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Suche nach permanenten elektrischen Dipolmomenten von leichten Ionen (p, d, ³He) in Speicherringen

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Das Standardmodell der Teilchenphysik kann den Grund unserer Existenz nicht erklären, da es nicht fähig ist, die offensichtlich existierende Materie-Antimaterie-Asymmetrie unseres Universums hinreichend zu erklären. Physik jenseits des Standardmodells ist dafür erforderlich; und nach ihr wird gesucht, indem man 1) höchste Energien (z.B. am LHC) einsetzt und 2) äußerste Präzision und Empfindlichkeit (z.B. in der Suche nach elektrischen Dipolmomenten (EDMs)) anstrebt. Dauerhafte EDMs von Teilchen verletzen Zeitumkehr- (T) sowie Paritäts-Invarianz (P) und sind aufgrund des CPT-Theorems auch CP-verletzend. Ein EDM zu finden wäre ein starkes Indiz für Physik jenseits des Standardmodells. Selbst eine Erhöhung der oberen Grenzen würde entscheidende Beiträge zur Beurteilung entsprechender theoretischer Modelle, z.B. SUSY, liefern.

Seit einem halben Jahrhundert werden Messungen des Neutronen-EDM (nEDM) weltweit an vielen Laboratorien durchgeführt. Die laufenden Experimente versuchen, die bereits eindrucksvollen experimentellen Grenzen zu erweitern. Die Suche nach den EDMs des Protons, des Deuterons und schwererer Kerne hat das Potenzial, diese Empfindlichkeit nochmals zu erhöhen (~10E-29 e*cm). Da es wesentlich ist, die EDM-Messungen an verschiedenen Targets durchzuführen, um die zugrunde liegende Physik offenzulegen, sind die pEDM- und dEDM-Untersuchungen unverzichtbare Experimente.

EDM-Experimente mit geladenen Teilchen sind nur an Speicherringen möglich. Das endgültige Experiment mit einer Empfindlichkeit jenseits von ~10E-29 e*cm wäre die Messung der vertikalen Polarisation, die durch die EDM-induzierte Präzession des eingefrorenen horizontalen Spins in einem permanenten radialen elektrischen Feld eines dedizierten elektrischen Speicherrings erzeugt würde. Der aktuelle Experimentvorschlag beabsichtigt eine erste direkte Messung der EDMs von Proton und Deuteron mit einer Empfindlichkeit von ~10E-24 e*cm und soll am konventionellen magnetischen Speicherring COSY des Forschungszentrums Jülich durchgeführt werden. Das zu messende EDM-Signal wäre hier die horizontale Polarisation, die durch die EDM-induzierte Präzession des eingefrorenen vertikalen Spins in einem elektrischen, im RF-Bereich arbeitenden Flipper mit horizontalem elektrischen Feld erzeugt würde. Abgesehen davon, dass hier erstmals ein direkter Zugriff auf pEDM und dEDM möglich wäre, stellen die besonderen technologischen und instrumentellen Herausforderungen der vorgeschlagenen Untersuchungen wegweisende Vorarbeiten für die nächste Generation dedizierter elektrischer Speicherringe dar.

Das Forschungsumfeld in Jülich in Kombination mit den sehr erfahrenen Wissenschaftler- und Ingenieurgruppen aus Jülich, von der RWTH-Aachen, vom Brookhaven National Laboratory und der Michigan State University stellt den idealen Ausgangspunkt und im weltweiten Vergleich die optimale Basis für eine der großartigsten Möglichkeiten in der modernen Wissenschaft dar: die Suche nach einem Indiz für neue Physik jenseits des Standardmodells durch den Nachweis permanenter elektrischer Dipolmomente in einem Speicherring.


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