The first direct measurement of the deuteron electric dipole moment at the cooler synchrotron COSY

Andres, Achim; Stahl, Achim; Pretz, Jörg

doi:10.18154/RWTH-2024-12160

The first direct measurement of the deuteron electric dipole moment at the cooler synchrotron COSY

Andres, Achim^RWTH*

2024 & 2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Achim Andres, M. Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2024

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2025

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Pretz, Jörg (Thesis advisor)^RWTH* ; Stahl, Achim (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-12-13

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-12160
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/999521/files/999521.pdf

Einrichtungen

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Derzeit verstehen wir nicht, warum es in unserem Universum mehr Materie als Antimaterie gibt. Die Materie-Antimaterie-Asymmetrie kann nur unter bestimmten Bedingungen auftreten, die als Sakharov-Bedingungen bekannt sind, von denen eine die Verletzung der kombinierten CP-Symmetrie beinhaltet. Unser Verständnis des Universums basiert auf der Erhaltung von Größen wie Energie, Impuls und Ladung. Fortschritte in der Elementarteilchenphysik haben zur Entdeckung neuer Symmetrien geführt, darunter die Paritätssymmetrie P, die Ladungskonjugationssymmetrie C und die Zeitumkehrsymmetrie T. Traditionell wurden diese Symmetrien als universell angesehen. In den letzten Jahrzehnten wurden jedoch kleine Verletzungen der C-, P- und kombinierten CP-Symmetrien festgestellt und in das Standardmodell der Teilchenphysik und Kosmologie integriert. Dennoch reichen diese Verletzungen nicht aus, um die beobachtete Dominanz von Materie gegenüber Antimaterie zu erklären. Daher wird weiterhin nach zusätzlichen CP-verletzenden Phänomenen gesucht. Eine mögliche Manifestation zusätzlicher CP-Verletzungen ist das elektrische Dipolmoment (EDM) von Elementarteilchen. Das Standardmodell sagt ein stark unterdrücktes EDM voraus, was Experimente mit hoher statistischer und systematischer Empfindlichkeit zur Detektion erfordert. Im Gegensatz dazu sagen Modelle der Physik jenseits des Standardmodells deutlich größere EDMs voraus, wodurch EDM-Messungen ein wichtiges Werkzeug zum Ausschluss bestimmter Theorien jenseits des Standardmodells darstellen. Bis heute waren alle Messungen von EDMs mit null konsistent und lieferten lediglich obere Grenzen für die Größe des EDM verschiedener Teilchen. Das EDM muss eine vektorielle Eigenschaft sein, die mit dem Spin eines Teilchens ausgerichtet ist, sodass Messtechniken darauf abzielen, Veränderungen in der Teilchenpolarisation zu detektieren, die durch die Wechselwirkung eines potenziellen EDM mit elektrischen Feldern verursacht werden. Da geladene Teilchen durch elektrische Felder beschleunigt werden, sind Speicherringe ideal für Experimente mit dem Deuteron, für das bisher keine experimentelle Grenze verfügbar ist. Ziel dieser Arbeit ist es, die erste direkte Messung des elektrischen Dipolmoments des Deuterons am Cooler Synchrotron des Forschungszentrums Jülich durchzuführen, indem der Einfluss des elektrischen Dipolmoments auf die Polarisation eines gespeicherten und polarisierten Deuteronstrahls untersucht wird. Die in dieser Arbeit präsentierten Messwerte werden von systematischen Fehlern dominiert, aus denen eine obere Grenze für das elektrische Dipolmoment des Deuterons abgeleitet wird: |d^d| < 2,2e-16 e cm (95% C.L.).

Currently, we do not understand why there is more matter than antimatter in our universe. The matter-antimatter asymmetry could only occur under specific conditions called the Sakharov conditions, one of which involves the violation of combined CP symmetry. Our understanding of the universe is based on the preservation of quantities such as energy, momentum, and charge. Advances in elementary particle physics have led to the discovery of new symmetries, including parity P, charge conjugation C, and time-reversal T symmetries. Traditionally, these symmetries were believed to be universal. However, over the past few decades, small violations of C, P, and combined CP symmetries have been detected and incorporated into the Standard Model of particle physics and cosmology. Nonetheless, these violations are insufficient to explain the observed domination of matter over antimatter. Hence, the search for additional CP-violating phenomena continues. A possible manifestation of additional CP violation is the Electric Dipole Moment (EDM) of elementary particles. The Standard Model predicts a highly suppressed EDM, requiring experiments with high statistical and systematic sensitivity for detection. Conversely, models of physics beyond the Standard Model predict significantly larger EDMs, making EDM measurements an important tool for excluding certain beyond Standard Model theories. To date, all measurements of EDMs have been consistent with zero, providing only upper limits on the EDM size of various particles. The EDM must be a vectorial property aligned with a particle's spin, so measurement techniques focus on detecting changes in spin polarization signals caused by the interaction of a potential EDM with electric fields. Because charged particles are accelerated by electric fields, storage rings are ideal for charged particle EDM experiments such as the deuteron, for which no experimental limit is available so far. The goal of this thesis is to perform the first direct measurement of the deuteron Electric Dipole Moment at the Cooler Synchrotron at Forschungszentrum Jülich by observing the influence of the Electric Dipole Moment on the polarization of a stored bunched and polarized deuteron beam. The measured values presented in this thesis are dominated by systematic errors, from which an upper limit of the deuteron Electric Dipole Moment is derived: |d^d| < 2.2e-16 e cm (95% C.L.)

OpenAccess:
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