El momento dipolar eléctrico del neutrón ( nEDM ), denotado d n , es una medida de la distribución de carga positiva y negativa dentro del neutrón . Un momento dipolar eléctrico distinto de cero solo puede existir si los centros de la distribución de carga negativa y positiva dentro de la partícula no coinciden. Hasta ahora, no se ha encontrado ningún EDM de neutrón. El mejor límite medido actualmente para d n es(0,0 ± 1,1) × 10 −26 mi ⋅cm . [1]
Un momento dipolar eléctrico permanente de una partícula fundamental viola tanto la paridad (P) como la simetría de inversión temporal (T). Estas violaciones se pueden entender examinando el momento dipolar magnético del neutrón y el momento dipolar eléctrico hipotético. Bajo la inversión temporal, el momento dipolar magnético cambia su dirección, mientras que el momento dipolar eléctrico permanece inalterado. Bajo paridad, el momento dipolar eléctrico cambia su dirección pero no el momento dipolar magnético. Como el sistema resultante bajo P y T no es simétrico con respecto al sistema inicial, estas simetrías se violan en el caso de la existencia de un EDM. Al tener también simetría CPT , la simetría combinada CP también se viola.
Como se muestra arriba, para generar un nEDM distinto de cero se necesitan procesos que violen la simetría CP . La violación de CP se ha observado en interacciones débiles y se incluye en el Modelo Estándar de física de partículas a través de la fase de violación de CP en la matriz CKM . Sin embargo, la cantidad de violación de CP es muy pequeña y, por lo tanto, también la contribución al nEDM: | d n | ~10 −31 e ⋅cm . [2]
A partir de la asimetría entre materia y antimateria en el universo, se sospecha que debe haber una cantidad considerable de violación de CP . Medir un momento dipolar eléctrico de neutrones a un nivel mucho más alto que el predicho por el Modelo Estándar confirmaría directamente esta sospecha y mejoraría nuestra comprensión de los procesos de violación de CP.
Como el neutrón está formado por quarks , también es susceptible a la violación de la simetría CP derivada de interacciones fuertes . La cromodinámica cuántica (la descripción teórica de la fuerza fuerte) incluye naturalmente un término que rompe la simetría CP. La fuerza de este término se caracteriza por el ángulo θ . El límite actual en el nEDM restringe este ángulo a ser menor que 10 −10 radianes . Este ajuste fino del ángulo θ , que naturalmente se espera que sea de orden 1, es el problema de la simetría CP fuerte .
Las extensiones supersimétricas del Modelo Estándar, como el Modelo Estándar Supersimétrico Mínimo , generalmente conducen a una gran violación del CP. Las predicciones típicas para el EDM de neutrones que surgen de la teoría varían entre 10 −25 e ⋅cm y 10 −28 e ⋅cm . [3] [4] Como en el caso de la interacción fuerte , el límite en el EDM de neutrones ya está restringiendo las fases que violan el CP. Sin embargo, el ajuste fino aún no es tan severo.
Para extraer el EDM del neutrón, se mide la precesión de Larmor del espín del neutrón en presencia de campos magnéticos y eléctricos paralelos y antiparalelos. La frecuencia de precesión para cada uno de los dos casos viene dada por
la suma o resta de las frecuencias resultantes de la precesión del momento magnético alrededor del campo magnético y de la precesión del momento dipolar eléctrico alrededor del campo eléctrico . A partir de la diferencia de estas dos frecuencias se obtiene fácilmente una medida del EDM del neutrón:
El mayor desafío del experimento (y al mismo tiempo la fuente de los mayores efectos falsos sistemáticos) es garantizar que el campo magnético no cambie durante estas dos mediciones.
Los primeros experimentos en busca del momento dipolar eléctrico del neutrón utilizaron haces de neutrones térmicos (y más tarde fríos ) para realizar la medición. Comenzó con el experimento de James Smith, Purcell y Ramsey en 1951 (y publicado en 1957) en el reactor de grafito del ORNL (como los tres investigadores eran de la Universidad de Harvard , este experimento se llama ORNL/Harvard o algo similar, vea la figura en esta sección), obteniendo un límite de | d n | <5 × 10 −20 e ⋅cm . [5] [6] Los haces de neutrones se utilizaron hasta 1977 para experimentos nEDM. En este punto, los efectos sistemáticos relacionados con las altas velocidades de los neutrones en el haz se volvieron insuperables. El límite final obtenido con un haz de neutrones asciende a | d n | <3 × 10 −24 e ⋅cm . [7]
Después de eso, los experimentos con neutrones ultrafríos (UCN) tomaron el relevo. Comenzó en 1980 con un experimento en el Instituto de Física Nuclear de Leningrado (LNPI) obteniendo un límite de | d n | <1,6 × 10 −24 e ⋅cm . [8] Este experimento y especialmente el experimento que comenzó en 1984 en el Instituto Laue-Langevin (ILL) empujaron el límite hacia abajo otros dos órdenes de magnitud, produciendo el mejor límite superior en 2006, revisado en 2015.
Durante estos 70 años de experimentos se han cubierto seis órdenes de magnitud , lo que impone restricciones estrictas a los modelos teóricos. [9]
El último mejor límite de | d n | <1.8 × 10 −26 e ⋅cm fue publicado en 2020 por la colaboración nEDM en el Instituto Paul Scherrer (PSI). [1]
Actualmente, hay al menos seis experimentos que tienen como objetivo mejorar el límite actual (o medir por primera vez) en el EDM de neutrones con una sensibilidad de hasta10 −28 e ⋅cm durante los próximos 10 años, cubriendo así el rango de predicción proveniente de extensiones supersimétricas del Modelo Estándar.
El experimento de electroerosión por neutrones criogénicos o CryoEDM estaba en desarrollo en el Instituto Laue-Langevin, pero sus actividades se interrumpieron en 2013/2014. [21]
