Экспериментальное определение верхнего значения электрического дипольного момента нейтрона кристалл-дифракционным методом тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.16, кандидат наук Брагинец, Юлия Петровна

• Брагинец, Юлия Петровна
• кандидат наук
• 2016

Оглавление диссертации кандидат наук Брагинец, Юлия Петровна

Оглавление

Введение

1 Обзор методов поиска ЭДМ нейтрона

1.1 Магниторезонансный метод

1.2 Кристалл-дифракционный метод

2 Дифракция и нейтронная оптика

2.1 Структура кристаллов

2.2 Разложение потенциала кристалла по векторам обратной решетки

2.3 Ядерный и электрический потенциал кристалла. Сильные внут-рикристаллические электрические поля

2.4 Основы динамической теории дифракции на идеальных кристаллах

2.4.1 Одноволновое приближение

2.4.2 Двухволновое приближение

2.5 Нейтронная оптика в нецентросимметричном кристалле

3 Проверка тестового эксперимента

3.1 Принципиальная схема эксперимента

3.2 Экспериментальная установка

3.2.1 Параметры экспериментальной установки

3.3 Термостат кварцевого кристалл-отражателя

3.4 Юстировка

3.5 Трехмерный анализа поляризации

3.6 Результаты измерения

3.7 Анализ систематики эксперимента

4 Моделирование эксперимента

4.1 Модули «Work Crystal» и «Reflect Crystal»

4.2 Модули «Input Nutator» и «Output Nutator»

4.3 Результаты моделирования

5 Анализ чувствительности полномасштабного эксперимента

5.1 Коэффициент увеличения чувствительности за счет увеличения величины внутрикристаллического электрического поля Kw

5.2 Коэффициент увеличения чувствительности за счет увеличения времени пребывания нейтрона во внутрикристаллическом электрическом поле кристалла Kl

5.3 Коэффициент увеличения интенсивности за счет увеличение светосилы установки Kn

5.3.1 Увеличение светосилы установки

6 Усовершенствование экспериментальной установки

6.1 Накопительный вариант установки

Заключение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Экспериментальное определение верхнего значения электрического дипольного момента нейтрона кристалл-дифракционным методом»

Введение

Актуальность темы. Проблема существования электрического диполь-ного момента (ЭДМ) нейтрона напрямую связана с такими фундаментальными проблемами физики элементарных частиц, как нарушение Т-инвариантности (относительно преобразования обращения времени) и СР-инвариантности (относительно операции комбинированной инверсии координат). Дело в том, что ЭДМ нейтрона может быть отличен от нуля только при одновременном нарушении инвариантности относительно инверсии времени (Т) и пространства (Р), а следовательно, в силу СРТ-теоремы и СР-инвариантности. Таким образом, экспериментальное наблюдение ЭДМ нейтрона явилось бы прямым доказательством нарушения Т- (а следовательно, и СР-) инвариантности.

Исторически инвариантность относительно СР-преобразования была предложена для восстановления симметрии после того, как в 1956 г. Ц.С. Ву с сотрудниками [1] обнаружила нарушение инвариантности относительно инверсии координат в слабых взаимодействиях, которое было предсказано Т.Д. Ли и Ч.Н. Янгом [2]. Оказалось, что при в-распаде поляризованных ядер 60Со, электроны предпочитают вылетать в направлении противоположном направлению спина ядра. Это означало, что для слабых взаимодействий нарушается закон сохранения пространственной четности. Таким образом, слабые взаимодействия как бы знают, где „право", а где „лево". Введение СР-симметрии позволило восстановить симметрию между правым и левым [3,4]. Однако СР-инвариантность также нарушается. Ее нарушение было обнаружено в 1964 г. в

распаде нейтрального долгоживущего К-мезона на два заряженных п-мезона [5]. Оказалось, что долгоживущий К-мезон, кроме разрешенного для него по СР-четности распада на три п-мезона, в редких случаях (один раз из 600) распадается по СР-запрещенному каналу на два п-мезона. В 2004 г. СР-нарушение было обнаружено в распадах нейтральных В-мезонов, содержащих тяжелые кварки [6,7].

Косвенным проявлением нарушения СР-инвариантности является бари-онная асимметрия Вселенной - отсутствие во Вселенной антивещества в сопоставимых с веществом количествах. В 1967 г. А.Д. Сахаров показал, что для объяснения барионной асимметрии Вселенной необходимо выполнение следующих трех условий: во-первых, должно существовать взаимодействие, не сохраняющее барионное число; во-вторых, должно существовать взаимодействие, нарушающие СР-инвариантность; в-третьих, должно отсутствовать термодинамическое равновесие при расширении Вселенной [8]. На основе этих положений возникло множество теоретических моделей, объясняющих барионную асимметрию Вселенной. Следует отметить, что в рамках Стандартной модели барионная асимметрия не находит своего объяснения, хотя в нее можно ввести нарушение СР-инвариантности для объяснения эффектов, обнаруженных в распадах нейтральных К- и В-мезонов. При этом соответствующая величина барионной асимметрии оказывается на уровне 10-23-10-25, тогда как наблюдательные данные дают значения 10-9—10-10, величина же ЭДМ будет на уровне ~ 10—31 —10—33 е-см, что находится далеко за пределами возможности современной экспериментальной техники измерений.

Теоретические модели за рамками Стандартной модели, объясняющие ба-рионную асимметрию Вселенной, приводят к очень широкому спектру предсказываемых значений для ЭДМ нейтрона. Такие модели дают ограничения на величину ЭДМ нейтрона на уровне ~ 10—26—10—28 е-см. И хотя достижение такого верхнего значения находится на пределе экспериментальных возможностей, все

современные эксперименты нацелены на его достижение. Обнаружение ЭДМ у нейтрона на этом уровне было бы прямым свидетельством в пользу моделей, объединяющих различные взаимодействия, таких как суперсимметричные или модели Великого объединения.

Интересно, что еще в 1950 г. до открытия нарушения Р-симметрии и задолго до открытия СР-нарушения Парселл и Рамзей, анализируя ряд работ по нейтрон-электронному взаимодействию [9,10], предположили существование ЭДМ у нейтрона порядка 3-10-18 б-см [11]. И уже через год поставили первый эксперимент по поиске ЭДМ у нейтрона, который дал ограничение на верхнюю границу для ЭДМ нейтрона О < 5-10-20 б-см [12]. На сегодняшней день наиболее точным методом измерения ЭДМ нейтрона является магниторезонансный метод с использованием ультрахолодных нейтронов (УХН). Этим методом получено лучшее ограничение на величину верхнего предела для ЭДМ нейтрона О < 2,940-26 б-см [13]. За прошедшие более чем 60 лет точность была улучшена на 6 порядков. И хотя обнаружить ЭДМ нейтрона пока не удалось, безусловно ясно, что эксперименты по поиску ЭДМ нейтрона будут решающими при выборе дальнейшего пути развития физики элементарных частиц. В связи с этим развитие нового кристалл-дифракционного метода поиска ЭДМ нейтрона имеет первостепенную важность, поскольку это принципиально иной метод, имеющий другие систематические эффекты.

Целью настоящей диссертационной работы является развитие нового кристалл-дифракционного метода поиска ЭДМ нейтрона, основанного на использовании гигантских внутрикристаллических электрических полей (вплоть до 109 В/см), воздействующих на нейтрон в нецентросимметричном кристалле. В соответствии с этим были поставлены следующие основные задачи.

1. Экспериментально убедиться, что при прохождении нейтронов через нецен-тросимметричный кристалл кварца в условиях, близких к брэгговским, можно контролируемым образом отбирать нейтроны, прошедшие через

кристалл в различных по знаку и величине электрических полях, тем самым менять измеряемую величину угла и направление вращения спина нейтрона.

2. Оценить влияние швингеровского взаимодействия на компоненты поляризации, ответственные за ЭДМ нейтрона, при движении нейтрона под углами, близкими к п/2, к отражающим плоскостям кристалла.

3. Провести модельный анализ возможных систематических погрешностей эксперимента.

4. Провести анализ возможного увеличения чувствительности полномасштабного эксперимента.

Научная новизна и практическая ценность. Впервые реализована возможность выделять с помощью специального кварцевого кристалла-отражателя с регулируемым межплоскостным расстоянием нейтроны, прошедшие через рабочий кристалл кварца в различных по знаку и величине электрических полях. Показано, что такая схема эксперимента в сочетании с системой трехмерного анализа поляризации обладает высокой избирательной способностью к ЭДМ нейтрона, позволяя исключить ложные эффекты, обусловленные швинге-ровским взаимодействием и остаточными магнитными полями в сверхпроводящем экране системы трехмерного анализа поляризации. Значение ЭДМ нейтрона в тестовом эксперименте составило Б = (2,5 ± 6,58Ш± 5,5^) •10—24 е-см, что на порядок лучше результата, полученного по деполяризации нейтронного пучка при дифракции по Лауэ для того же самого кристалла кварца [14], и почти на два порядка лучше рекордного для своего времени результата, полученного К.Г. Шаллом и Р. Натансом в первом кристалл-дифракционном эксперименте с использованием брэгговского отражения от центросимметричного поглощающего кристалла [15]. Таким образом, впервые реализована возможность

управлять знаком и величиной электрического поля, действующего на регистрируемые нейтроны. Проведенный анализ показал, что в полномасштабном эксперименте возможно достичь чувствительности на уровне ~ 3-10-25 б^ем за сутки измерения. Предложена новая идея модификации экспериментальной установки с использованием многощелевого суперзеркального поляризатором на основе Ре/81Кх зеркал, позволяющая увеличить чувствительность до уровня ~ 2-10-25 б^ем. Впервые предложена и обоснована возможность использовать накопительный вариант установки, позволяющий увеличить время взаимодействия нейтрона с электрическим полем и реализовать потенциал некоторых кристаллов, имеющих более низкое, чем у кристалла кварца поглощение нейтронов и на порядок большие электрические поля.

Достоверность результатов экспериментальных исследований обусловлена использованием современного математического аппарата квантовой механики, совпадением теоретических расчетов и экспериментальных данных, воспроизводимостью результатов эксперимента. Достоверность результатов, полученных с помощью компьютерного моделирования, обеспечена применением известных и апробированных методик и их физической непротиворечивостью. Положения, выносимые на защиту. Показано, что:

1. Схема эксперимента для поиска ЭДМ нейтрона при прохождении нейтронов через нецентросимметричный кристалл в условиях, близких к брэггов-ским, работает. Полученное в тестовом эксперименте значение ЭДМ нейтрона О = (2,5 ± 6,58Ш± 5,5^)-10-24 б-см. Статистическая чувствительность эксперимента к ЭДМ составила 1,6-10-23 б-см за сутки измерения.

2. С помощью специального кварцевого кристалла-отражателя с регулируемым межплоскостным расстоянием можно управлять знаком и величиной электрического поля, действующего на регистрируемый нейтрон.

3. Предложенная схема эксперимента обладает высокой избирательной спо-

собностью к ЭДМ нейтрона и позволяет исключить ложные эффекты, обусловленные остаточными магнитными полями и швингеровским взаимодействием.

4. В полномасштабном кристалл-дифракционном эксперименте может быть достигнута чувствительность на уровне ~ 3-10-25 e-см за сутки измерения.

5. Использование многощелевым суперзеркальным (SM) поляризатором на основе зеркал Fe/SiNx позволит увеличить чувствительность до уровня ~ 2-10-25 e-см за сутки измерения.

6. Дальнейшее развитие метода может быть связано с использованием других нецентросимметричных кристаллов и накопительного варианта установки, что позволит, в перспективе, поднять чувствительность до уровня несколько единиц на 10-27 e-см за сутки измерения.

Апробация результатов работы и публикаций. Работа выполнена в ФГАОУ ВО «Санкт-Петербугский политехнический университет Петра Великого» с использованием экспериментальной базы ФГБУ «Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова» НИЦ КИ (Россия, г. Гатчина) и Института Лауэ-Ланжевена (ИЛЛ, Франция, г. Гренобль).

Основные результаты работы были представлены на следующих конференциях: Challenges of the World-wide Experimental Search for the Electric Dipole Moment of the Neutron (2014); Совещание и Молодежная конференция по использованию рассеяния нейтронов и синхротронного излучения в конденсированных средах (РНСИ-КС-2014); Конференция молодых ученых и специалистов ПИЯФ НИЦ КИ (КМУС-2014); Молодежная конференция по физике и астрономии для молодых ученых Санкт-Петербурга и Северо-Запада «Физи-кА.СПб» (2010, 2011).

Материалы диссертации опубликованы в 9 работах в российских и зарубежных изданиях (из них 6 работ - в изданиях рекомендованных ВАК РФ) и

в тезисах 8 докладов на научных конференциях, получено 2 патента на изобретение.

Работа проведена при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (НИР № 3.329.2014/К); Комитета по науке и высшей школе «Субсидии в виде гранта для молодых ученых вузов и академических институтов до 35 лет, расположенных на территории Санкт-Петербурга», правительства Ленинградской области «Именная научная стипендия губернатора Ленинградской области».

Личный вклад автора. При участии автора диссертационной работы были поставлены и сформулированы цели и задачи исследования. Автор непосредственно принимал участие в подготовке и проведении эксперимента по поиску ЭДМ нейтрона кристалл-дифракционным методом при прохождении нейтронов через нецентросимметричный кристалл в условиях, близких к брэггов-ским. Самостоятельно обрабатывал и анализировал экспериментальные данные, проводил модельные расчеты возможных систематических эффектов. Автором проведен анализ по увеличению чувствительности в полномасштабном эксперименте, рассмотрены дальнейшие перспективы развития экспериментальной методики.

Список работ, опубликованных по теме диссертации:

1. Способ определения концентрации примесей в монокристалле: пат. 2541700 Рос. Федерация: МПК7 G 01 N 23/20, / Федоров В.В., Кузнецов И.А., Лапин Е.Г., Семенихин С.Ю., Воронин В.В., Брагинец Ю.П., Вежлев Е.О.; заявительиправообладательНИЦ«КИ» ФГБУ«ПИЯФж-N 2013145161/28; заявл. 08.10.13.; опубл. 20.02.15. Бюл. N5.-10 с.: ил.

2. Fedorov, V.V. Search for the Neutron EDM by Crystal-Diffraction Method. Test Experiment and Future Progress / V.V.Fedorov, V.V.Voronin, Yu.P.Bragi-netz // Physica B - 2011. - V. 406. - Р. 2370-2372.

3. Семенихин, С.Ю. Исследование структурного совершенства монокристаллического кварца для эксперимента по поиску ЭДМ нейтрона кристалл-дифракционным методом / С.Ю.Семенихин, Ю.П.Брагинец, В.В.Воронин, И.А.Кузнецов, Е.Г.Лапин, В.В.Федоров, Я.А.Бердников, А.Я.Бердников, Е.О.Вежлев//ЖТФ. -2011. -Т.81.-вып.3.-С.71-79; Technical Physics.-2011. - V. 56. - N. 3. - P. 386-394.

4. Fedorov, V.V. Measurement of the Neutron Electric Dipole Moment via Spin Rotation in a Non-Centrosymmetric Crystal / V.V.Fedorov, M.Jentschel, I.A.Kuznetsov, E.G.Lapin, E.Lelie'vre-Berna, V.Nesvizhevsky, A.Petoukhov, S.Yu.Semenikhin, T.Soldner, V.V.Voronin, Yu.P.Braginetz // Phys. Lett. B. -2010.- V. 694. - P. 22-25.

5. Способ определения относительного изменения межплоскостных расстояний совершенных кристаллов: пат. 2394228 Рос. Федерация МПК7 G 01 N 23/20 / Федоров В.В., Кузнецов И.А., Лапин Е.Г., Семенихин С.Ю., Воронин В.В., Брагинец Ю.П., Амосов К.Ю.; заявитель и правообладатель УРАН ПИЯФ РАН. - N 2009104107/28; заявл. 03.02.09.; опубл. 10.07.10. Бюл. N19.-8 с.: ил.

6. Fedorov, V.V. Measurement of the Neutron Electric Dipole Moment by Crystal Diffraction / V.V.Fedorov, M.Jentschel, I.A.Kuznetsov, E.G.Lapin, E.Lelie'vre-Berna, V.Nesvizhevsky, A.Petoukhov, S.Yu.Semenikhin, T.Soldner, F.Tasset, V.V.Voronin, Yu.P.Braginetz // Nuclear Inst. and Methods in Physics Research A. - 2009. - V. 611. - P. 124-128.

7. Fedorov, V.V. Perspectives for nEDM Search by Crystal Diffraction. Test Experiment and Results / V.V.Fedorov, M.Jentschel, I.A.Kuznetsov, E.G.Lapin, E.Lelie'vre-Berna, V.Nesvizhevsky, A.Petoukhov, S.Yu.Semenikhin, T.Soldner, V.V.Voronin, Yu.P.Braginetz// Nuclear Phys.A.-2009.-V.827.-P.538-540.

8. Семенихин, С.Ю. Анализ совершенства кристаллов кварца для эксперимента по поиску ЭДМ нейтрона кристалл-дифракционным методом / С.Ю.Семенихин, Ю.П.Брагинец, В.В.Воронин, И.А.Кузнецов, Е.Г.Лапин, В.В.Федоров, Я.А.Бердников, А.Я.Бердников, Е.О.Вежлев. // Препринт ПИЯФ-2818. - Гатчина, 2009. - 33 с.

9. Fedorov, V.V. Neutron Volumetric Test of Interplanar Distances of Highly Perfect Crystals / V.V.Fedorov, I.A.Kuznetsov, E.G.Lapin, S.Yu.Semenikhin, V.V.Voronin, Yu.P.Braginetz, K.Yu.Amosov // Nuclear Inst. and Methods in Phys. Research A. - 2008. - V. 593. -P. 472-474.

10. Fedorov, V.V. Test Experiment for the Neutron EDM Search by Crystal-Difrac-tion Method /V.V.Fedorov, M.Jentschel, I.A.Kuznetsov, E.G.Lapin, E.Lelie'vre-Berna, V.Nesvizhevsky, A.Petoukhov, S.Yu.Semenikhin, T.Soldner, F.Tasset, V.V.Voronin,Yu.P.Braginetz. // PNPI preprint-2818.-Gatchina, 2008.-20p.

11. Fedorov, V.V. Neutron Volumetric Analysis of a High Perfect Crystal Quality / V.V.Fedorov, I.A.Kuznetsov, E.G.Lapin, S.Yu.Semenikhin, V.V.Voronin, Yu.P.Braginetz, K.Yu.Amosov. // PNPIpreprint-2748. -Gatchina, 2007.-11 p.

Глава 1

Обзор методов поиска ЭДМ нейтрона

На сегодняшний день известно два метода поиска ЭДМ нейтрона: магни-торезонансный и кристалл-дифракционный. Чувствительность метода к ЭДМ нейтрона определяется формулой:

а-1 « Е • т(1.1)

где Е - величина электрического поля, приложенного к нейтрону, т - время пребывания нейтрона в этом поле, N - полное число накопленных событий.

Для магниторезонансного метода с использованием УХН максимально достижимая величина электрического поля ограничена свойствами изолирующих материалов, в эксперименте [16] она составила Е ~ 10 ^ 15 кВ/см, а время пребывания нейтрона в электрическом поле ограниченно временем жизни нейтрона тп ~ 1000 с. Таким образом, максимально достижимая чувствительность метода Е • т ~ 107 (Б-е)/см. В современных экспериментах она составляет Е • т ~ 106 (В-с)/см. Дальнейший прогресс магниторезонансного метода на УХН в основном связан с увеличением плотности потока и объема хранимых нейтронов.

Сравнительно недавно появилась альтернатива магниторезонансному методу - кристалл-дифракционный метод с использованием нецентросимметрич-ных кристаллов. Суть метода состоит в том, что в нецентросимметричном кри-

сталле на нейтрон действует электрическое поле величиной Е ~ (108—109) В/см [17], что на 4-5 порядков большее, чем максимально достижимое электрическое поле в магниторезонансном методе. Однако время пребывания нейтрона в электрическом поле ограниченно временем поглощения нейтронов в кристалле та. В результате, чувствительность метода к ЭДМ Е • т ~ 107 (Б-е)/см оказывается того же порядка, что и для магниторезонанс-ного метода с использованием УХН. Таким образом, кристалл-дифракционный метод является конкурентоспособной альтернативой магнитнорезонансного и в случае обнаружения ненулевого ЭДМ у нейтрона может служить контрольным опытом, так как иной метод будет иметь другие систематические эффекты.

1.1 Магниторезонансный метод

Почти все эксперименты по поиску ЭДМ нейтрона были основаны на использовании магниторезонансного метода. В его основе лежит известный метод, примененный Л.У. Альварецем и Ф.А. Блохом для измерения магнитного момента нейтрона [18], усовершенствованный Н.Ф. Рамзеем [12], который предложил для увеличения чувствительности использовать раздельные осциллирующие поля. Для поиска ЭДМ нейтрона методом Рамзея используются пучок поляризованных нейтронов и магниторезонансный спектрометр с раздельными осциллирующими полями. Однако помимо однородного магнитного поля в промежутке между катушками прикладывается сильное электрическое поле.

Рассмотрим более подробно принцип работы магниторезонансного спектрометра используемого в эксперименте Дж.Г. Смита, Е.М. Парсела и Н.Ф. Рамзея [12]. Пучок поляризованных нейтронов проходит через радиочастотную катушку, создающую осциллирующее с частотой ларморовской прецессии переменное магнитное поле. Это поле поворачивает спин нейтрона в плоскость перпендикулярную направлению постоянного магнитного поля. Да-

лее происходит свободная прецессия спина в области между радиочастотными катушками с однородными магнитным и электрическим полями, перпендикулярными друг другу. Магнитный момент нейтрона, взаимодействуя с магнитным полем, дает основной вклад в суммарную энергию взаимодействия нейтрона с электрическим и магнитным полями. В отсутствии ЭДМ нейтроны прецессируют с ларморовской частотой вокруг направления магнитного поля, и с этой же частотой вращается магнитное поле в радиочастотных катушках на входе и выходе спектрометра, то есть угол между спином и магнитным полем в катушках сохраняется. Если нейтрон обладает ЭДМ, то взаимодействие с электрическим полем приведет к дополнительному повороту спина нейтрона за счет того, что частота прецессии не будет совпадает с частотой вращения поля, рассогласование между этими частотами и фиксируется во второй катушке.

Угол поворота прецессирующего спина зависит от резонансной частоты и от среднего времени пребывания нейтрона в электрическом и магнитном полях. Изменение угла поворота спина при реверсе электрического поля непосредственно содержит информацию об ЭДМ нейтрона.

Основной ложный эффект, в установках такого типа, возникал за счет непараллельности магнитного и электрического полей. Если параллельность нарушена, то взаимодействие магнитного момента движущегося нейтрона с электрическим полем приведет к появлению швингеровского магнитного поля и, как следствие, к дополнительному изменению резонансной частоты. Отделить этот эффект от истинного ЭДМ можно поворотом всей установки на 1800, так как этот ложный эффект зависит от направления скорости нейтрона.

Такие магниторезонансные спектрометры назывались пучковыми спектрометрами проточного типа на тепловых нейтронах. Лучший результат, на установках такого типа, был получен У.Б. Дрессом, П.Д. Миллером и другими и в работе [19]. Установленный верхний предел для ЭДМ нейтрона составил В < 3-10-24 есм.

Дальнейшее улучшение метода было связанно с идеей Ф.Л. Шапиро использовать для поиска ЭДМ нейтрона ультрахолодные нейтроны, и созданием источников УХН [20,21]. Первый эксперимент с использованием УХН для поиска ЭДМ нейтрона был поставлен в 1980 году группой В.М. Лобашева в Ленинградском институте ядерной физики им. Б.П. Константиновна (ЛИЯФ, Гатчина, Россия) на реакторе ВВР-М [22,23]. В эксперименте использовался магниторезонансный спектрометр проточного типа, время удержания УХН составило 5 с, вместо 10—2 с как это было в работе [19]. Результаты измерений дали ограничение на величину ЭДМ нейтрона О < 4-10—225 е-см. Главное отличие нового спектрометра заключалось в том, что он состоял из двух камер хранения (пролета) УХН с противоположными электрическими полями в каждой из ее частей для исключения ложных эффектов, связанных с непараллельностью электрических и магнитных полей. По-прежнему величина ЭДМ нейтрона оценивалась по изменению резонансной частоты при обращении направления электрического поля. Использование такого спектрометра с двойной камерой и четырех детекторов, позволяющих детектировать одновременно нейтроны, имеющие поляризацию противоположных знаков независимо для каждой из половин, при регулярном реверсе электрического поля, чрезвычайно симметризовали установку и делали ее устойчивой ко всякого рода случайным возмущениям. Дальнейшее улучшение метода было связанно с использованием спектрометра с длительным временем удержания УХН в замкнутой камере [24]. Время удержания УХН в таком спектрометре составляло уже 100 с. Этот спектрометр, также как и проточный спектрометр на УХН, имел две камеры хранения. Для уменьшения нестабильности магнитного поля камеру спектрометра помещали в многослойный магнитный экран, а магнитное поле внутри экрана стабилизировали с помощью прецизионных цезиевых магнитометров на оптической накачке. В 2014 г. группой из Петербургского института ядерной физики им. Б.П. Константиновна (ПИЯФ, Гатчина, Россия) совместно

с Институтом Лауэ-Ланжевена и Физико-техническим институтом им. Иоффе (ФТИ, Санкт-Петербург, Россия) достигнуто ограничение на величину ЭДМ D < 5,540-26 e-см [25], эксперимент был проведен на пучке УХН PF2 реактора ИЛЛ. Напряженность электрического поля 10 ^ 15 кВ/см [16,26]. В настоящее время эта установка монтируется на новую пучковую позицию на реакторе ИЛЛ, где планируется увеличить чувствительность за счет увеличения плотности потока УХН и в ближайшее время улучшить результат.

На сегодняшний день лучшее ограничение на величину ЭДМ нейтрона было получено коллаборацией университета Сассекс (Брайтон, Великобритания), Резерфордовской лабораторий (Оксфордшир, Великобритания) и ИЛЛ на пучке УХН реактора ИЛЛ. Основное отличие их установки от описанной выше заключается в использовании спектрометра с одной накопительной камерой, в котором входное и выходное отверстие совпадают, а также в использовании одного детектора на выходе. Для маниторинга магнитных условий использовался ртутный комагнитометр, при этом поляризованные атомы ртути находились в одном объёме с УХН, что, при наличии градиента магнитного поля, могло приводить к систематической ошибке. Время удержания нейтронов в камере составляло ~ 150 с [27]. На 2005 г. предел на ЭДМ нейтрона, полученный этой коллаборацией, D < 2,940-26 e-см [13]. Это одна из самых высоких точностей, достигнутых в мире к настоящему времени. На данный момент эта установка установлена на новую пучковую позицию в Paul Scherrer InstitutP (PSI, Швейцария).

Дальнейшие перспективы развития магниторезонансного метода связаны с созданием нового поколения источников УХН на сверхтекучем 4He.

1.2 Кристалл-дифракционный метод

Первый кристалл-дифракционный эксперимент по поиску ЭДМ нейтрона был проведен в 1967 г. К.Г. Шаллом и Р. Натансом [15]. В своей работе они использовали брэгговское отражение от центросимметричного поглощающего кристалла CdS. В непоглощающем центросимметричном кристалле ядерная структурная амплитуда чисто вещественна, а электромагнитная амплитуда чисто мнимая, поскольку обусловлена взаимодействием магнитного момента или ЭДМ нейтрона с электрическим полем (градиентом потенциала). Поэтому интерференция между ними отсутствует и сечение будет равно сумме квадратов этих амплитуд. Таким образом, не возникает спиновая зависимость сечения. К.Г. Шалл обратил внимание на то что в поглощающем кристалле имеется мнимая часть ядерной амплитуды, ее интерференция с электромагнитной амплитудой приводит к спиновой зависимости сечения рассеяния на поглощающем кристалле и, соответственно интенсивности рассеянной волны. В электромагнитное взаимодействие вносят вклад две компоненты: первая возникает за счет швингеровского взаимодействия магнитного момента нейтрона с электрическим полем ядра, вторая за счет взаимодействия ЭДМ нейтрона и электрического поля. В работе [15] использовался рабочий кристалл CdS, у которого вещественные части ядерных амплитуд Cd и S имеют противоположные знаки, тем самым уменьшается вещественная часть ядерной амплитуды, что увеличивает чувствительность метода. Неточность ориентации кристалла относительно магнитного поля приводит к возникновению ложного эффекта за счет швингеров-ского взаимодействия. Поскольку амплитуда швингеровского взаимодействия меняет знак при изменении направления скорости нейтрона, а взаимодействие, обусловленное ЭДМ нейтрона, от скорости не зависит, то переворачивая кристалл на 1800 можно заставить нейтроны двигаться относительно установки в противоположном направлении. Ограничение на величину ЭДМ нейтрона, по-

лученное в этом эксперименте, составило О < 5-10—222 е-см.

Второй эксперимент по поиску ЭДМ нейтрона кристалл-дифракционным методом был поставлен в 2003 г. группой из ПИЯФ совместно с ИЛЛ [14], то есть почти через 40 лет после эксперимента К.Г. Шалла и Р. Натансона. В этой работе был реализован метод поиска ЭДМ нейтрона, основанный на его взаимодействии с сильным электрическим внутрикристаллическим полем нецен-тросимметричного кристалла. В нецентросимметричном кристалле электромагнитная структурная амплитуда содержит дополнительную фазу, что приводит к появлению вещественной части электромагнитной структурной амплитуды и к ее интерференции с вещественной ядерной амплитудой в непоглощающем (прозрачном) кристалле [28-30]. Такая интерференция приводит к возникновению сильных постоянных внутрикристаллических электрических полей, перпендикулярных кристаллографическим плоскостям, действующих на нейтрон в кристалле. Величина этих электрических полей может достигать 109 В/см [17]. В эксперименте [14] была реализована схема дифракции по Лауэ, когда граница кристалла перпендикулярна атомным плоскостям. Переходя в такой схеме к углам Брэгга вв близким к п/2 можно увеличить время пребывания нейтрона в электрическом поле кристалла [31,32].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Брагинец, Юлия Петровна, 2016 год

Литература

[1] Wu, C.S. Further Experiments on в Decay of Polarized Nuclei / C.S.Wu, E.Ambler, R.W.Hayward, D.D.Hoppes, R.P.Hudson // Phys. Rev. - 1957. -V. 106. - P. 1361-1363.

[2] Lee, T.D. Question of Parity Conservation in Weak Interactions / T.D.Lee, C.N.Yang // Phys. Rev. - 1956. - V. 104. - P. 254-258.

[3] Lee, T.D. Parity Nonconservation and a Two-Component Theory of the Neutrino./ T.D.Lee, C.N.Yang // Phys. Rev. - 1957/ - V. 105. - P. 1671-1675.

[4] Ландау, Л.Д. О законах сохранения при слабых взаимодействиях / Л.Д.Ландау // ЖЭТФ. - 1957. - Т.3. - С. 127-131.

[5] Christenson, J.H. Evidence for the 2n Decay of the K° Meson / J.H.Christenson, J.W.Cronin, V.L.Fitch, R.Turlay // Phys. Rev. Lett. - 1964. -V. 13 - P. 138-140.

[6] Abe, K. Observation of Large CP Violation and Evidence for Direct CP Violation in B° > n+n- Decays / K.Abe, et. al. (Belle Collaboration) // Phys. Rev. Lett. - 2004. - V. 93. - 021601.

[7] Aubert, B Direct CP Violating Asymmetry in B°,K+n- Decays / B.Aubert, R.Godang et al. (BABAR Collaboration) // Phys. Rev. Lett. - 2004. - V. 93. -131801.

[8] Сахаров, А.Д. Нарушение СР-инвариантности, С-асимметрия и барионная асимметрия Вселенной / А.Д.Сахаров // Письма в ЖЭТФ. - 1967. -Т. 5.-С. 32-35.

[9] Havens, W. W. Interaction of Neutrons with Electrons in Lead / W.W. Havens, I.I.Rabi, L.J.Rainwater // Phys. Rev. - 1947. - V. 72. - P. - 634-636.

[10] Fermi, E. On the Interaction between Neutrons and Electrons. / E.Fermi, L.Marshall // Phys. Rev.- 1947. - V.72. - P. 1139-1146.

[11] Purcell, E.M. On the Possibility of Electric Dipole Moments for Elementary Particles and Nuclei. / E.M.Purcell, N.F.Ramseym // Phys. Rev. - 1950. -V. 78. - P. 807.

[12] Smith, J.H. Experimental Limit to the Electric Dipole Moment of the Neutro / J.H. Smith, E.M.Purcell, N.F.Ramseym // Phys. Rev. - 1957. - V. 108. -P. 120-122.

[13] Baker, С.А. Improved Experimental Limit on the Electric Dipole Moment of the Neutron / C.A.Baker, D.D.Doyle, P.Geltenbort P.Geltenbort, K.Green, M.G.D. van der Grinten, P.G.Harris, P.Iaydjiev, S.N.Ivanov, D.J.R.May, J.M.Pendlebury, J.D.Richardson, D.Shiers, and K.F.Smith // Phys.Rev. - 2006. -V. 97. - 131801.

[14] Fedorov, V.V. Test Experiment to Search for a Neutron EDM by the Laue Diffraction Method / V.V.Fedorov, E.G.Lapin, E.Lelievre-Berna, V.Nesvizhevsky, A.Petoukhov, S.Yu.Semenikhin, T.Soldner, F.Tasset, V.V.Voronin // Physics Letters B. - 2005. - arXiv:hep-ex/0512064.

[15] Shull, C.G. Search for a Neutron Electric Dipole Moment by a Scattering Experiment. / C.G.Shull, R.Nathans // Phys. Rev. -1967. - V. 19. - P. 384-386.

[16] Серебров, А.П. Фундаментальные исследования с ультрахолодными нейтронами / А.П.Серебров // Вестник Российской Академии Наук. - 2009. -Т. 79. - С. 23-35.

[17] Алексеев, В.Л. Измерение сильного электрического внутрикристалличе-ского поля в швингеровском взаимодействии дифрагирующих нейтронов / В.Л.Алексеев, В.В.Воронин, Е.Г.Лапин, Е.К.Леушкин, В.Л. Румянцев, О.И. Сумбаев, В.В.Федоров // ЖЭТФ. - 1989. - Т. 96. - С. 1921-1926.

[18] Alvarez, L.W. A Quantitative Determination of the Neutron Moment in Absolute Nuclear Magnetons / L.W.Alvarez, F.Bloch // Phys. Rev. - 1940. -V. 57. - P. 111-122.

[19] Dress, W.B. Search for an Electric Dipole Moment of the Neutron / W.B.Dress, P.D.Miller, J.M.Pendlebery, P. Perrin, N.F.Ramsey // Phys. Rev. D - 1977. -V. 15 - P. 9-21.

[20] Шапиро, Ф.Л. Электрический дипольный момент элементарных частиц / Ф.Л.Шапиро // Материалы III-ей Зимней школы по теории ядра и физики высоких энергий ФТИ. - 1968. - С. 14-38; УФН. - 1968. - Т. 95. - С. 145-158.

[21] Зельдович, Я.Б. Хранение холодных нейтронов / Я.Б.Зельдович // ЖЭТФ. - 1959. - Т. 36. - С. 1952-1953.

[22] Серебров, А.П. ЭДМ нейтрона и ультрахолодные нейтроныъ / А.П.Серебров // Материалы XIV зимней школы ЛИЯФ. - Ленинград, 1979. - С. 3-27.

[23] Lobashev, V.M. An Experimental Search for the Neutron Electric Dipole Moment: Results and Prospects of Refinement / V.M.Lobashev, A.P.Serebrov // J. Physique Colloq. - 1984. - V. 45. - C. 3-11.

[24] Алтарев, И.С. Поиск электрического дипольного момента нейтрона / И.С.Алтарев, Ю.В.Борисов, Н.В. Боровикова, А.Б.Брандин, А.И.Егоров, С.Н.Иванов, Э.А.Коломенский, М.С.Ласаков, В.М.Лобашев, А.Н.Пирожков, А.Р.Серебров, Ю.В.Соболев, Р.Р.Тальдаев,

E.В.Шульгина// Письма в ЖЭТФ. - 1986. - Т. 44. - Вып. 8. - С.360-363.

[25] Serebrov, A.P. New Measurements of Neutron Electric Dipole Moment /

F.P.Serebrov, E.A.Kolomensky, A.N.Pirozhkov, I.A.Krasnoschekova, A.V.Vassiljev, M.S.Lasakov, A.K.Fomin, I.V.Shoka, V.A.Solovey, O.M.Zherebtsov, P.Geltenbort, S.N.Ivanov, O.Zimmer, E.B. Alexandrov, S.P.Dmitriev, N.A.Dovator // Pis'ma v ZhETF. - 2014. - V. 99. - Iss. 1. -P. 7-11.

[26] Altarev, I.S. Search for the Neutron Electric Dipole Moment / I.S.Altarev, Yu.V.Borisov, N.V.Borovikova, A.I.Egorov, S.N.Ivanov, E.A.Kolomensky, M.S.Lasakov, V.M.Lobashev, V.A.Nazarenko, A.N.Pirozhkov, A.P.Serebrov, Yu.V.Sobolev, E.V.Shulgina // Physics of Atomic Nuclei. - 1996. - V. 59. -Iss. 7. - P. 1152-1170.

[27] Мостовой, Б.А. Нейтрон вчера, сегодня завтра / Б.А.Мостовой, К.Н.Мухин, О.О.Патаракин // УФН. - 1996. - Т. 166. - Вып. 9. -С. 987-1022.

[28] Абов, Ю.Г. Поляризованные медленные нейтроны / Ю.Г.Абов, А.Д.Гулько, П.А.Крупчицкий - Москва: Атомиздат, 1966. - 256 с.

[29] Алексеев, В.Л. Гравитационный эффект при дифракции нейтронов на изогнутом кварцевом монокристалле / В.Л.Алексеев, Е.Г.Лапин, Е.К.Леушкин, В.Л.Румянцев, О.И.Сумбаев, В.В.Федоров // Препринт ЛИЯФ-1369. - Ленинград, 1988. - 29 с.; ЖЭТФ. - 1988. - Т. 94. - С. 371-383.

[30] Alexeev, V.L. Observation of a Strong Interplanar Electric Field in a Dynamical Diffraction of a Polarized Neutron / V.L.Alexeev, V.V.Fedorov, E.G.Lapin, E.K.Leushkin, V.L.Rumiantsev, O.I.Sumbaev, V.V.Voronin // Nucl. Instr. and Meth. A - 1989. - V. 284. - P. 181-183.

[31] Федоров, В.В. О возможности поиска ЭДМ нейтрона при дифракции в нецентросимметричном кристалле / B.B.Федоров Материалы XXVI Зимней школы ЛИЯФ (физ. элем. частиц). - Ленинград, 1991. - C. 65-118.

[32] Fedorov, V.V. On the Search for Neutron EDM Using Laue Diffraction by a Crystal Without a Centre of Symmetry / V.V.Fedorov, V.V.Voronin,

E.G.Lapin // J. Phys. G. - 1992. - V. 18. - P. 1133-1148.

[33] Tasset, F. Spherical Polarimetry on the Three-Axis Spectrometer IN22 /

F.Tasset, P.J.Brown, E.Lelie'vre-Berna, T.Roberts, S.Pujol, J.Allibon, E.Bourgeat-Lami // Physica B. - 1999. - V. 267-268. - P. 69-74.

[34] Fedorov, V.V. Perspectives for nEDM Search by Crystal Diffraction. Test Experiment and Results / V.V.Fedorov, M.Jentschel, I.A.Kuznetsov, E.G.Lapin, E.Leli'evre-Berna, V.Nesvizhevsky, A.Petoukhov, S.Yu.Semenikhin, T.Soldner, F.Tasset, V.V.Voronin, Yu.P.Braginetz // Nuclear Physics A. -2009.- V. 827. - P. 538-540.

[35] Fedorov, V.V. Measurement of the Neutron Electric Dipole Moment by Crystal Diffraction / V.V.Fedorov, M.Jentschel, I.A.Kuznetsov, E.G.Lapin,

E.Leli'evre-Berna, V.Nesvizhevsky, A.Petoukhov, S.Yu.Semenikhin, T.Soldner,

F.Tasset, V.V.Voronin, Yu.P.Braginetz // Nuclear Inst. and Methods in Physics Research A. - 2009. - V. 611. - P. 124-128.

[36] Хирш, П. Электронная микроскопия тонких кристаллов / П. Хирш, А. Хови, Р. Николсон, Д. Пэшли, М. Уэлан. - Москва: Мир, 1968. - 575 с.

[37] Федоров, В.В. Нейтронная физика. Учебное пособие / В.В.Федоров - СПб.: ПИЯФ, 2004. - 334 с.

[38] Goldberger, M.L. Theory of the Refraction and the Diffraction of Neutrons by Crystals / M.L.Goldberger, F.Seit // Phys. Rev. - 1947. - V. 71. - P. 294-310.

[39] Ewald, P.P. Zur Theorie der Interferenzen der Rentgenstrahlen in Kristallen / P.P.Ewald // Phys. Z. - 1913. - V. 14. - P. 465-472.

[40] Darwin, C.G. The Theory of X-ray Reflexion / C.G.Darwin // Philosophical Magazine. - 1914. - V. 27. - P. 315-333.; Darwin, C.G. The theory of X-ray reflexion. Part II. / C.G.Darwin // Philosophical Magazine. - 1914. - V. 27. -P. 675-690.

[41] Friedrich, W. Interferenzerscheinungen bei Rentgenstrahlen / W.Friedrich, P.Knipping, M.Laue // Sitzber. Math.-Phys. Kh Bauer. Akad. Wiss. - 1912. -P. 303-322.

[42] Sears, V.F. Fundamental Aspects of Neutron Optics / V.F.Sears // Phys. Rep.-1982. - V. 82. - P. 1-29.

[43] Rauch, H. Dynamical Neutron Difiaction, in Neutron Diffraction, edited by H. Dachs / H.Rauch, D.Petrascheck // Topics in Current Physics. - 1978. - V. 6.-P. 303-351.

[44] Bonse, U. Present State of X-ray Interferometry / U.Bonse //in Proceedings of the 5th International Congress on X-Ray Optics and Microanalysis. Springer. -Berlin, 1969. - P. 1.

[45] Fedorov, V.V. Neutron Spin Optics in Noncentrosymmetric Crystals as a New Way for nEDM Search / V.V.Fedorov, I.A.Kuznetsov, E.G.Lapin, S.Yu.Semenikhin, V.V.Voronin // Nucl. Instr. and Meth. B. - 2006. - V. 252.-No 1. - P. 131-135.

[46] А.А. Блистанов, А.А. Акустические кристаллы; под ред. М.П. Шаскольской / А.А.Блистанов, В.С.Бондаренко, Н.В.Переломова, Ф.Н.Стрижевская, В.В.Чкалов, М.П.Шаскольская. - Москва: Наука, 1982. - 632 с.

[47] Tasset, F. Spherical Neutron Polarimetry with Cryopad-II / F.Tasset, P.J.Brown, E.Lelie'vre-Berna, T.Roberts, S.Pujol, J.Allibon, E.Bourgeat-Lami // Physica B. - 1999. - V. 267-268. - P. 69-74.

[48] Семенихин, С.Ю. Анализ совершенства кристаллов кварца для эксперимента по поиску ЭДМ нейтрона кристалл-дифракционным методом / С.Ю.Семенихин, Ю.П.Брагинец, В.В.Воронин, И.А.Кузнецов, Е.Г.Лапин, В.В.Федоров, Я.А.Бердников, А.Я.Бердников, Е.О.Вежлев // Препринт ПИЯФ-2818. - Гатчина, 2009. - 33 с.

[49] Воронин, В.В. Дифракция нейтронов и другие нейтронооптические эффекты в нецентросимметричных кристаллах и их использование для исследований в области фундаментальной физики: дис.... д-ра. физ.-мат. наук: 01.04.16 / Воронин Владимир Владимирович. - СПб. - 2006. - 180 с.

[50] Семенихин С.Ю. Исследование совершенства структуры монокристаллов методом нейтронной дифракции для экспериментов по изучению фундаментальных свойств нейтрона: дис.... канд. физ.-мат. наук: 01.04.01 / Семенихин Сергей Юрьевич. - СПб. - 2011. - 91 с.

[51] Способ определения относительного изменения межплоскостных расстояний совершенных кристаллов: пат. 2394228 Рос. Федерация МПК7 G 01 N 23/20 / Федоров В.В., Кузнецов И.А., Лапин Е.Г., Семенихин С.Ю., Воронин В.В., Брагинец Ю.П., Амосов К.Ю.; заявитель и правообладатель УРАН ПИЯФ РАН. - N 2009104107/28; заявл. 03.02.09.; опубл. 10.07.10. Бюл. N19.-8 с.: ил.

[52] Hoghoj, P. Graf Neutron Polarizing Fe/SiNx Mirrors at ILL/ P.Hoghoj, I.Anderson, K.Ben-Saidane, W. // Physica B: Condensed Matter. - 1999. -V. 267-268. - P. 355-359.

[53] Jaeke, M.R. New Measurements with a Perfect Crystal Cavity for Neutrons / M.R.Jaekel, C.J.Carlile, E.Jericha, D.E.Schwab, H.Rauch // Proceedings of SPIE. X-Ray and Neutron Proceedings of SPIE adn Sources - 1999. - V. 3767. -P. 353-359.