1 sviluppo di un polarimetro per la misura del momento di dipolo elettrico (edm) del deuterio d....
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Sviluppo di un polarimetro per la misura del Sviluppo di un polarimetro per la misura del momento di dipolo elettrico (EDM) del momento di dipolo elettrico (EDM) del deuterio deuterio
D. Babusci, A. Ferrari, P. Levi Sandri, G. VenanzoniLNFR. Messi, D. MoriccianiINFN Roma Tor VergataG. ZavattiniINFN Ferrara
Proposta di misura dell’EDM del deuterio ad un anello di accumulazione
Caratteristiche del Polarimetro
Prospettive future
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Deuteron EDM experiment at a storage ring
LOI presentata a BNL, Agosto 2006
Risposta del PAC di BNL (Sett 06)
Goal: Misura dell’EDM del
D a 10-29 ecm
StorageRing EDMCollaboration
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Misura dell’EDM del D a 10-29 ecm vs esperimenti (presenti e futuri) dell’ EDM dei sistemi adronici
B. Marciano,
2006 PAC meeting, BNL
Una misura a 10-29 ecm per il D, rappresenterebbe un miglioramento di alcuni ordini di grandezza rispetto ai valori attuali (e futuri) dell’EDM del neutrone
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Perché cercare l’EDM delle particelle subatomiche?
Se esiste, il dipolo elettrico (intrinseco) di una particella è diretto lungo lo spin:
In presenza di un campo elettrico:
Assumendo CPT una nuova sorgente di violazione di CP (qualcosa che e’ richiesto per spiegare l’attuale asimmetria materia/Anti materia nell’universo) (Argomento di Sakharov)
2;)
2(
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hrrrr±=== zss
mce
gsmce
d μη
Esmc
eEdH
rrrr⋅−=⋅−=
4η
Per inversione temporale:T(s•E) = -s •E(cambia la direzione di spin, ma non E)
d0T (P) è violato Violazione di T
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Limiti sperimentali di edm e sensibilità a nuova fisica
1. Il contributo del SM a EDM è almeno 5 ordini di grandezza inferiori ai valori sperimentali
2. Susy predice valori di EDM di 1-2 ordini di grandezza inferiori ai valori sperimentali
3. EDM e’ sensibile a scale di energia beyond LHC
Perché EDM è così soppresso nel SM?
Non solo Susy
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Perchè nel Modello Standard EDM è “nullo”…
Settore EW: Lo SM (attraverso la CKM) non permette la violazione di CP
ad un loop per interazioni che conservano il sapore
In effetti
SUSY da’ EDM ad un loop!
dSUSY>>dSM
dnCKM~10-31ecm
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Come si misura EDM per neutroni o atomi pesanti (Hg,Tl) ?
Si tratta di esperimenti da laboratorio
Il metodo standard si basa sull’utilizzo di un campo elettrico molto intenso (2 MV/m) e di un campo magnetico debole (1μT):
La frequenza di precessione è misurata con il campo elettrico parallelo e antiparallelo al campo magnetico: il segnale di EDM provoca una variazione della frequenza di precessione (~10-7 Hz se E=1MV/m; d=10-26ecm)
Fattori limitanti: controllo di B ed E (10-7 Hz B~10-10Gauss; BTerra=0.5 Gauss)
EdBdt
Sd rrrrr
×+×=μ
NETd
dEB
2~
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hhh
δ
μω ±=
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Perché misurare EDM un anello di accumulazione?
Il campo elettrico nel sistema della particella (v x B) 10-100 volte più forte che quello prodotto in laboratorio (GV/m) (ωe~E)
Apre la possibilità di misurare EDM di particelle cariche
Misura di polarizzazione ricavata dall’interazione/decadimento della particella (Polarimetri o Calorimetri)
Sistematiche differenti e dagli esperimenti “usuali”- Tempi di coerenza di spin ~10-100 s
Il segnale di EDM è “dominato“ dalla precessione di (g-2) (ωa=aeB/mc)
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Principio di funzionamento
C’e’ comunque un problema:
Difficile da osservareωe <<ωa
La collaborazione ha sviluppato un metodo che è sensibile a 10-29 ecm per il deuterio
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Modulare la velocità della particella con frequenza di sincrotone ωs = ωa
Due cavità a radiofrequenza, così da cambiare la velocità due volte per giro (oscillazione di sincrotone)
La polarizzazione verticale si accumula in direzione opposta nelle zone opposte dell’anello. La variazione della velocità fa si che non si cancelli
segnale
0cos
cos
cos
2
00
>≠>≈<⇒<
+==
=−=
tdtds
tvvvsets
vBsd
sdtds
aV
a
aL
LLeV
ω
ωω
ωh
Richiede un anello di dimensioni ridotte
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Y. Orlov, CornellD=0
D0
10m
5m
B2T
P01.5GeV/c
Resonance EDM RING (Y.Orlov, et al., PRL 96, 214802(2006))
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Come si misura il segnale ?
1. Campionamento del segnale col tempo2. Misura di varie asimmetrie
Si misura l’asimmetria LR (PV) prodotta dall’interazione di D su targhetta di Carbonio
D
L
U
R
R
DΔ
“extraction”target - gas
“defining aperture”primary target
Polarimetro
Target could beAr gas (higher Z).
“Estrazione” perScattering coulombiano del deuterio
Per evitare lo scattering multiploal di fuori della targhetta primariaSi sceglie Δ << D
Δ è una larga frazione del range deldeuterio, e definisce la scaladel polarimetro
Il foro è grande rispetto alle dimensioni del fascio. Tutto ciò che passa attraverso il foro resta nella beam pipe (per fermare una particella diffusa ci voglionoin media acune orbite)
DETECTOR:È abbastanza lontano perché l’illuminazione ‘a ciambella’ non siaun pb di accettanza Δ < R
PRIMARY TARGET:può essere necessario Rimuovere la targhetta durante l’iniezione
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Tipico esperimento di polarimetria
beamdirection
scatteringplane
y
x
z
leftdetector
β
rightdetector
target
(φ=0)
A polarization of the beam (p) causes a difference in the ratesfor scattering to the left compared to the right:
analyzing power(determined by nuclear
effects in scattering)governs spin sensitivity
unpolarized cross section(determined by nuclear
effects in scattering)governs efficiency
φ
θ
left and right detectorsuseful for vector polarization
( )ϕϑββσϕθβσ cossin)(1)(),,( ApVunp +=
vertical component of the polarization
(for S=1/2)
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• Ottimizzare il polarimetro significa ottimizzare Ottimizzare il polarimetro significa ottimizzare σσunpunp((θθ) e A) e Ayy((θθ))
si usa costruire una Figura di merito (FOM):
• L’analyzing power si ottiene facendo misure a ϕ1 e ϕ2 = ϕ1+:
)(cos2
),(),()(
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ϑσϕϕϑσϕϑσθ
unppA
−=
2yunpAFOM σ=
si misura l’asimmetria si misura l’asimmetria p Ap A
Potere analizzante
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Opzione attualeOpzione attuale::
pd = 1.0 -1.5 GeV/c Td = 250 – 525 MeV
Impulsi in gioco
Opzione iniziale:Opzione iniziale: pd = 0.7 GeV/c Td = 126 MeV
Riferimenti sperimentali:
• dati di POMME al Laboratoire National Saturne (F): NIM A 404 (1998) 129-142 Td in (0.175 – 1.8) GeV θ in: [4°, 15°] per Td < 300 MeV
[2°, 20°] per Td > 300 MeV
• dati dal Laboratorio RIKEN (Giappone): Td in (200 – 300) MeV
(Phys. Lett. B 549 (2002) 307-313)
Riferimenti sperimentali: S. Kato et al., NIM A 238 (1985) 453-462 Td in (35 – 70) MeV θ in: [30°, 65°]
test sperimentali dedicati sono stati condotti a KVI (Groningen, NL)
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Data from Pomme polarimeter at energies > 200 MeV
Workhere.
efficiency (%)
average iT11
momentum (GeV/c)
iTiT1111((ββ))σσunpunp((ββ))
An iron absorber was placed to remove non elastic particles from the scattered flux. At about 700 MeV it loses its effectiveness and iT11 starts to decline.wire chambers Carbon
targetIronabsorber
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Data from 270-MeV deuteron elastic scattering – RIKEN
Optimize here:favor larger analyzing power,leverage against systematics
Optimize here:favor statistical precision
At this energy (p~1 GeV/c) these two choices lead to different angle covarage.
But as momentum rises FOM and analyzing power peak togethertogether.
iTiT1111
5o
10o
14o
18o
24o
iT11
Lab angle (deg)20o 30o10o
Lab angle (deg)20o 30o
FOM
σ
700 MeV
Two possibilities:
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Momentum dependence of FOM, iT11 and efficiency
The SOLID dots and lines follow theFORWARD peak in the FOM curve.
The open/dashed dots and lines followthe analyzing power peak (where thereis enough data to use).
The AVERAGES shown here integrateover some angle range that covers therelevant feature in FOM or iT11.
Satou gets even larger analyzingpowers by cutting out more protonsand losing “efficiency”. The FOMis down about 30% from the opendots.
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Necessità di un test beam (probabilmente a COSY) per supplire alla mancanza o inconsistenza dei dati della reazione d+12C nella regione di impulso di interesse (1-1.5 GeV).
Necessità di separare i deutoni (elastici) dai protoni di break-up.
Utilizzo del TOF ?
Kinematics
Elastic – First Exited Level (4.4 MeV)
Qd = 10o (LAB) - TOF over 2 m
Td = 200 MeV ΔTOF = 140 psTd = 400 MeV Δ TOF = 50 psTd = 600 MeV Δ TOF = 20 ps
d 12C d 12C*
Necessità di un’ottima risoluzione temporale se si vuole utilizzare il TOF per discriminare i vari canali
Ri-misurare d 12C d 12C* ?
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Dati disponibili attualmente Ed=270 MeV
Dove:
iT11=√3/2 Ay T20=1/√2 Azz T21=-1/√3 Axz T22=1/2√3(Axx-Ayy)
I modelli riescono ariprodurre i dati del canale elastico ma hanno problemi per i livelli eccitati
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Caratteristiche del polarimetro
Risoluzione spaziale O(cm) Rate O(kHz/cm2) Risoluzione temporale <ns per identificare il singolo bunch. Risposta stabile ed uniforme in fuzione del rate Capacità di separare i deutoni (elastici) dai protoni di break-up. (TOF?)
Possibile candidato: MRPC, sullo stile di quanto realizzato in Alice
A questo rivelatore è infatti richiesto di essere efficiente (>99%) e di avere un’ottima risoluzione temporale (50 ps). In aggiunta fornisce una risoluzione spaziale ~cm e tollera rate ~kHz/cm2
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Risoluzione temporale ed efficienza delle MRPC
NIM A532, (2004), 611 NIM A532, (2004), 611
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Electronics and R&D
FEE : NINO ASIC chip (NIM A533, (2004), 183) TDC : based on HPTDC chip developed at CERN (NIM
A533, (2004), 178) and commercialized by CAEN V1190 and V1290 9U VME
Two different cards: one with NINO and the other with HPTDC: can we integrate NINO and HPTDC on the same card ?
We want to study also the possibility to use a different TDC chip like ACAM TDC-F1 chip
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Conclusioni
•Metodo nuovo (ed innovativo) per la misura dell’edm del deuterio a 10-29 ecm. presentato (e ben accolto) nell’Agosto 2006 a BNL
•La collaborazione si sta muovendo per definire i parametri della macchina
•Interesse italiano (oltre che olandese ed americano) per lo sviluppo del polarimetro
•Scelta del rivelatore da definire (MRPC?)
Attività a breve termine:
•Studio di Monte Carlo (FLUKA e GEANT) per ottimizzare il disegno/scelta del rivelatore
•Test beam a COSY per misurare la sezione d’urto e il potere
analizzante del processo d 12C d 12C*
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Possibili test beam a COSY
La Coll. ha presentato una richiesta di tempo macchina al comitato scientifico di COSY (che si riunira’ a fine Maggio), chiedendo:
Un primo periodo (in autunno/inverno 2007) di 2 settimane per test sulla targhetta di CUn secondo periodo (nella primavera del 2008) per la misura della sezione d’urto e potere analizzante della reazione d 12C d 12C*
Noi siamo intenzionati a partecipare a questi test:2 settimane uomo per il TB 2007
4-5 settimane uomo per il 2008Stima del costo del prototipo del rivelatore circa 10kEur.
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SPARES
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d 12C d 12C*
I = Io[1+T202+2(T21
2+T112)cos(ϕd)+2T22
2cos(2ϕd)]
Se il fascio incidente è un nucleo di deuterio polarizzato la sezione d’urto si può scrivere in funzione di varie funzioni di struttura (Phys. Rev. 98, (1955), 139) :
Dove I(Ed,θd,ϕd), Io(Ed,θd) e Tij(Ed,θd) in particolare:
T11=-√3/2(Sx+iSy), T10=√3/2Sz,T22=√3/2(Sx+iSy)2
T21=-√3/2[(Sx+iSy)Sz+Sz(Sx+iSy)], T20=1/√2(2Sz2-2)
e: Sd = Sp + Sn
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Tipico esperimento di polarimetria
beamdirection
scatteringplane
y
x
z
leftdetector
β
rightdetector
target
(φ=0)
A polarization of the beam (p) causes a difference in the ratesfor scattering to the left compared to the right.
φ
θ
left and right detectorsuseful for vector polarization
For deuterons (S=1):
]2cossin)(2
3
sincossin)(3)1cos3()(8
1
cossin)(31[)(),,(
222
212
20
11
φθβ
φθθβθβ
φθββσφϑβσ
Tp
TpTp
iTp
T
TT
Vunp
−
−−+
+=
analyzing power(determined by nuclear
effects in scattering)governs spin sensitivity
unpolarized cross section(determined by nuclear
effects in scattering)governs efficiency
1
31
101
0
11
=++−=−=
−
−
ffffpffp
T
V