Skip to main content

LUP Student Papers

LUND UNIVERSITY LIBRARIES

Search for Neutron Electric Charge at the HIBEAM Beamline at the ESS

Montelius, Johan LU (2026) FYSK04 20252
Department of Physics
Particle and nuclear physics
Abstract
The Standard Model does not predict the quantization of electric charge, and thus does not explicitly demand the electric neutrality of the neutron. This charge has previously been measured to an upper limit of ∼ 1 × 10^−21 elementary charges in a 1988 joint experiment between the University of Bayreuth and Institut Laue-Langevin [1]. A new experiment proposed for the HIBEAM beamline at the ESS is expected to further lower this limit by two orders of magnitude. This paper investigates the feasibility of such an experiment by simulating a realistic scenario in McStas 3.5.32. In the model, cold neutrons are deflected by a series of achromatic neutron mirrors and sent through a strong electric field over a flight path of 36.5 m. Simulation... (More)
The Standard Model does not predict the quantization of electric charge, and thus does not explicitly demand the electric neutrality of the neutron. This charge has previously been measured to an upper limit of ∼ 1 × 10^−21 elementary charges in a 1988 joint experiment between the University of Bayreuth and Institut Laue-Langevin [1]. A new experiment proposed for the HIBEAM beamline at the ESS is expected to further lower this limit by two orders of magnitude. This paper investigates the feasibility of such an experiment by simulating a realistic scenario in McStas 3.5.32. In the model, cold neutrons are deflected by a series of achromatic neutron mirrors and sent through a strong electric field over a flight path of 36.5 m. Simulation results suggest that the experiment will be able to achieve a new
charge limit of (7.64 ± 0.08) × 10^−24 q_e when operating at 2 MW, which represents a 130 times increase in sensitivity from the previous result. Increasing the power to 5 MW would further lower the limit to (4.81 ± 0.05) × 10^−24 q_e, which represents a 210 times increase in sensitivity. (Less)
Popular Abstract (Swedish)
De allra minsta partiklarna i vårt universum, och hur de interagerar med varandra, beskrivs av Standardmodellen. Det är en ytterst framgångsrik teori, som har förklarat gamla fenomen som elektromagnetismen på ett hittills felfritt vis, och har förutspått existensen av nya partiklar decennier innan de upptäcks i experiment. Men den är inte utan luckor: mörk materia har spökat för forskarna i många år nu, likväl mörk energi. Den kan förklara varför det finns antimateria, men inte varför det finns så lite av det. Och den kan inte heller förklara varför neutronen är elektriskt neutral. Neutronen består av en uppkvark, en partikel med laddning + 2/3 , och två nedkvarkar med laddning − 1/3 vardera. Tillsammans bildar de en partikel med laddning... (More)
De allra minsta partiklarna i vårt universum, och hur de interagerar med varandra, beskrivs av Standardmodellen. Det är en ytterst framgångsrik teori, som har förklarat gamla fenomen som elektromagnetismen på ett hittills felfritt vis, och har förutspått existensen av nya partiklar decennier innan de upptäcks i experiment. Men den är inte utan luckor: mörk materia har spökat för forskarna i många år nu, likväl mörk energi. Den kan förklara varför det finns antimateria, men inte varför det finns så lite av det. Och den kan inte heller förklara varför neutronen är elektriskt neutral. Neutronen består av en uppkvark, en partikel med laddning + 2/3 , och två nedkvarkar med laddning − 1/3 vardera. Tillsammans bildar de en partikel med laddning 0 som är elektriskt neutral. Att kvarkarna har exakt dessa laddningar är ett exempel av kvantisering, att fysiska storheter kommer i multipler av ett minsta värde. Men att laddningen är kvantiserad är experimentellt fastställt, och har inget teoretiskt belägg i Standardmodellen. Många tillägg har gjorts genom åren för att åtgärda detta, strängteori är ett känt exempel, men hittills har inga starka bevis för dem hittats.

Det är därför viktigt att fortsätta att söka för experimentella bevis. Om neutronen har en laddning måste den vara väldigt liten, och mycket starka instrument behövs för att upptäcka den. Det förra bästa experimentet utfördes i ett fransk-tyskt samarbete 1988, där man mätte att en potentiell neutronladdning måste vara som mest 10^−21 elektronladdningar. För att utföra de här experimentet skickade de neutroner genom ett elektriskt fält och mätte om fältet fick dem att avvika från sin bana. Eftersom en sådan avvikelse måste vara otroligt liten behöver mätningen använda sig av ofantligt många neutroner, vilket kräver en
väldigt stark källa.
En sådan källa kommer snart att existera på den Europeiska Spallationskällan, eller ESS, som närmar slutskedet av sin konstruktion utanför Lund i Skåne. Den kommer att besitta världens ljusaste neutronstrålar, och spås därför vara en bra ort för ett nytt neutronladdningsexperiment. Om en laddning hittas kommer det att tillintetgöra stora delar av de spekulativa tillägg till Standard-modellen som försöker kvantisera laddningen, och om en inte hittas så har vi vidare begränsat den till en lägre nivå än någonsin förut. Dessutom är ett annat viktigt experiment vid ESS, ett som ämnar lösa det tidigare benämnda antimateria-problemet, beroende av neutronens exakta neutralitet.

Min roll är att, genom simuleringar utförda i programmet McStas, bygga en statistisk modell av experimentet och och utföra en realistisk uppskattning av experimentets känslighet. Resultat visar att känsligheten bör vara ungefär 130 gånger högre. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Montelius, Johan LU
supervisor
organization
course
FYSK04 20252
year
type
M2 - Bachelor Degree
subject
keywords
Neutron Charge, Neutron Optics, European Spallation Source, ESS, HIBEAM, Charge Quantization
language
English
id
9221638
date added to LUP
2026-02-16 08:49:10
date last changed
2026-02-16 08:49:10
@misc{9221638,
  abstract     = {{The Standard Model does not predict the quantization of electric charge, and thus does not explicitly demand the electric neutrality of the neutron. This charge has previously been measured to an upper limit of ∼ 1 × 10^−21 elementary charges in a 1988 joint experiment between the University of Bayreuth and Institut Laue-Langevin [1]. A new experiment proposed for the HIBEAM beamline at the ESS is expected to further lower this limit by two orders of magnitude. This paper investigates the feasibility of such an experiment by simulating a realistic scenario in McStas 3.5.32. In the model, cold neutrons are deflected by a series of achromatic neutron mirrors and sent through a strong electric field over a flight path of 36.5 m. Simulation results suggest that the experiment will be able to achieve a new
charge limit of (7.64 ± 0.08) × 10^−24 q_e when operating at 2 MW, which represents a 130 times increase in sensitivity from the previous result. Increasing the power to 5 MW would further lower the limit to (4.81 ± 0.05) × 10^−24 q_e, which represents a 210 times increase in sensitivity.}},
  author       = {{Montelius, Johan}},
  language     = {{eng}},
  note         = {{Student Paper}},
  title        = {{Search for Neutron Electric Charge at the HIBEAM Beamline at the ESS}},
  year         = {{2026}},
}