Spin transparency: Eine neue Methode für Präzissionstests fundamentaler Symmetrien in Polarisationsexperimenten an Collidern und Speicherringen -- Theorie und Experiment

• Antragsteller: Professor Dr. Achim Stahl
• Fachliche Zuordnung: Kern- und Elementarteilchenphysik, Quantenmechanik, Relativitätstheorie, Felder
• Förderung: Förderung von 2021 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 465236767

Die Suche nach neuer Physik jenseits des Standardmodells is eines der vornehmlichsten Ziele der Teilchenphysik. Präzisionsexperimente mit dem Spin von Teilchen stellen einen vielversprechenden Weg zu einer großen Entdeckung dar. In Vorbereitung sind Experimente zur Suche nach elektrischen Dipolmomenten von Protonen und Deuteronen. Ein solches Dipolmoment würde die Verletzung der CP- und T-Symmetrie demonstrieren und könnte einen Hinweis auf den Ursprung der Baryonen-Asymmetrie des Universums liefern. Axion-ähnliche Teilchen, ein möglicher Kandidat für die unerklärte dunkle Materie im Universum, würden oszillierende Dipol Momente erzeugen, die in Spin-Experimenten nachgewiesen werden könnten. In die gleiche Kategorie fällt die Suche nach der semi-starken CP- und T-Verletzung in hadronischen Wechselwirkungen, bei der man nach T-verletzenden Effekten auf dem ppm-Niveau sucht. Eine weitere Domäne der Präzisionsspinexperimente ist die seit langem bestehende Spin-Krise der Nukleonen, bei der die bisher kaum untersuchte Tensorstrukturfunktion der Deuteronen in den Fokus rückt.Alle genannten Projekte erfordern eine strikte Kontrolle der Spinorientierung in Speicherringen, Flexibilität in der Ausrichtung der Spins und lange Spin-Kohärenzzeiten. Mit unserem Projekt SpinTra werden wir eine neue Methode entwickeln, um den Spin in einem Speicherring zu kontrollieren und in jede beliebige Richtung auszurichten. Diese Methode wurde von Yury Filatov und seinen Mitarbeitern vorgeschlagen. Er ist auch der russische PI des Projekts. Wir werden die theoretischen Grundlagen erarbeiten, das Konzept mit numerischen Simulationen verifizieren, die benötigte Hardware bauen, sie im COSY-Ring am FZ Jülich installieren und die Machbarkeit mit einem Proof-of-Principle-Experiment demonstrieren.Im Erfolgsfall kann die Methode angewendet werden, um das wissenschaftliche Potenzial des Elektronen-Ionen-Colliders eIC am Brookhaven Laboratory in den USA, des Nuklotron-basierten Ionen-Colliders fAcility NICA in Russland, des Elektronen-Ionen-Colliders in China (EicC) oder der (semi)-elektrischen Speicherringe für die Suche nach elektrischen Dipolmomenten zu erweitern.Wesentlich für den Erfolg der Projekte ist die länderübergreifende Zusammenarbeit zwischen den russischen Gruppen am MIPT und den deutschen Gruppen an der RWTH Aachen und dem Forschungszentrum Jülich. Die MIPT-Gruppen bringen ihre Expertise zu den theoretischen Aspekten ein und werden die Hardware für den Proof-of-Principal bauen. Die deutschen Gruppen stellen die COSY-Anlage zur Verfügung, eine einzigartige Einrichtung für ein solches Experiment, und ihre Erfahrung in der Durchführung von hochpräzisen Spinexperimenten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Russische Föderation
• Partnerorganisation: Russian Science Foundation, bis 3/2022
• Kooperationspartner: Dr. Yuri Filatov, bis 3/2022
• Mitverantwortlich: Privatdozent Dr. Frank Rathmann