Диссертация (1149463), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Кобаяси (M. Kobayashi) иТ. Маскава (T. Maskawa) дополнили Стандартную модель, введя в рассмотрение CKM-матрицу для описания смешивания кварков при слабом взаимодействии [61]. При помощи CKM-матрицы в СМ также описывается нарушение CP-симметрии, но предсказанная барионная асимметрия оказывается на несколько порядков меньше, чем наблюдаемая в реальности [43].Таким образом, в рамках Стандартной модели нельзя объяснить преобладание материи над антиматерией.Для разрешения этого вопроса было построено множество теорий такназываемой физики за пределами Стандартной модели (или Новой физики): мульти-Хиггс теория Вайнберга (Weinberg multi-Higgs) [109], теориилевой-правой симметрии [75, 79], суперсимметричные теории [110, 34, 72],и др.
Все эти теории способны устранить затруднения СМ, но ни одной изних до сих пор не найдено экспериментальных подтверждений.Одним из возможных свидетельств нарушения CPT-инвариантностиявляется существование электрического дипольного момента (ЭДМ) эле9барионное число — разница между количеством кварков (nq ) и антикварков (nq̄ ), B = (nq − nq̄ )/3IMB — Irvine-Michigan-Brookhaven — завершенный в 1991 г.
эксперимент университета Калифорниив Ирвайне, университета Мичигана и Брукхейвенской национальной лаборатории, США11ILL — Institute Laue-Langevin — Институт Лауэ-Ланжевена, Гренобль, Франция108ментарных частиц. Любой объект, имеющий заряд, распределенный в объеме V с плотностью ρ(r)12 , имеет ЭДМ:Zd=rρ(r)d3 r,Vгде d3 r — элемент объема V . В простом случае системы, состоящей издвух заряженных точек с зарядами q и −q (например, молекулы фторидаводорода HF, или хлорида натрия NaCl), вектор ЭДМ имеет следующеевыражение:d = q · r,где r — вектор, направленный от отрицательного заряда к положительному.Как известно, элементарные частицы обладают собственным магнитным моментомµ, который обусловлен существованием собственного механического момента — спина S:µ = g · µ0 · S,где g — гиромагнитное соотношение, а µ0 —магнетон Бора [54].Существование ЭДМ элементарных частиц нарушает P-симметрию (инвариантность четности) и T-симметрию (инвариантность относительно обращения времени) [82].Рис.
1. Демонстрациянарушения P- и T-симметрийпри наличии ЭДМ(иллюстрация А. Кнехта(A. Knecht) [60])На рис. 1 представлена иллюстрация этого процесса. Синей стрелкой обозначено «вращение» частицы, т. е. магнитный момент, который является12здесь и далее векторные величины обозначены полужирным шрифтом9осью вращения и направлен соответственно спину. Знаками «+» и «-»обозначены положительный и отрицательный заряды, а вектор ЭДМ направлен от отрицательного заряда к положительному и обозначен краснойстрелкой.
После преобразования четности «вращение» (спин) частицы неизменяется, а вектор ЭДМ меняет свое направление, таким образом нарушается P-симметрия. При инверсии времени спин частицы (и магнитный момент µ) меняет направление на противоположное, но вектор ЭДМнаправлен в ту же сторону, что и до преобразования, следовательно Tсимметрия также нарушена. Из CPT-теоремы следует, что нарушение PTсимметрии влечет также нарушение CP-симметрии.В 1957 г.
был предложен способ для измерения ЭДМ нейтрона [100],а в настоящее время проводится множество экспериментов по измерениюЭДМ элементарных частиц. В качестве примеров можно привести эксперименты по измерению ЭДМ на ультрахолодных нейтронах, проводимые вILL [9], FRM-II13 [7], ПИЯФ14 ; эксперименты по измерению ЭДМ электронав ICL15 , используя молекулы YbF [103], в Гарварде, используя молекулыThO [104], и другие. Планируются эксперименты по измерению ЭДМ мюона в J-PARC16 [58] и Fermilab17 [63], ЭДМ протона в BNL18 [101], ЭДМдейтрона в IKP FZJ19 [66].Современный интерес к измерению ЭДМ обусловлен прежде всего тем,что СМ предсказывает крайне малые величины ЭДМ, например ЭДМ нейтрона |dn | ∼ 10−32 ÷ 10−31 e · см, ЭДМ электрона |de | < 10−40 e · см, ЭДМ13FRM-II — Forschungsreaktor München II — Исследовательский реактор в Мюнхене, ГерманияПИЯФ — Петербургский институт ядерной физики им.
Б. П. Константинова, Гатчина, Россия15ICL — Imperial College London — Имперский колледж Лондона, Великобритания16J-PARC — Japan Proton Accelerator Research Complex — исследовательский протонный ускорительный комплекс, Токай, Япония17Fermilab — Национальная ускорительная лаборатория им. Энрико Ферми, Чикаго, Иллинойс, США18BNL — Brookhaven National Laboratory — Брукхейвенская национальная лаборатория, Аптон, НьюЙорк, США19IKP FZJ — Institut für Kernphysik Forschungszentrum Jülich — Институт ядерной физики исследовательского центра г.
Юлих, Германия1410мюона |dµ | < 10−38 e · см [59]. В то же время, предложенные теории физикиза пределами Стандартной модели предсказывают существование ЭДМ напорядки выше, чем СМ, например суперсимметричные теории оцениваютЭДМ нейтрона как |dn | ∼ 10−30 ÷ 10−26 [101]. Таким образом, измерениеЭДМ послужит подтверждением теорий Новой физики и, в конечном счете,даст ключ к разгадке тайны образования Вселенной. Несмотря на прикладываемые усилия, ЭДМ ни одной элементарной частицы до сих пор не былобнаружен, хотя точность проводимых экспериментов значительно улучшилась.
На настоящее время верхние пределы ЭДМ для различных частиц измерены со следующей точностью: ЭДМ электрона |de | < 10−29 e · см(с достоверностью 90%) [104], ЭДМ нейтрона |dn | < 2.9·10−26 e·см (с достоверностью 90%) [9], ЭДМ мюона |dµ | < 1.8 · 10−19 e · см (с достоверностью95%) [11], ЭДМ протона |dp | < 5.4 · 10−24 e · см (без статистической оценки) [36].Сложность измерения столь малых величин заключается в том числе и в необходимости накопления достаточного количества статистическихданных, чтобы обеспечить приемлемый уровень достоверности. В 2004 году для измерения ЭДМ протона предложен метод, получивший названиеметода «замороженного спина» [42].
Он основан на том факте, что спин частицы с определенной («магической») энергией в кольце, состоящем толькоиз электростатических элементов, изменяет свое значение («поворачивается») только за счет ЭДМ, взаимодействующего с электрическим полем.Для измерения ЭДМ протона предложено сконструировать электростатическое кольцо с радиусом ∼ 40 м и электрическим полем ∼ 10 МВ/м между пластинами, разделенными на ∼ 3 см. В кольцо инжектируется пучок сгоризонтальной поляризацией, а при длительном удержании пучка протонов в кольце появляется вертикальная поляризация из-за ЭДМ, которуюможно измерить при помощи поляриметра.11детектормишеньдефлекторпучокРис. 2.
Схема поляриметра [101]Поляриметр основан на принципе упругого рассеяния протонов на углеродной мишени [73]. В зависимости от поляризации частицы детекторрегистрирует либо поляризацию в плоскости U–D (Up–Down), либо в плоскости L–R (Left–Right). Чувствительность поляриметра зависит от количества зарегистрированных событий детектором. Преимуществом использования накопительного кольца для измерения ЭДМ является тот факт, чтов кольце одновременно находится большое количество частиц, таким образом при помощи современного поляриметра можно измерить вертикальнуюполяризацию с эффективностью 1% [101].В предложенном эксперименте планируется достигнуть точности в измерении ЭДМ протона на уровне 10−29 e · см, что превосходит предыдущиеэксперименты на два порядка.
Скорость увеличения вертикальной поляризации линейно зависит от величины ЭДМ, поэтому этот эксперимент является прямым способом измерения электрического дипольного момента.В процессе движения пучка в кольце вертикальная поляризация должнаувеличиться до величины, которую способен измерить поляриметр, но, таккак скорость изменения поляризации (при |dp | = 10−29 и напряженностиэлектрического поля ∼ 10 МВ/м) составляет 3,2 нрад/с [101], требуетсяудержание поляризованного пучка частиц в течение порядка 1000 с, что соответствует 109 оборотов. Сохранение горизонтальной поляризации на про-12тяжении столь долгого времени в ускорителе является сложной задачей,которая требует первоочередного решения, так как при потере поляризации в горизонтальной плоскости ведет к прекращению роста вертикальнойполяризации.
Следовательно, время сохранения горизонтальной поляризации является фактором, ограничивающим чувствительность предложенного эксперимента.В качестве предварительного эксперимента по обнаружению ЭДМ вИнституте ядерной физики г. Юлихпредложено провести эксперимент набазе ускорителя COSY20 [70]. Ускорительный комплекс COSY являетсянакопительным кольцом для протонов и дейтронов в диапазоне энергийот 40 МэВ до 2,5 ГэВ. Длина ускорителя составляет 183 метра. Схемаускорителя приведена на рис. 3. Ускоритель позволяет работать с поляри-Рис. 3. Схема ускорителя COSY [70]зованными пучками протонов и дейтронов, а также производить исследования поляризации при помощи детектора EDDA (на рис. 4).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
