nEDM@PSInEDM@PSILe moment électrique Le moment électrique dipolaire du neutrondipolaire du neutron

Dominique RebreyendDominique Rebreyend (LPSC Grenoble)(LPSC Grenoble)

Prospectives IN2P3-IRFU 2012Prospectives IN2P3-IRFU 2012

G1G2G3 G4

nEDM et symétriesnEDM et symétries

nEDM non nul implique brisure P et T

+ Théorème CPT brisure CP

P, T +

_

_

+d d

Purcell and Ramsey, PR78(1950)807

Limite expérimentale Limite expérimentale

10 -e

+e

dn < 2.9 x 10-26 e.cm (90% CL)(RAL-Sussex-ILL collaboration, 2006)

nEDM et le Modèle StandardnEDM et le Modèle Standard► Secteur électro-faible: la phase CKM

Phase unique: dn nul aux 2 premiers ordre pert.

Hors d’atteinte pour la prochaine génération d’expériences

Signal non nul = nouvelle physique

► QCD: la phase

dn ~ 10-32 - 10-30 e.cm

dn ≈ x 10-16 e.cm < 10-10 (strong CP problem)

nEDM et les extensions du nEDM et les extensions du MSMS► Nouvelles phases existent de façon générique

dn naturellement « grand »

► Échelle de masse accessible:En se basant sur des arguments d’analyse dimensionnelle:

M = échelle de masse nouvelle physique, CP = phase CPVPour dn < 10-26 e.cm:

sin(φCP) ~ 1 MNP > 3000 GeV MNP ~ 300 GeV sin(φCP) < 10-2

dn ~ 10-28 - 10-25 e.cm

cm.10sin300 24

CP

2

eM

GeVd

NPn

Baryogénèse MSSM : Baryogénèse MSSM : EDM/LHCEDM/LHC

Cirigliano, Li, Profumo, Ramsey-Musolf

Baryogénèse MSSM fortement contrainte… voire «exclue» suivant secteur Higgs ( LHC)

Calcul à 2 boucles prenant en compte la densité relique de neutralinos

M1= masse bino, = parametre de masse Higgsino-Higgs

La technique expérimentaleLa technique expérimentale

EE

H = -2 (n.B + dn.E)

fL ( - ) = 4 dn E / h

fL = n B/h

fL( ) =( n B + dn E)/h

fL( ) =(n B - dn E)/h

B BB

UCN (Ultra Cold Neutron) stockés dans un volume avec champs magnétique et électrique parallèles ou anti-paral.

The Ramsey method of separated The Ramsey method of separated oscillatory fieldsoscillatory fields

t ~ 2s

t ~ 2s

4.

3.

2.

1.

Free precession...

Apply /2 spinflip pulse...

“Spin up” neutron...

Second /2 spinflip pulse.

T ~ 100s

Ramsey cycle

610n

L

nL

f

f

Le projet nEDM à PSILe projet nEDM à PSI

Source UCN(50 UCN.cm-3)

Le projet nEDM à PSILe projet nEDM à PSI

► Collaboration européenne ~50 personnes (25 permanents)/ 13 instituts

► Programme en 3 phases: 2005-2008: R&D spectro RAL-Sussex-ILL 2009-2014:

►Prise de données à PSI (2012) avec spectro RAL-Sussex amélioré Objectif: 5x10-27 e.cm

► Développement nouveau spectromètre n2EDM

2015-2020: prise de données avec n2EDM Objectif: 5x10-28 e.cm

Le contexte international Le contexte international (nEDMs)(nEDMs)

ProjetProjet Objectif Objectif (en (en ee.cm ).cm )

Résultat en…Résultat en…

nEDM@PSIn2EDM@PSI

~ 5 x 10-27

~ 5 x 10-28

20142020

PNPI@ILL ~ 1 x 10-26 2014

CryoEDM@ILL ~ 3 x 10-27 2016

nEDM@SNS ~ 3 x 10-28 2020

nEDM@TRIUMF~ 3 x 10-27

~ 1 x 10-28

20172020

nEDM@TUM ~ 5 x 10-28 2018

+ projets d (BNL), muon (JPARC), atomes, molecules

Demandes nEDM (phase 3)Demandes nEDM (phase 3)► Équipe (≈3 ETP + 1 thésard*, ~ 20 % de la collaboration) :

LPC Caen: Gilles Ban, Thomas Lefort, Yves Lemière, Oscar Naviliat-Cuncic, Gilles Quéméner

LPSC Grenoble : Guillaume Pignol, Dominique Rebreyend

► Budget (période 2013-2018) Demande IN2P3: 300 k€

(fonctionnement+séjour) Demande ANR: 700 k€ (équipement) Contribution ~ 20 % du budget global

► Personnels: 2 postes CR2

* Depuis le début du projet, 3 thèses ont été soutenues.

Back-up slidesBack-up slides

Contributions IN2P3Contributions IN2P3

► Physique:Physique: Calculs champ magnétique (bobines/blindage)Calculs champ magnétique (bobines/blindage) Magnétométrie HgMagnétométrie Hg Groupe analyse FranceGroupe analyse France

► TechniqueTechnique Détecteur UCN NanoscDétecteur UCN Nanosc Module DAQModule DAQ Source courant stable (10Source courant stable (10-6-6))

also at: 1Paul Scherrer Institut, 2PNPI Gatchina, 3Eidgenössische Technische Hochschule, 4KEK

The Neutron EDM Collaboration

M. Burghoff, A. Schnabel, J. Vogt

G. Ban, V. Helaine1, Th. Lefort, Y. Lemiere, O. Naviliat-Cuncic, E. Pierre1, G. Quéméner

K. Bodek, St. Kistryn, G. Wyszynski3, J. Zejma

A. Kozela

N. Khomutov

Z. Grujic, M. Kasprzak, P. Knowles, H.C. Koch, A. Weis

G. Pignol, D. Rebreyend S. Afach, G. Bison

J. Becker, N. Severijns, R. Chankova

S. Roccia

C. Plonka-Spehr, J. Zenner1

W. Heil, A. Kraft, T. Lauer , D. Neumann, Yu. Sobolev2

Z. Chowdhuri, M. Daum, M. Fertl3 , B. Franke3, M. Horras3, B. Lauss, J. Krempel , K. Mishima4, A. Mtchedlishvili, PSW, G. Zsigmond

K. Kirch1, F. Piegsa, D. Ries

Physikalisch Technische Bundesanstalt, Berlin

Laboratoire de Physique Corpusculaire, Caen

Institute of Physics, Jagiellonian University, Cracow

Henryk Niedwodniczanski Inst. Of Nucl. Physics, Cracow

Joint Institute of Nuclear Reasearch, Dubna

Département de physique, Université de Fribourg, Fribourg

Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie, Grenoble

Biomagnetisches Zentrum, Jena

Katholieke Universiteit, Leuven

Centre de Spectrométrie Nucléaire et de Spectrométrie de Masse, Orsay

Inst. für Kernchemie, Johannes-Gutenberg-Universität, Mainz

Inst. für Physik, Johannes-Gutenberg-Universität, Mainz

Paul Scherrer Institut, Villigen

Eidgenössische Technische Hochschule, Zürich

pulsed1.3 MW p-beam600 MeV, 2.4 mA,1% duty cycle

spallation target (Pb/Zr)(~ 8 neutrons/proton)

heavy water moderator→ thermal neutrons3.6m3 D2O cold UCN-converter

~30 dm3 solid D2 at 5 K

tank

7 m

DLC coatedUCN storage vesselheight 2.5 m, ~ 2 m3

Sketch of the PSI UCN Sketch of the PSI UCN sourcesource

UCN guides towardsexperimental areas8.6m(S) / 6.9m(W)

SV-shutter

cryo-pump

n2EDM General concept

- simultaneous measurement in 2 precession chambers - laser based Hg co-magnetometer - 3He magnetometers- multiple Cs magnetometers for He readout and gradients- UCN chamber position at PSI UCN beam height

E

E

- movable 5 layer cubic shielding(started design discussion with companies)

- active vibration compensation

n2EDM General concept

n2EDM staging areawith new thermohouse

Various EDM limits

EDM projects (non exhaustive list)

1.05 x 10-

27

3.1 x 10-29

YbF molecule