Abstract in italiano (la versione originale è già in inglese): Il progresso della ricerca scientifica ha portato alla scoperta di fenomeni quali l’asimmetria materia - antimateria, nota come problema della bariogenesi, o l’origine microscopica della materia oscura, che hanno reso evidente l’incompletezza del Modello Standard. Al momento tuttavia esso costituisce la teoria più valida per la comprensione di larga parte dei fenomeni fisici (gravità esclusa), capace di prevedere con assoluta precisione una vastissima quantità di eventi. Uno dei maggiori campi di indagine della fisica dei giorni nostri è dunque legato al tentativo di superare il Modello Standard, cercando evidenze sperimentali che indichino la strada verso la scoperta di nuova fisica. Un notevole impedimento è costituito dalla scala di energie necessarie in questi studi, spesso oltre la portata di LHC, attualmente il più potente acceleratore di particelle a nostra disposizione. Con le recenti innovazioni, un aiuto importante potrebbe derivare quindi da misure di precisione a bassa energia. In tale ottica si pone la ricerca per la misura del momento di dipolo elettrico (EDM) delle particelle elementari, come l’elettrone, in quanto una simile scoperta costituirebbe una prova diretta della violazione delle simmetrie per inversione temporale (T) e parità (P) su scale non previste dallo Standard Model. Una misura di tal genere ancora non è stata effettuata a causa dell’estrema sensibilità necessaria, tuttavia grandi progressi sono stati compiuti raggiungendo precisioni assai elevate. Questa tesi si propone di evidenziare l’importanza teorica di una misura dell’EDM delle particelle elementari con particolare attenzione al caso dell’elettrone, illustrando poi alcuni dei più rilevanti approcci sperimentali utilizzati. In particolare, si porrà l’attenzione su una tecnica non spettroscopica che prevede l’utilizzo di molecole biatomiche polari intrappolate in una matrice di paraidrogeno; a tal proposito, verranno infine presentati i risultati di alcuni studi riguardanti porzioni del setup sperimentale, effettuati presso i Laboratori Nazionali di Legnaro dell’INFN. Abstract in inglese: The progress of scientific research has led to the discovery of phenomena such as matter - antimatter asymmetry, known as the problem of baryogenesis, or the microscopic origin of dark matter, which has revealed the incompleteness of the Standard Model. Currently, it constitutes the most valid theory in order to understand most of the physical phenomena (excluding gravity), capable of predicting with absolute precision a vast quantity of events. One of the greatest fields of investigation of physics at the present time is therefore related to the attempt to find a way around the Standard Model, seeking experimental evidence that could indicate the road towards the discovery of new physics. A significant obstacle is constituted by the scale of energies required in these studies, often beyond the realms of LHC, currently the most powerful particle accelerator available to us. With recent innovations, an important contribution could therefore stem from low-energy precision measurements. In this perspective, the search for measurement of the electric dipole moment (EDM) of elementary particles, as the electron, is proposed, as a similar discovery would constitute direct proof of the violation of symmetries for time reversal (T) and parity (P) on a scale not envisaged by the Standard Model. A measurement of this kind has still not been made due to the extreme sensitivity necessary, however good progress has been made in achieving fairly high levels of precision. This thesis aims to highlight the theoretical importance of a measurement of the EDM of elementary particles with particular attention to the case of the electron, then illustrating some of the most relevant experimental approaches used. In particular, the focus will be on a non-spectroscopic technique that involves the use of polar diatomic molecules trapped in a parahydrogen matrix; in this regard, the results of a number of studies concerning portions of the experimental setup will finally be presented, performed at the INFN National Laboratories, based in Legnaro, Padua, Italy.

Development of a new experimental setup for the measurement of electron electric dipole moment

Grenzi, Marcello
2021/2022

Abstract

Abstract in italiano (la versione originale è già in inglese): Il progresso della ricerca scientifica ha portato alla scoperta di fenomeni quali l’asimmetria materia - antimateria, nota come problema della bariogenesi, o l’origine microscopica della materia oscura, che hanno reso evidente l’incompletezza del Modello Standard. Al momento tuttavia esso costituisce la teoria più valida per la comprensione di larga parte dei fenomeni fisici (gravità esclusa), capace di prevedere con assoluta precisione una vastissima quantità di eventi. Uno dei maggiori campi di indagine della fisica dei giorni nostri è dunque legato al tentativo di superare il Modello Standard, cercando evidenze sperimentali che indichino la strada verso la scoperta di nuova fisica. Un notevole impedimento è costituito dalla scala di energie necessarie in questi studi, spesso oltre la portata di LHC, attualmente il più potente acceleratore di particelle a nostra disposizione. Con le recenti innovazioni, un aiuto importante potrebbe derivare quindi da misure di precisione a bassa energia. In tale ottica si pone la ricerca per la misura del momento di dipolo elettrico (EDM) delle particelle elementari, come l’elettrone, in quanto una simile scoperta costituirebbe una prova diretta della violazione delle simmetrie per inversione temporale (T) e parità (P) su scale non previste dallo Standard Model. Una misura di tal genere ancora non è stata effettuata a causa dell’estrema sensibilità necessaria, tuttavia grandi progressi sono stati compiuti raggiungendo precisioni assai elevate. Questa tesi si propone di evidenziare l’importanza teorica di una misura dell’EDM delle particelle elementari con particolare attenzione al caso dell’elettrone, illustrando poi alcuni dei più rilevanti approcci sperimentali utilizzati. In particolare, si porrà l’attenzione su una tecnica non spettroscopica che prevede l’utilizzo di molecole biatomiche polari intrappolate in una matrice di paraidrogeno; a tal proposito, verranno infine presentati i risultati di alcuni studi riguardanti porzioni del setup sperimentale, effettuati presso i Laboratori Nazionali di Legnaro dell’INFN. Abstract in inglese: The progress of scientific research has led to the discovery of phenomena such as matter - antimatter asymmetry, known as the problem of baryogenesis, or the microscopic origin of dark matter, which has revealed the incompleteness of the Standard Model. Currently, it constitutes the most valid theory in order to understand most of the physical phenomena (excluding gravity), capable of predicting with absolute precision a vast quantity of events. One of the greatest fields of investigation of physics at the present time is therefore related to the attempt to find a way around the Standard Model, seeking experimental evidence that could indicate the road towards the discovery of new physics. A significant obstacle is constituted by the scale of energies required in these studies, often beyond the realms of LHC, currently the most powerful particle accelerator available to us. With recent innovations, an important contribution could therefore stem from low-energy precision measurements. In this perspective, the search for measurement of the electric dipole moment (EDM) of elementary particles, as the electron, is proposed, as a similar discovery would constitute direct proof of the violation of symmetries for time reversal (T) and parity (P) on a scale not envisaged by the Standard Model. A measurement of this kind has still not been made due to the extreme sensitivity necessary, however good progress has been made in achieving fairly high levels of precision. This thesis aims to highlight the theoretical importance of a measurement of the EDM of elementary particles with particular attention to the case of the electron, then illustrating some of the most relevant experimental approaches used. In particular, the focus will be on a non-spectroscopic technique that involves the use of polar diatomic molecules trapped in a parahydrogen matrix; in this regard, the results of a number of studies concerning portions of the experimental setup will finally be presented, performed at the INFN National Laboratories, based in Legnaro, Padua, Italy.
2021-09
25
Parole chiave in italiano (l'originale è in inglese): EDM elettrone, Violazione CP, Produzione fascio ionico, Filtro di massa Parole chiave in inglese: Electron EDM, CP violation, Ion beam production, Mass filter
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/20.500.12608/21971