Förstudie: HIBEAM vid ESS

Forskningsprojekt, 2021 – 2023

Denna ansökan avser en förstudie till ett strålrör för fundamental fysik med neutroner vid ESS. En serie experiment benämnda HIBEAM föreslås. Fundamentalfysik avser materiens minsta byggstenar och naturlagarna som styr växelverkan mellan dessa, allt sammanfattat i Standardmodellen (SM). HIBEAM avses svara på två fundamentala frågor kring Universums uppbyggnad där SM inte har svaren:1.Gravitationseffekter visar att mer än 80% av universums massa inte observeras. Denna mörka materia (DM) växelverkar inte alls eller mycket svagt med materien i vår SM värld.2.Enligt SM och alla experiment som gjorts borde Univerum bestå av lika delar materia och antimateria. Detta sammanfattas i en bevaringsregel, att baryontalet B måste bevaras. Baryoner, t.ex, protoner (p) och neutroner (n) har B=1 och deras antipartiklar B=-1. Universum, initialt baryonfritt, borde alltså bestå av parvis bildade baryon-antibaryon par enligt SM. Det stora mysteriet är att Unversum i stort sett bara innehåller p och n alltså att B inte är bevarat. Detta är heller inte teoretiskt tvingande. Baryontalsbrott, BNV, har ännu inte experimentellt påvisats.Baryontalets bevarande är alltså ingen ”helig” lag. Det är däremot bevarande av energi och laddning. För att experimenetllt påvisa BNV bör man studera neutrala baryoner som omvandlas till ett tillstånd med samma energi. Neutronen är en given kandidat.Kvantmekaniken tillåter oscillation mellan n och anti-n om de befinner sig i samma energitillstånd. B ändrar sig då med 2 enheter. Ännu ej påvisade är så kallade spegelpartiklar förutsagda i många DM teorier. Varje partikel i vår värld skulle ha en motsvarighet med samma massa i spegelvärlden. En neutron skulle alltså ha en spegelpartner n’ i spegelvärlden och analogt för anti-n. Spegelpartiklarna växelverkar inte med kvantfälten i vår värld, dvs. signumet för DM. Oscillation mellan partikel och spegelpartikel kan ske om energin är densamma. Det innebär att B ändrar sig med en enhet. Förutom att påvisa BNV skulle vi också ha hittat en potentiell DM partkel om vi kan observera dessa oscillationer.Oscillation kräver att begynnelse- och sluttillstånden har samma energi (degeneration). Man vill ha så många neutroner som möjligt att observera under så lång tid som möjligt. ESS kommer att vara världsbäst vad avser neutronintensitet. Lång tid uppnås genom att bromsa neutronerna (kalla neutroner) och ha lång flygsträcka. Neutronen har magnetiskt moment och påverkas av elektromagnetiska fält. Med nödvändighet har n och anti-n motriktade magnetiska moment i magnetfält och därmed olika potentiell energi. Därför måste man inhibera alla fält, inklusive det jordmagnetiska, för att uppnå degenereade tillstånd mellan dessa. För oscillation till spegelpartiklar råder ingen entydig koppling mellan de magnetiska momenten Så även om massorna är lika råder inte degeneration mellan tillstånden. Man kan genom att variera ett pålagt magnetfält matcha ihop tillstånden. Har man väl bestämt det optimala magnetfältet kan man också stimulera oscillation tillbaka till n och anti-n (regeneration).Denna ansökan för samman fysiker från CTH, LU, SU, UU och internationella partners med olika bakgrund till en serie på fyra experiment inom HIBEAM. Gemensamt för de fyra experimenten är:Maximalt antal neutroner (därför ESS)Lång flygsträcka i vacuum för mycket långsamma neutronerFullständig kontroll av externa B-fält under flygningenNär sluttillståndet är en neutron som regenerats (eller neutroner förvunnit till spegelvärlden) behövs känsliga neutrondetektorer liknande dem i neutronspridningsexperiment.Om en antineutron har bildats, antingen genom regeneration från spegeltillstånd eller som en fri oscillation krävs ett heltäckande detektorsystem med kalorimetri och spårdetektorer för att detekterra pi-mesoner (positiva och negativa) som är resultatet av att anti-n annihileras. Förstudien innebär simuleringar och prototyptester. Kalorimetersystemet från WASA-experimentet i kompletterat med språrdetek