Moments dipolaires électriques: Cas de physique Bilan des mesures à PSI - Guillaume Pignol, Conseil scientifique LPSC, 25 novembre 2016 - INDICO LPSC

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Moments dipolaires électriques: Cas de physique Bilan des mesures à PSI - Guillaume Pignol, Conseil scientifique LPSC, 25 novembre 2016 - INDICO LPSC
Moments dipolaires électriques:
 Cas de physique
 Bilan des mesures à PSI

Guillaume Pignol,
Conseil scientifique LPSC,
25 novembre 2016 1
Moments dipolaires électriques: Cas de physique Bilan des mesures à PSI - Guillaume Pignol, Conseil scientifique LPSC, 25 novembre 2016 - INDICO LPSC
L’origine de l’asymétrie matière
 − 
 = ≈ 6 × 10−10
 
 est inconnue

 Conditions de Sakharov (1967)
 pour la baryogénèse
 5 % baryons • Univers hors équilibre
 • Nombre baryonique non
 conservé
69 %
 • Violation de la symétrie CP
Energie 26% Matière noire
noire

 2
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Dipôles Electriques et symétrie T

> PLAY >
 
 ↑↓ ≈ ↑↑ ≈ 
 2 

 2
 ↑↓ − ↑↑ = 
 ℏ
< REWIND <

 Un EDM non nul
 viole la symétrie T
 Et donc viole CP

 3
Moments dipolaires électriques: Cas de physique Bilan des mesures à PSI - Guillaume Pignol, Conseil scientifique LPSC, 25 novembre 2016 - INDICO LPSC
Dipôles Electriques et symétrie CP

 EDMs: couplage fermion-photon ℒ = − 5 
-partie imaginaire du diagramme- 2
 effectivement généré par des
 corrections radiatives.
 → = 

 < 300 × 10−28 cm (Grenoble, 2006)
 < 2000 × 10−28 cm (Seattle, 2016)
 < 0.9 × 10−28 cm (Harvard, 2014)

 EDMs: sonde indirecte de physique à distance 10−26 cm
 LHC: sonde directe à distance 10−17 cm

 4
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EDMs dans le modèle standard

 La contribution CKM à l’EDM des fermions
 est nulle à 2 boucles (pour l’électron elle
 est aussi nulle à 3 boucles).

 Prédiction: ≈ ≈ 10−33 cm
 Bruit de fond Kobayashi-Maskawa négligeable

 La contribution QCD du terme thêta 
 8 
 génère potentiellement un gros EDM pour le neutron et le proton

 = − ≈ × 10−16 cm
 → < 10−10
 « Strong CP problem »

 5
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EDMs en supersymétrie au TeV
 Le MSSM contient ~40 paramètres imaginaires violant CP.

Ellis, Ferrara, Nanopoulos, PLB 114 (1982). Del Aguila et al.,PLB 126 (1983).
EDM induit par les termes de masse molle EDM induit par la matrice de
des squarks et des gluinos masse des neutralinos

 2
 1 TeV
 ≈ 2 ≈ × 10−25 cm
 4 

 « SUSY CP problem » 6
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EDMs en supersymétrie au PeV

 Scénario split SUSY,
 matrice de masse anarchique de saveur

 Altmannshofer, Harnik, Zupan, JHEP 1311 (2013)
 Voir aussi McKeen, Pospelov, Ritz, PRD 87 (2013) 7
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Baryogénèse électrofaible en SUSY

 Baryogénèse
 « Wino driven »
pratiquement exclue

 Baryogénèse
 « Bino driven »
 pratiquement exclue

 Li, Profumo, Ramsey-Musolf, PLB 673 (2009) 8
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EDMs et les couplages du Higgs

 Barr, Zee, PRL 65 (1990)

 Chen, Dawson, Zhang JHEP (2015)
 EDMs sensibles au couplage
 du Higgs violant CP.

 9
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Baryogénèse électrofaible, modèle 2HDM
 Shu, Zhang, PRL 111 (2013)

 ℎ1 = 125 GeV, ℎ2 = 400 GeV 10
Résumé

 • EDMs sensible à la nouvelle physique à l’échelle électrofaible
 et au-delà.
 • Test décisif de la baryogénèse SUSY
 • Complémentarité avec le LHC pour sonder les couplages du
 Higgs
 • Complémentarité EDMs neutron/proton et électron

 11
Panorama des mesures EDM

 Mesure à PSI

 12
Panorama mondial

 13
Projets en compétition, EDM hadroniques

 Horizon 2025 → < 10−27 cm avec les UCNs
 Futur: < 10−28 cm sur anneaux de stockage

 14
Appareil actuel
 High voltage, E = ± 132 kV 12 cm

 4 layers mu-metal shield

 photomultiplier
 Mercury lamp

 SWITCH
 UCN source

 5T polarizer
 (SC magnet)
 Spin flipper

 Iron analyser

 15
Compensation des fluctuations de B

 Uncorrected
 neutron frequency
 - + - + - +- + - +- + n =
 
 2 

 Mercury-corrected
 neutron frequency
 Hg
 Hg = 
 2 
 
 ncorr ∝
 Hg

 16
Ongoing data
 production at PSI
2013: 2867 cycles (tests)
2014: 2139 cycles (tests)

2015: 36 sequences produced,
 20317 cycles

2016: 47 sequences produced,
 22630 cycles

 17
Sensibilité statistique

 ℏ
 sensibilité statistique: =
 2 

 PSI, routine

 11
 16000
 180
 0.8

 1.1

 Tableau présenté au CS LPSC novembre 2013 18
Production de données en cours à PSI

 19
Analyse statistique these Y. Kermaidic

 corr corr
 − 1 /ppm − 1 /ppm
 / Hg / Hg
20
Production scientifique 2012-2016
 12 articles reliés à EDM, dont 7 résultats importants

 1. Electric-dipole-moment searches: Reexamination of frequency shifts for particles
 in trap. Pignol&Roccia, PRA 85 (2012)
 2. A measurement of the neutron to 199Hg magnetic moment ratio. PLB 739 (2014)
 3. Constraining interactions mediated by axion-like particles with ultracold
 neutrons. PLB 745 (2015)
 4. Measurement of a false electric dipole moment signal from 199Hg atoms
 exposed to an inhomogeneous magnetic field. EPJD 69 (2015)
 5. Observation of gravitationally induced vertical striation of polarized ultracold
 neutrons by spin-echo spectroscopy. PRL 115 (2015)
 6. Gravitational depolarization of ultracold neutrons: Comparison with data. PRD 92
 (2015)

 7. A revised experimental upper limit on the electric dipole moment of the
 neutron. PRD 92 (2015) -> ré-analyse des données ILL basée sur 1,2,6.

 21
Production scientifique
à venir en 2017

 Recherche d’une oscillation
 de l’EDM:
 Contrainte compétitive sur
 la matière noire Axion

 Mesure améliorée du nEDM:
 • Convergence des analyses Est/Ouest
 • finalisation des systématiques
 (stage+these Laura Ferraris)
 • Unblinding
 22
Exposés suivants:

• n2EDM au LPSC
• EDM sur anneaux de stockage

 23
Conclusions: EDMs au LPSC
 EDM du neutron:
 IN2P3 / LPSC en position très visible dans la
 collaboration nEDM@PSI

 EDM sur anneaux de stockage:
 Positionnement stratégique pour le futur dans le
 contexte européen « physics beyond colliders »

 Complémentarité:
 • Moyen terme (nEDM) – long terme (pEDM)
 • Même cas de physique. Organisation d’une école
 thématique internationale aux Houches en 2019
 ou 2020 (financement ERC)
 • Effets systématiques similaires: dynamique du spin
Projets en compétition
 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023 2024

 n2EDM n2EDM
PSI nEDM
 construction & commissionning data production

 Large Scale Commissionning and
SNS Integration data taking

TRIUMF Phase I Phase II

 25
Projet nEDM -> n2EDM à PSI

 n2EDM n2EDM n2EDM data
 nEDM
 construction commissioning production

 2017 2018 2019 2020 2021 2022 2023

 26
Baryons and antibaryons
 in the Universe
 1015 GeV AMS (Alpha Magnetic Spectrometer)
 Inflation ends? onboard the International Space Station

 100 GeV
 Electroweak
 transition

 1 MeV

 1 eV
Decoupling of CMB

 1 meV
 Today

 Not a single anti-helium
 detected in cosmic rays (yet)
 27
Cosmic Microwave Background

 1015 GeV
 Inflation ends?

 100 GeV
 Electroweak
 transition

 1 MeV
 [Planck (2014)]

 1 eV
Decoupling of CMB

 1 meV
 Today

 CMB = 6.05 ± 0.07 × 10−10
 28
Big Bang Nucleosynthesis

 1015 GeV
 Inflation ends?

 100 GeV
 Electroweak
 transition

 1 MeV

 1 eV
Decoupling of CMB

 1 meV
 Today
 [Deuterium abundance from Lyα,
 Cooke et al (2014)]
 BBN = 6.0 ± 0.1 × 10−10
 29
Electroweak phase transition

 1015 GeV Standard Model:
 Inflation ends?

 2d order
 100 GeV Phase transition
 Electroweak
 transition

 1 MeV

 1 eV
Decoupling of CMB
 Beyond
 Standard Model:
 1 meV
 Today 1st order
 Phase transition?

 30
Electroweak baryogenesis?

Sakharov conditions
at electroweak phase transition

1 Departure from thermal equilibrium
 requires BSM scalar sector
 to get a strong first order transition.
 May or may not be accessible at the LHC

2 Violation of B conservation
 SM sphaleron transitions in the symmetric phase

3 CP violation
 requires BSM physics,
 accessible by the next generation of EDM experiments
 31
Outline

1 Matter antimatter asymmetry

2 CP violation, electric dipole moments

3 The nEDM experiment

4 Systematics

 32
CP violation in weak interactions

 • Tiny (∼ 10−3 ) CP asymmetry discovered by Cronin and Fitch (1964)
 looking at 0 → + − ← → 

 • Explained by the Kobayashi-Maskawa mechanism (1973)

 Flavour ′ Mass
 eigenstates ′ = eigenstates
 ′ 
 Complex CKM matrix

 • Confirmed with “B factories” in 2000’s with many observables, e.g.

 Γ 0 → + − ≠ Γ 0 → − +
 ← → 
 Asymmetry ≈ 30 % !

 33
Sensitivity to CP violation Beyond Standard Model

 • Present limit: < 3 × 10−26 cm

 • Standard model (KM) prediction: ≈ 10−31 cm

 • Possible contribution from new physics:

 2 sin ℏ 
 ≈
 16 2 2
 2
 1 TeV
 ≈ × sin × 10−25 cm
 
 multi-TeV BSM sensitivity
 Testing electroweak baryogenesis
 34
Outline

1 Matter antimatter asymmetry

2 CP violation, electric dipole moments

3 The nEDM experiment

4 Systematics

 35
First EDM experiment with a neutron beam
 Smith, Purcell and Ramsey, Phys. Rev. 108, 120 (1957)

 D: counter

 A’: spin analyzer

 C’ :Second RF pulse
 π /2 spin-flip
 Free precession in
 E and B fields ...

 C: Apply RF pulse
 π/2 spin-flip...
 A: spin polarizer

 36
First EDM experiment with a neutron beam
 Smith, Purcell and Ramsey, Phys. Rev. 108, 120 (1957)

 Vary the RF frequency and measure the
 resonance curve. Do it for parallel and
 antiparallel E and B fields.

 Result: = −0.1 ± 2.4 × 10−20 cm

 ℏ ≈ 2000 m s ,
 Statistical sensitivity: = ≈2m
 2 ≈ 1 ms

 Main systematic effect: the relativistic motional field

 = × / 2
 37
Getting slower, getting better…

 38
Neutron optics, cold and ultracold neutrons
 Thermal neutrons
 Cold neutrons
 E < = 25 meV
 have large wavelength
 Cold neutrons > 0.2 nm
 They behave like waves,
 affected by the
 Fermi potential of matter
 Ultracold neutrons (order of 100 neV)

 Neutrons with energy < 100 neV,
 are reflected by material walls
 they can be stored in material bottles.
 39
Institut Laue Langevin in Grenoble

 Vercors
 European
 synchrotron

ILL high flux
reactor
58 MW
Most intense
neutron source in
the world
1015 n / cm2 / s 40
PF2 instrument (Physique Fondamentale 2) at ILL

 Filling UCN bottles
 ∼ 20 UCN cm3
 Since 1985

 41
The Sussex/RAL/ILL apparatus

 Apparatus installed at PF2 (1986-2009)

 Best limit: < 3 × 10−26 cm obtained with 1998 − 2002 data
 [Baker et al, PRL (2006) ; Pendlebury et al, PRD (2015)]
 42
UCN source at the
Paul Scherrer Institute

 pulsed UCN source
 One kick per 5 min
 online since 2011
 600 MeV, 2.2 mA
 43
Finally a worldwide comparison of UCN sources

 Diter Ries (PhD) stainless steel bottle

44
The nEDM collaboration

 13 laboratories
 7 countries
 48 members
 10 PhD students

 45
Moving the apparatus to PSI in 2009

 46
199Hg Magnetometer

Continuous optical pumping
in a polarization chamber,
polarized gas injected in the
precession chamber

Modulated
absorption of
polarized light in
the precession
chamber

 47
Next phase: n2EDM.
2 chambers in a colossal
magnetic shield
Broader context
5 nEDM projects
 worldwide

 Other EDMs:
 • Electron (atomic and molecular physics)
 • 199Hg (atomic physics)
 • Francium (radioactive atomic physics)
 • Proton (storage ring) 49
Outline

1 Matter antimatter asymmetry

2 CP violation, electric dipole moments

3 The nEDM experiment

4 Systematics

 50
Motional field is back!
 Magnetic transverse field Motional (transverse) field

 ⊥ = − ( + ) = × / 2
 2

 = Frequency shift correlated with electric field for fast Hg particles!

 2 2
• Special case (uniform gradient) Hg = 
 32 2 
 [Pendlebury et al, PRA 70 (2004)]

 ∞
 2
• General Refield theory = Im − 0 ∗ ( )
 4 0

 2
 Hg = ⋅ ⊥ 
 2 2
 [G. Pignol and S. Roccia, PRA 85 (2012)] 51
Direct verification at PSI
 [Afachet al, EPJD 69 (2015)]

 Part of Yoann Kermaidic’s PhD thesis

 52
The gravitational shift...

 UCN gas Mercury gas = = 1±ℎ +⋯
 Hg Hg 0
 Same precession chamber

 Direct measurement
 Using an array of
 Cesium magnetometers

53
Using the gravitational shift
 Strategy: the “crossing point analysis”

 EDM
 B down

 True EDM

 =
 B up Hg
 Hg

 Further n n 
complications
 = = = 1 + Grav + T + Earth + ⋯
 Hg Hg Hg Hg

 ℎ 2 ↑ ↓
 Grav = ± T = Earth
 0 2 02
 Gravitational shift Transverse fields Earth rotation
54
Effect of Earth rotation

 55
Effect of Earth rotation

 56
Accuracy cross-check

 [2 ppm]

 [0.2 ppm]

 S. Afach et al., Phys. Lett. B 739, 128 (2014)
 57
Conclusion

Data production at PSI
 Perspective: n2EDM @ PSI
 = 1.2 × 10−26 cm
 assembly starts end-2017
accumulated ( nov 2016)
Remove the blinding in 2017 Sensitivity increase minimum 10
Dismount summer 2017 In maximum 10 years

 Baryogenesis @EW transition -> Yes or no?
 58
MERCI

On recherche des nouveaux
collaborateurs pour n2EDM

On embauche des postdocs !

 59
Light shift

 • No scalar light shift
 (expected)

 • No vector light shift

 60
Transverse field systematics

UCNs: 2
it takes ~ 3 Larmor rotations T =
to cross the chamber. 2 02
Adiabatic regime:
 2
 n ∝ = 0 +
 2 0

Mercury:
Atoms cross the cell ~ 60 times
during a Larmor rotation
Non-adiabatic regime:
 Hg ∝ = 0 Field mapping (not that easy…)
 to measure 2

 61
Conclusion

 Data production at PSI
 End 2016:
 = 1.2 × 10−26 cm stop data production
 accumulated improve (slightly) the ILL
 result.
 ( nov 2016)
 2017: reveal the
 blinding.

 End 2017:
 install n2EDM shield.
 We think we
 202X: improved
 understand our
 accuracy by a factor 10.
 systematic effects
 pretty well. Baryogenesis at EW
 transition? yes or no.

 62
Tester la baryogénèse électrofaible

 Find ft baryogenesis -> 6037
 Find ft baryogenesis and ft “electric dipole moment” -> 911
 Find ft “electric dipole moment” -> 5578
 Find ft LHCb -> 9318

 63
You can also read