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Towards a new measurement of the neutron electric dipole moment


Knecht, Andreas. Towards a new measurement of the neutron electric dipole moment. 2009, University of Zurich, Faculty of Science.

Abstract

Searches for the neutron electric dipole moment (nEDM) are of fundamental impor- tance in understanding the nature of the baryon asymmetry of the universe and the un- derlying connection to CP violation. The work for this thesis was conducted in connec- tion to the nEDM project at the Paul Scherrer Institut and in the course of the disserta- tion several substantial contributions to the project were achieved: The first short EDM measurements have been conducted showing that the EDM ap- paratus is in principle fully functional and that all the subsystems can be operated re- liably over several days. Additionally, an analysis of the taken data has been performed. For the upcoming EDM measurements beginning in 2010, the expected systematic errors have been assessed and necessary countermeasures suggested. Together with the increase in statistics at the new PSI source for ultracold neutrons (UCN), this should result in a measurement setting a limit of 5 × 10−27 ecm at 95% C.L. limit or detecting a neutron EDM of 1.3 × 10−26 ecm with 5 σ significance after two years of data taking. Several false effects exist which depend on the velocity of the UCN. In order to being able to measure the neutron electric dipole moment as a function of UCN velocity, an efficient velocity dependent UCN detection system has been developed and success- fully tested. The concept of mirror matter is a proposed extension of the Standard Model of particle physics, which globally reconciles parity violation and provides a viable Dark Matter candidate. The theory also allows for neutron to mirror-neutron oscillations. Such oscillations have been searched for in dedicated measurements using the EDM spectrometer. No indication has been found and a limit on the oscillation time τnn has been set at τnn > 141 s (95% C.L.) for negligible mirror magnetic fields B and τnn > 12.0 s (95% C.L.) for any B between 0 and 12.5 µT.

Die Suche nach dem elektrischen Dipolmoment des Neutrons (nEDM) ist von fundamentaler Bedeutung im Verständnis der Baryonenasymmetrie des Universums und dem Zusammenhang mit CP-Verletzung. Die Arbeit für diese Doktorarbeit wurde im Rahmen des nEDM-Projektes getätigt und im Verlaufe der Dissertation wurden mehrere wesentliche Beiträge zu diesem Projekt erreicht: Die ersten, kurzen EDM-Messungen wurden durchgeführt, die zeigten, dass das EDM- Spektrometer prinzipiell funktioniert und über mehrere Tage verlässlich betrieben werden kann. Zusätzlich wurde eine Analyse der gewonnenen Daten durchgeführt. Für die kommenden EDM Messungen ab 2010 wurden die systematischen Falscheffekte abgeschätzt und nötige Gegenmassnahmen vorgeschlagen. Zusammen mit der erhöhten Statistik an der neuen PSI Quelle für ultrakalte Neutronen (UCN) ist eine Messung, die zu einem Limit von 5×10−27 ecm bei 95% C.L. oder zu einer Entdeckung eines EDM von 1.3 × 10−26 ecm mit einer Signifikanz von 5 σ führt, möglich. Es existieren mehrere Falscheffekte, die von der Geschwindigkeit der UCN abhängen. Um das EDM als Funktion der UCN-Geschwindigkeit messen zu können wurde ein effizientes, geschwindigkeitabhängiges Detektionssystem entwickelt und erfolgreich getestet. Das Konzept von Spiegelmaterie ist eine vorgeschlagene Erweiterung des Standardmodells der Teilchenphysik, die global die Paritätsverletzung behebt und gleichzeitig mögliche Kandidaten für Dunkle Materie bietet. Die Theorie führt auch zu Neutron - Spiegelneutron Oszillationen. Solche Oszillationen wurden in dedizierten Messungen mit dem EDM-Spektrometer gesucht. Es konnten keine Hinweise gefunden werden und daher wurde ein Limit auf die Oszillationszeit τnn von τnn > 141 s (95% C.L.) für vernachlässigbare Spiegelmagnetfelder B und τnn > 12.0 s (95% C.L.) für B zwischen 0 und 12.5 µT gesetzt.

Abstract

Searches for the neutron electric dipole moment (nEDM) are of fundamental impor- tance in understanding the nature of the baryon asymmetry of the universe and the un- derlying connection to CP violation. The work for this thesis was conducted in connec- tion to the nEDM project at the Paul Scherrer Institut and in the course of the disserta- tion several substantial contributions to the project were achieved: The first short EDM measurements have been conducted showing that the EDM ap- paratus is in principle fully functional and that all the subsystems can be operated re- liably over several days. Additionally, an analysis of the taken data has been performed. For the upcoming EDM measurements beginning in 2010, the expected systematic errors have been assessed and necessary countermeasures suggested. Together with the increase in statistics at the new PSI source for ultracold neutrons (UCN), this should result in a measurement setting a limit of 5 × 10−27 ecm at 95% C.L. limit or detecting a neutron EDM of 1.3 × 10−26 ecm with 5 σ significance after two years of data taking. Several false effects exist which depend on the velocity of the UCN. In order to being able to measure the neutron electric dipole moment as a function of UCN velocity, an efficient velocity dependent UCN detection system has been developed and success- fully tested. The concept of mirror matter is a proposed extension of the Standard Model of particle physics, which globally reconciles parity violation and provides a viable Dark Matter candidate. The theory also allows for neutron to mirror-neutron oscillations. Such oscillations have been searched for in dedicated measurements using the EDM spectrometer. No indication has been found and a limit on the oscillation time τnn has been set at τnn > 141 s (95% C.L.) for negligible mirror magnetic fields B and τnn > 12.0 s (95% C.L.) for any B between 0 and 12.5 µT.

Die Suche nach dem elektrischen Dipolmoment des Neutrons (nEDM) ist von fundamentaler Bedeutung im Verständnis der Baryonenasymmetrie des Universums und dem Zusammenhang mit CP-Verletzung. Die Arbeit für diese Doktorarbeit wurde im Rahmen des nEDM-Projektes getätigt und im Verlaufe der Dissertation wurden mehrere wesentliche Beiträge zu diesem Projekt erreicht: Die ersten, kurzen EDM-Messungen wurden durchgeführt, die zeigten, dass das EDM- Spektrometer prinzipiell funktioniert und über mehrere Tage verlässlich betrieben werden kann. Zusätzlich wurde eine Analyse der gewonnenen Daten durchgeführt. Für die kommenden EDM Messungen ab 2010 wurden die systematischen Falscheffekte abgeschätzt und nötige Gegenmassnahmen vorgeschlagen. Zusammen mit der erhöhten Statistik an der neuen PSI Quelle für ultrakalte Neutronen (UCN) ist eine Messung, die zu einem Limit von 5×10−27 ecm bei 95% C.L. oder zu einer Entdeckung eines EDM von 1.3 × 10−26 ecm mit einer Signifikanz von 5 σ führt, möglich. Es existieren mehrere Falscheffekte, die von der Geschwindigkeit der UCN abhängen. Um das EDM als Funktion der UCN-Geschwindigkeit messen zu können wurde ein effizientes, geschwindigkeitabhängiges Detektionssystem entwickelt und erfolgreich getestet. Das Konzept von Spiegelmaterie ist eine vorgeschlagene Erweiterung des Standardmodells der Teilchenphysik, die global die Paritätsverletzung behebt und gleichzeitig mögliche Kandidaten für Dunkle Materie bietet. Die Theorie führt auch zu Neutron - Spiegelneutron Oszillationen. Solche Oszillationen wurden in dedizierten Messungen mit dem EDM-Spektrometer gesucht. Es konnten keine Hinweise gefunden werden und daher wurde ein Limit auf die Oszillationszeit τnn von τnn > 141 s (95% C.L.) für vernachlässigbare Spiegelmagnetfelder B und τnn > 12.0 s (95% C.L.) für B zwischen 0 und 12.5 µT gesetzt.

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Item Type:Dissertation (monographical)
Referees:Straumann Ulrich D, Kirsch Klaus
Communities & Collections:UZH Dissertations
Dewey Decimal Classification:Unspecified
Language:English
Place of Publication:Zürich
Date:2009
Deposited On:15 May 2019 08:20
Last Modified:15 Apr 2021 15:00
Number of Pages:166
OA Status:Green

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