます。装置の改良により、可能な保存時間と偏極積が増加します。室温から極低温測定に移行するということは、装置全体を再構築する必要があることを意味します。新しい実験では、超伝導鉛磁気シールドとSQUID磁力計システムを使用します。

この実験装置は建設が完了し、ILLで数年間稼働することができました。実験では、0.6 K（300 Lの超流動ヘリウム容積）でのクライオスタットの複数回の運転、期待された速度での超熱UCN生成、ラムゼイチャンバーおよび検出器への輸送の実証、液体ヘリウム中の固体UCN検出器の開発および運用、SQUID磁力計システムの設置および運用など、数々の成果を達成しました。

しかし、2013年12月、STFCの科学委員会は、新たな物理学的成果を達成するために必要なプログラムの規模が、想定される利用可能なリソースレベルを超えた競争的な時間スケールであったため、CryoEDMからの「管理された撤退」を行うことを決定した。^{[ 5 ]}実験は2014年現在で終了している。

• 中性子の電気双極子モーメント

• CryoEDM実験
• INSPIRE-HEPにおけるCryoEDM実験記録