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Thèse Année : 2022

Neutron to Hidden Neutron Oscillations in Ultra-Cold Neutron Beams

Oscillations neutron vers neutron caché en faisceaux de neutrons ultra froids

William Saenz
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1236015
  • IdRef : 268390401

Résumé

Oscillations of the neutron into a hidden sector particle (n − n') are processes predicted in various Standard Model extensions. In case of finding evidence of them, models proposing the existence of hidden sectors, such as those hosting twin copies of all known particles [1, 2], or those introducing a high dimensional bulk of which slices (branes) represent different universes [3], would gain importance in particle physics and cosmology. These theories are of special interest as they could explain big issues in contemporary physics such as baryogenesis and dark matter [4].It has been proposed that mixing between ordinary and hidden sectors is possible for neutral particles. For example, several studies have looked for photon - hidden photon oscillations with ortho-positronium experiments [5], and for neutrino - hidden neutrino oscillations in shot-baseline neutrino setups [6]. Neutron - hidden neutron oscillations have been searched for low and high mass-splitting (delta m) in stored ultra-cold neutrons (UCN) [7–11] and regeneration experiments [12–15], respectively.Since this extra channel for neutron disappearance has not been tested in large portions of the oscillation parameter space, we present the development of an experiment searching for n − n' oscillations at intermediate delta m via the application of magnetic fields in the range 50 − 1100 mu-T. The experiment was performed in autumn 2020 at the Institut-Laue-Langevin (ILL), using the novel UCN counter GADGET [16] to monitor the UCN beam flux while scanning the magnetic field. This work, which is the first long-term basis test of the GADGET detector, allowed a full characterization of its detection efficiency and the development of the pulse shape analysis technique. Also, as no previous study reports on the UCN flux constancy at the EDM beam port of ILL’s PF2 at the scale of seconds, we evaluated the UCN beam stability with a time resolutions of up to mu-s.The data revealed non-statistical fluctuations affecting the UCN counting rate, which were explained by the reactor power variations at the scale of seconds. After accounting for such fluctuations and by including the magnetic field inhomogeneities in the analysis, no significant signal of oscillations was found. However, a new limit on the n − n' model parameters was set astau > 1 s for |delta m| E [2 − 69] × 10 −12 eV (95% C.L.).Using the same data set, the bound was also computed within the hidden magnetic field approach [17], which resultedtau > 1 s for B E [50 − 1130] mu-T (95% C.L.).
Les oscillations des neutrons vers des secteurs cachés (n − n') sont des processus décrits dans diverses extensions du Modèle Standard. Les modèles tels que ceux proposant l’existence de secteurs abritant des copies jumelles de toutes les particules connues [1,2], et ceux introduisant un volume multidimensionnel dont les tranches représentent différents univers [3], gagneraient en importance en physique des particules et en cosmologie en cas de découverte de preuves d’oscillations n−n' . Ces théories présentent un intérêt particulier car elles pourraient expliquer des problèmes majeurs de la physique contemporaine tels que la baryogénèse et la matière noire [4].Il a été proposé que le mélange entre les secteurs ordinaires et cachés est possible pour les particules neutres. Par exemple, plusieurs études ont recherché des oscillations de photons vers des photons cachés avec des expériences d’orthopositons [5], et des oscillations de neutrinos vers des neutrinos cachés par le biais des expériences à courte distance [6]. De même, des oscillations n − n' ont été recherchées en supposant des différences de masse (delta m) élevées avec des neutrons ultra-froids (UCN) stockés [7–11] et delta m faibles dans des expériences de régénération [12–15].Ce travail présente le développement d’une nouvelle expérience recherchant les oscillations n − n' avec une delta m intermédiaire en appliquant des champs magnétiques dans la gamme 50 − 1100 mu-T. Ceci, puisque ce canal de disparition des neutrons n’a pas été testé dans une grande portion de l’espace des paramètres n − n' .Cette expérience réalisée à l’automne 2020 à l’Institut-Laue-Langevin (ILL), a utilisé le nouveau compteur UCN GADGET [16] pour surveiller le flux du faisceau UCN tout en balayant le champ magnétique. Ce travail représente le premier test à long terme du détecteur GADGET. Ce dernier a permis une caractérisation complète de son efficacité de détection et le développement de la technique Pulse Shape Analysis. De plus, ce travail fait état de la constance du flux UCN de l’ILL jusqu’à une échelle de quelques mu-s. Ceci n’avait jamais été réalisé auparavant.Les données ont révélé des fluctuations non statistiques du taux de comptage UCN dues aux variations de la puissance du réacteur à l’échelle des secondes. Après avoir pris en compte ces fluctuations et inclus les inhomogénéités du champ magnétique dans l’analyse, aucune oscillation significative n’a été trouvée. Cependant, une nouvelle limite a été fixée sur les paramètres du modèle n − n', simplifiée àtau > 1 s for |delta m| E [2 − 69] x 10 − 12 eV (95% C.L.).En utilisant le même ensemble de données, la limite a également été calculée dans l’approche du champ magnétique caché [17], ce qui a entraînétau > 1 s for B E [50 − 1130] mu-T (95% C.L.).
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04023774 , version 1 (10-03-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04023774 , version 1

Citer

William Saenz. Neutron to Hidden Neutron Oscillations in Ultra-Cold Neutron Beams. Physics [physics]. Normandie Université, 2022. English. ⟨NNT : 2022NORMC254⟩. ⟨tel-04023774⟩
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