The internal magnetic field of the n2EDM experiment to probe CP symmetry : calculation of the magic field and control of non-uniformities

Le champ magnétique interne de l'expérience n2EDM pour sonder la symétrie CP : calcul du champ magique et maîtrise des non-uniformités Les Moments Dipolaires Électriques (EDMs) de particules de spin 1/2 telles quele neutron constituent des sondes privilégiées de violation Charge-Parité (CP) au-delà du Modèle Standard, l’une des conditions requises pour expliquer l’asymétriebaryonique de l’Univers. L’expérience n2EDM, actuellement en cours d’assemblageau Paul Scherrer Institute en Suisse, est un des efforts majeurs de recherche de l’EDMdu neutron. Celle-ci consiste à soumettre des Neutrons Ultra-Froids (UCNs) polar-isés à des champs magnétiques et électriques appliqués parallèlement et de mesurerleur fréquence de précession. Cette expérience a pour objectif d’atteindre une sensi-bilité inégalée ∆dn ≤ 10−27 e cm, à condition de satisfaire des exigences très strictesen matière de maîtrise des erreurs statistiques et systématiques. Le travail présentédans ce manuscrit s’articule autour du contrôle d’effets systématiques induits parles non-uniformités du champ magnétique, à travers à la fois le calcul d’un de ceseffets et la caractérisation du milieu magnétique de l’expérience.La première partie de cette thèse justifie et présente n2EDM, en s’arrêtant surle thème de l’uniformité magnétique de l’expérience. Nous commençons par rap-peler les fondements théoriques sur lesquels reposent les recherches d’EDMs, quidécoulent d’observations cosmologiques selon lesquelles les interactions violant CPdoivent exister dans la nature et de l’incapacité du Modèle Standard (MS) à enfournir suffisamment. Nous présentons ensuite l’expérience n2EDM, en particulierla méthode de Ramsey sur laquelle celle-ci s’appuie pour déterminer la fréquencede précession des UCNs. Ceci nous permet enfin de détailler les exigences strictesd’uniformité que le champ magnétique interne doit satisfaire, ainsi que de justi-fier l’existence de contributions non uniformes en étudiant les symétries du champgénéré.La deuxième partie est axée autour du faux EDM, un effet systématique inquié-tant pour n2EDM qui naît de la combinaison d’un champ magnétique relativiste etde non-uniformités aléatoires. Nous proposons d’abord une nouvelle expression dufaux EDM dans le domaine fréquentiel via le théorème de Wiener-Khinchin, avant del’étendre à une approche récente permettant d’annuler cet effet en ajustant le champmagnétique à une valeur dite “magique”. Nous concluons grâce à notre calcul al-ternatif du champ magique et à son extension aux champs générés par des dipôlesmagnétiques qu’il est possible de supprimer le faux EDM d’au moins un ordre degrandeur en choisissant un champ magnétique de 10.5 μT.La troisième partie s’appuie sur une cartographie du champ magnétique pour es-timer et corriger les non-uniformités à l’origine d’effets indésirables tels que le fauxEDM. Après avoir établi l’exactitude de l’instrument de cartographie et maitrisé lesvariations du champ résiduel, nous montrons à travers l’analyse des données decartographie que l’environnement magnétique de n2EDM satisfait pleinement auxexigences statistiques et systématiques de l’expérience. Enfin, nous proposons et ap-pliquons une stratégie d’optimisation du champ afin de réduire davantage les non-uniformités résiduelles. Notre champ optimisé génère un faux EDM négligeable etprésente un niveau d’uniformité sans précédent, avec un écart quadratique moyensur la composante verticale σ(Bz) = 35 pT au sein du volume de précession.