Initial Performance of the TUCAN Magnetically Shielded Room

Het TUCAN-samenwerkingsverband heeft een groot magnetisch afgeschermde kamer opgeleverd met een afschermingsfactor van ongeveer $3,25 \times 10^4$ in de omgevingsvelden van de TRIUMF-cyclotron, wat de verwachtingen bevestigt dat deze faciliteit geschikt is voor een zoektocht naar het neutron-elektrisch dipoolmoment met een precisie van $10^{-27}~e\mathrm{cm}$.

De kern

De Missie: Een Neutron Op Spoor Zetten

Stel je voor dat je probeert een heel klein, onzichtbaar deeltje te vangen: een neutron. Maar dit is geen gewone neutron; het is een "ultrakoud" neutron dat we gebruiken om te zoeken naar iets heel speciaals: de elektrische dipoolmoment (nEDM).

Waarom is dit belangrijk? Als we dit kunnen meten, kunnen we de regels van het universum herschrijven. Het zou kunnen verklaren waarom er meer materie is dan antimaterie in ons heelal. Maar om dit te doen, moeten we het neutron meten tot op een precisie die je kunt vergelijken met het meten van de dikte van een haar op de maan, terwijl je op aarde staat.

Het probleem? Magnetisme. Neutronen zijn gevoelig voor magnetische velden. Zelfs een heel klein magnetisch piepje van buitenaf kan het resultaat verstoren, alsof je probeert een fluisterend gesprek te horen in een drukke fabriekshal.

De Oplossing: De "Stille Kamer"

De TUCAN-samenwerking (een team van Canadese, Japanse, Mexicaanse en Amerikaanse wetenschappers) heeft een enorme kamer gebouwd om deze neutronen te beschermen. Dit is de TUCAN Magnetische Afschermkamer (MSR).

Je kunt deze kamer zien als een super-sterk geluidsisolatiehuis, maar dan voor magnetische velden in plaats van geluid.

Hoe is de kamer gebouwd?

De kamer is een kubus van 3,5 meter breed. Het is opgebouwd als een gigantische Russische pop:

1. De buitenste lagen: Er zitten vijf lagen van een speciaal metaal genaamd MuMetal om elkaar heen. Dit metaal werkt als een magnetische spons. Als er een magnetisch veld van buiten komt, "zuigt" het metaal de magnetische lijnen naar zich toe en leidt ze om de kamer heen, zodat ze de binnenkant niet bereiken.
2. De koperen laag: Tussen de MuMetal-lagen zit een laag koper. Dit werkt als een schild tegen snelle magnetische trillingen (zoals ruis), terwijl MuMetal werkt tegen trage, statische velden.
3. De deur: De deur is een wonder van techniek. Omdat de kamer zo goed afgesloten moet zijn, kan de deur niet zomaar open. Hij beweegt eerst naar achteren en dan opzij, en wordt met luchtdruk (zoals een auto-deur die dichtklikt) en speciale "ballonnen" (bladders) strak tegen de muur gedrukt om geen spleetjes te laten.

Het Grote Uitdaging: De Cyclotron

Er is een groot probleem. Deze kamer staat niet in een rustig bosje, maar direct naast de TRIUMF-cyclotron. Dat is een gigantische deeltjesversneller die werkt als een enorme magneet. Deze versneller creëert een magnetisch veld dat 370 keer sterker is dan het magnetische veld van de aarde.

Het is alsof je probeert een kaarsvlam te beschermen tegen een orkaan, terwijl je de kaars precies in het oog van de orkaan zet.

Wat hebben ze gemeten? (De Resultaten)

De wetenschappers hebben de kamer getest om te zien of hij zijn werk deed. Ze stuurden magnetische trillingen van buitenaf de kamer in en keken hoeveel er binnen aankwam.

1. De "Demping": De kamer is een geweldige demper. Als er buiten een trilling is, wordt deze binnen 32.000 tot 37.000 keer zwakker.
   • Vergelijking: Stel je voor dat je buiten schreeuwt als een rockster. Dankzij de kamer is het geluid binnen zo zacht als een zachte ademhaling.
2. De Rust: Zelfs met de enorme magneet van de cyclotron aan, is het magnetische veld in het midden van de kamer extreem stil. Het is zo stil dat het bijna niet bestaat (minder dan 2 nanotesla).
   • Vergelijking: Het is alsof je in een kamer zit waar het geluidsniveau lager is dan de ruis van je eigen bloedstroom.

Wat is er nog niet perfect?

De kamer is nog niet helemaal klaar voor de allerlaatste precisie. Er zijn nog twee kleine problemen:

• De "Idealisatie": Om de kamer perfect stil te maken, moeten ze de magnetische lagen "ontmagnetiseren" (een proces dat ze degaussing noemen). Dit is als het uitkloppen van een kussen dat je net hebt gekocht, zodat het weer perfect plat ligt. Ze hebben dit al gedaan, maar kunnen het nog beter doen.
• De Helling: Het magnetische veld is niet overal even sterk; het loopt een heel klein beetje "scheef" (een gradiënt). Voor de ultra-precisie metingen moet dit nog verder worden gecorrigeerd met extra spoelen (zoals kleine magnetische "schroefjes" die je kunt draaien om het veld perfect vlak te maken).

Conclusie: Is het klaar?

Ja, bijna! De kamer werkt veel beter dan verwacht, zelfs met de enorme magneet ernaast. De wetenschappers zijn er zeker van dat ze met een paar extra aanpassingen (betere ontmagnetisatie en extra correctie-spoelen) de kamer precies zo stil kunnen maken dat ze de neutronen kunnen meten tot op de gewenste precisie.

Kortom: Ze hebben een magnetische bunker gebouwd in het hart van een magnetische storm, en die bunker doet zijn werk uitstekend. Dit is een enorme stap voorwaarts in het zoeken naar de geheimen van het universum.

Technische samenvatting

Titel: Initiële Prestaties van de TUCAN Magnetically Shielded Room (MSR)

Auteur: S. Ahmed et al. (TUCAN-samenwerking)
Datum: 20 april 2026
Context: TRIUMF, Canada

---

1. Het Probleem en de Doelstelling

De TUCAN-samenwerking (TRIUMF Ultracold Advanced Neutron) heeft als doel de elektrische dipoolmoment van de neutron (nEDM) te meten met een precisie van $10^{-27}$ ecm. Dit is een orde van grootte verbetering ten opzichte van de huidige beste metingen.

Om deze extreme precisie te bereiken, moeten ultrakoude neutronen (UCN) gedurende honderden seconden worden opgeslagen in een magnetisch veld dat zowel statisch als extreem uniform is. Elke fluctuatie of gradiënt in dit veld kan een vals nEDM-signaal nabootsen. De uitdaging is dat het experiment plaatsvindt binnen de TRIUMF-cyclotronhal, waar een omgevingsmagnetisch veld van ongeveer 370 µT (verticaal) aanwezig is.

De specifieke eisen voor de centrale $1 m^3$ van de magnetisch afgeschermde ruimte (MSR) zijn:

• Een afschermingsfactor (shielding factor) $> 10^5$ bij 0,01 Hz.
• Een residuvel veld $< 1$ nT.
• Veldstabiliteit op het pT-niveau over minuten.
• Eerste-orde veldgradiënten $< 100$ pT/m.

2. Methodologie en Ontwerp

De TUCAN-MSR is ontworpen om te functioneren onder de zware omstandigheden van de cyclotronhal.

• Constructie: De kamer bestaat uit zes lagen:
  • Vijf lagen van geanneerd MuMetal (hoog-permeabel legering: 80% Ni, ~15% Fe, 5% Mo) voor statische en laagfrequente afscherming.
  • Één laag van zuiver koper voor hoogfrequente afscherming (via wervelstromen).
  • De afmetingen zijn beperkt door de hal: een buitenkant van 3,5 m en een binnenkant van minimaal 1,8 m.
• Deur en Toegang: Een unieke dubbel-as deur aan de noordzijde (beweegt eerst longitudinaal, dan transversaal) om ruimtebeperkingen te overwinnen. De lagen worden afgedicht met pneumatische sloten en opblaasbare blazen (bladders) om magnetische lekken te voorkomen.
• Idealisatie (Degaussing): Om residuvel velden en gradiënten te minimaliseren, wordt elke ferromagnetische laag geïsoleerd en voorzien van ideale coils. Deze coils worden gebruikt om een langzaam afnemend oscillatief veld toe te passen, waardoor magnetische domeinen in het materiaal worden gedemagnetiseerd.
• Meetopstelling:
  • De afschermingsfactor werd gemeten door een extern veld op te wekken met een grote spoel en een magnetometer (fluxgate en later een QuSpin Zero Field Magnetometer - QZFM) in het centrum van de kamer te plaatsen.
  • Residuvel velden en gradiënten werden gemapt met een QZFM op een PVC-staaf door de toegangspoorten.

3. Belangrijkste Bijdragen

• Ontwerp en Bouw: De realisatie van een 6-laags MSR (5 MuMetal + 1 Koper) binnen de strikte ruimtelijke beperkingen van de TRIUMF-hal, specifiek ontworpen om te werken in een 370 µT omgevingsveld.
• Karakterisering: De eerste uitgebreide karakterisering van een dergelijke grote MSR onder de invloed van een actieve cyclotron.
• Technische Innovatie: Implementatie van een geavanceerd deurmechanisme en een modulaire idealisatie-systeem met geïsoleerde lagen om elektrische kortsluiting en grondlussen te voorkomen.

4. Resultaten

De metingen werden uitgevoerd met de cyclotron aan (370 µT omgevingsveld) en uit.

• Afschermingsfactor (Shielding Factor):
  • Bij 0,01 Hz en een externe piek-tot-piek verstoring van 2 µT: $3,25(2) \times 10^4$ (met cyclotron aan).
  • Zonder het cyclotronveld (aarde-veld): $3,75(4) \times 10^4$.
  • Dit is lager dan de theoretische doelstelling van $10^5$, maar wordt verklaard door de saturatie-effecten van het sterke 370 µT achtergrondveld op de buitenste MuMetal-lagen.
  • Elke extra laag verbeterde de prestaties met een factor van 5 tot 7.
• Residuvel Veld:
  • Na een initiële idealisatieprocedure was het residuvel veld in het centrum $B = 1,8(2)$ nT. Dit voldoet aan de eis van < 1 nT, maar ligt er dichtbij.
• Veldgradiënten:
  • De verticale gradiënt ($dB_z/dz$) in het centrum was $-279(64)$ pT/m.
  • Dit overschrijdt de eis van 100 pT/m met ongeveer een factor drie. De auteurs wijzen dit toe aan suboptimale idealisatie en het sterke achtergrondveld.
• Invloed van de Cyclotron: Het uitschakelen van de cyclotron verbeterde de afschermingsfactor met 15-30%, wat aantoont dat de geplande compensatiespoelen (Helmholtz-coils) cruciaal zullen zijn voor de uiteindelijke prestaties.

5. Betekenis en Conclusie

Hoewel de initiële resultaten de strenge eisen voor de $10^{-27}$ ecm meting nog niet volledig halen (vooral wat betreft de gradiënten en de afschermingsfactor onder cyclotron-invloed), is de kamer functioneel en veelbelovend.

• Potentieel: De auteurs zijn ervan overtuigd dat de kamer geschikt zal zijn voor de nEDM-zoektocht na verdere optimalisatie.
• Toekomstige Verbeteringen:
  1. Verbeterde Idealiseringsprocedures: Fijnafstemming van het demagnetisatieproces om de residuvel velden en gradiënten verder te verlagen.
  2. Actieve Compensatie: Installatie van externe Helmholtz-coils om het 370 µT cyclotronveld te neutraliseren, wat de prestaties van de passieve afscherming aanzienlijk zal verbeteren.
  3. Interne Shim-spoelen: Een array van 54 interne spoelen om resterende veldinhomogeniteiten te corrigeren.

De paper concludeert dat de TUCAN-MSR een unieke en noodzakelijke infrastructuur is voor de volgende generatie nEDM-experimenten, en dat de huidige prestaties een solide basis vormen die met de geplande upgrades de vereiste sensitiviteit zal bereiken.