중성자 전기 쌍극자 모멘트

중성자 전기 쌍극자 모멘트(영어: Neutron electric dipole moment, nEDM)는 d_n으로 표기하며, 중성자 내부의 양전하와 음전하 분포를 측정하는 척도이다. 0이 아닌 전기 쌍극자 모멘트는 입자 내 음전하와 양전하 분포의 중심이 일치하지 않을 때만 존재할 수 있다. 지금까지 중성자 EDM은 발견되지 않았다. 현재 측정된 d_n의 가장 좋은 한계는 (0.0±1.1)×10⁻²⁶ e⋅cm이다.^[1]

이론

전기 쌍극자 모멘트에 의한 반전성 (P) 및 시간 역전 대칭 (T) 위반. μ는 중성자의 자기 쌍극자 모멘트를 나타내고, d는 전기 쌍극자 모멘트이다.

기본 입자의 영구 전기 쌍극자 모멘트는 반전성 (P) 및 시간 역전 대칭 (T)을 모두 위반한다. 이러한 위반은 중성자의 핵자 자기 모멘트와 가상의 전기 쌍극자 모멘트를 검토함으로써 이해할 수 있다. 시간 역전 시 자기 모멘트는 방향을 바꾸는 반면, 전기 쌍극자 모멘트는 변하지 않는다. 반전성 시 전기 쌍극자 모멘트는 방향을 바꾸지만 자기 쌍극자 모멘트는 변하지 않는다. P와 T 하의 결과 시스템은 초기 시스템에 대해 대칭적이지 않으므로 EDM이 존재하는 경우 이러한 대칭은 위반된다. 또한 CPT 정리를 가지고 있으므로 결합 대칭 CP 위반도 위반된다.

표준 모형 예측

위에서 설명한 바와 같이, 0이 아닌 nEDM을 생성하기 위해서는 CP 위반을 일으키는 과정이 필요하다. CP 위반은 약한 상호작용에서 관찰되었으며 쿼크 섞임 행렬의 CP 위반 위상을 통해 표준 모형에 포함되어 있다. 그러나 CP 위반의 양은 매우 작으며, 따라서 nEDM에 대한 기여도도 매우 작다: |d_n| ~ 10⁻³¹ e⋅cm.^[2]

물질-반물질 비대칭성

 이 부분의 본문은 중입자 생성입니다.

우주의 물질과 반물질 사이의 비대칭성으로부터 상당한 양의 CP 위반이 있어야 한다고 추측한다. 따라서 표준 모형이 예측하는 것보다 훨씬 높은 수준의 중성자 전기 쌍극자 모멘트를 측정하는 것은 이 추측을 직접적으로 확인하고 CP 위반 과정에 대한 우리의 이해를 향상시킬 것이다.

강한 CP 문제

 이 부분의 본문은 CP 위반입니다.

중성자는 쿼크로 구성되어 있으므로 강한 상호작용에서 비롯된 CP 위반에 취약하다. 강한 힘에 대한 이론적 설명인 양자 색역학은 CP 대칭을 깨는 항을 자연스럽게 포함한다. 이 항의 강도는 각도 θ로 특징지어진다. 현재 nEDM의 한계는 이 각도가 10⁻¹⁰ 라디안 미만으로 제한한다. 자연적으로 1 정도일 것으로 예상되는 각도 θ의 이 미세 조정은 강한 CP 문제이다.

SUSY CP 문제

최소 초대칭 표준 모형과 같은 초대칭 표준 모형 확장판은 일반적으로 큰 CP 위반을 초래한다. 이론에서 발생하는 중성자 EDM에 대한 일반적인 예측은 10⁻²⁵ e⋅cm와 10⁻²⁸ e⋅cm 사이이다.^[3][4] 강한 상호작용의 경우와 마찬가지로 중성자 EDM의 한계는 이미 CP 위반 위상을 제한하고 있다. 그러나 미세 조정은 아직 그렇게 심각하지 않다.

실험 기술

중성자 EDM을 추출하기 위해 평행 및 반평행 자기장과 전기장이 존재할 때 중성자 스핀의 라모어 세차 운동을 측정한다. 두 경우 각각에 대한 세차 주파수는 다음과 같다.

${\displaystyle h\nu =2\mu _{\text{n}}B\pm 2d_{\text{n}}E}$,

자기장 주위의 자기 모멘트의 세차 운동과 전기장 주위의 전기 쌍극자 모멘트의 세차 운동에서 비롯된 주파수의 더하기 또는 빼기이다. 이 두 주파수의 차이로부터 중성자 EDM의 측정값을 쉽게 얻을 수 있다.

${\displaystyle d_{\text{n}}={\frac {h\,\Delta \nu }{4E}}}$

실험의 가장 큰 과제 (동시에 가장 큰 체계적인 오차 효과의 원인)는 이 두 측정 동안 자기장이 변하지 않도록 하는 것이다.

역사

PSI의 nEDM 공동 연구팀이 발표한 최신 최고 결과가 포함된 중성자 EDM 한계의 역사.^[1] 표준 모형에서 비롯된 예측도 표시되어 있다.

중성자의 전기 쌍극자 모멘트를 찾는 첫 실험은 열 (그리고 나중에는 냉) 중성자 빔을 사용하여 측정을 수행했다. 제임스 스미스, 에드워드 밀스 퍼셀, 노먼 램지가 1951년 오크리지 국립연구소의 흑연 원자로에서 시작하여 (1957년 발표) (이 세 연구원은 하버드 대학교 출신이므로 이 실험은 ORNL/하버드 또는 이와 유사하게 불린다. 이 섹션의 그림 참조) |d_n| < 5×10⁻²⁰ e⋅cm의 한계를 얻었다.^[5][6] 중성자 빔은 1977년까지 nEDM 실험에 사용되었다. 이때 빔 내 중성자의 높은 속도와 관련된 체계적인 효과는 극복할 수 없게 되었다. 중성자 빔으로 얻은 최종 한계는 |d_n| < 3×10⁻²⁴ e⋅cm에 달한다.^[7]

그 후 극저온 중성자 (UCN)를 이용한 실험이 주도권을 잡았다. 1980년 레닌그라드 핵물리학 연구소(러시아어판) (LNPI)에서 |d_n| < 1.6×10⁻²⁴ e⋅cm의 한계를 얻는 실험으로 시작되었다.^[8] 이 실험과 특히 1984년 라 발랑스 연구소 (ILL)에서 시작된 실험은 2015년에 수정된 2006년 최고 상한을 산출하면서 한계를 두 자릿수 더 낮췄다.

이 70년간의 실험 동안 여섯 자릿수가 다루어졌으며, 이로 인해 이론 모델에 엄격한 제약이 가해졌다.^[9]

최신 최고 한계인 |d_n| < 1.8×10⁻²⁶ e⋅cm는 2020년 파울 쉐러 연구소 (PSI)의 nEDM 공동 연구팀에 의해 발표되었다.^[1]

현재 실험

현재 최소 6개의 실험이 향후 10년간 초대칭 표준 모형 확장판에서 나오는 예측 범위를 다루면서 10⁻²⁸ e⋅cm까지의 민감도로 중성자 EDM에 대한 현재 한계를 개선 (또는 처음으로 측정)하는 것을 목표로 하고 있다.

• nEDM 공동 연구팀의 n2EDM^[10]은 파울 쉐러 연구소의 UCN 원천에서 건설 중이다.^[10] 2022년 2월, PSI에서 장치가 설치 중이었고, 중성자를 이용한 시운전은 2022년 말로 예상되었다.^[11] 이 장치는 500일 작동 후 10⁻²⁷ e⋅cm의 민감도에 도달할 것으로 예상된다.^[12]
• TUCAN, TRIUMF에서 건설 중인 UCN nEDM 실험^[13]
• nEDM@SNS 실험은 파쇄 중성자원에서 건설 중이다 (2022년 현재).^[14][15][16]
• 라 발랑스 연구소의 PNPI nEDM 실험^[17]
• PIK 원자로의 PNPI nEDM 실험은 연간 10⁻²⁷ e⋅cm의 민감도에 도달할 것으로 예상된다.^[18]
• 라 발랑스 연구소에서 건설 중인 PanEDM 실험^[19]
• 로스앨러모스 국립연구소의 로스앨러모스 전기 쌍극자 모멘트 (LANL nEDM)^[20]
• 스위스 베른 대학교의 빔 EDM^[21]

극저온 중성자 EDM 실험 또는 CryoEDM은 라 발랑스 연구소에서 개발 중이었으나 2013/2014년에 활동이 중단되었다.^[22]

같이 보기

• 비정상 전기 쌍극자 모멘트
• 비정상 자기 쌍극자 모멘트
• 액시온 – 강한 힘의 예상치 못한 CP 보존을 설명하기 위해 제안된 가상의 입자
• 전기 쌍극자 스핀 공명
• 전자 전기 쌍극자 모멘트: 존재해야 하지만 측정하기에는 너무 작아야 할 또 다른 전기 쌍극자
• 전자 자기 모멘트
• 핵자 자기 모멘트: 측정된 해당 자기 특성