eth-zürich inr-moscou, lmops- le bourget du lac lapp...

Dec-11-03 LPSC - Grenoble 1

Projet Positron - positroniumProjet Positron - positronium

ETHETH--ZürichZürichINRINR--MoscouMoscou,,

LMOPSLMOPS-- LeLe Bourget du lacBourget du lacLAPPLAPP--AnnecyAnnecyCERI CERI -- OrléansOrléans

# aspects physique# aspects physique fondamentale fondamentale et et physiquephysique appliquéeappliquée..


Pour mémoirePour mémoire

Positronium:E= EH/2 = 6.8eV (13.6eV) Rayon = 2 rB = 10-8 cm.deux états: singlet et triplet (para & ortho)

Parapositronium (pPs)S=0; C = (-1)L+S = (-1)n

Etat fond. L=0n = 2, 4, 6….γN(4)/N(2) ~ 10-6

Durée de vie ~ 0.125 ns

Orthopositronium (oPs)S=1; C = (-1)L+S = (-1)n

Etat fond. L=0n = 3, 5…. γN(5)/N(3) ~ 10-6

Durée de vie ~ 142 ns


HistoriqueHistorique

•1931- Prévision du positron (Dirac).•1932- Découverte du positron C. Anderson.•1934- Mohorovicic prévision état lié e+ e-. Astro.. Nacht. 253 94

•1945- Ruark propose le nom positronium Ps Phys.Rev. 68 278.•1946- Wheeler preuve th. de Ps et Ps -. Ann. NY Acad. Sci.48-219.

•1951- Deutsch découverte exp. de Ps Phys.Rev. 83 866.•1958- Cherry 1ere observation modération des positrons.•1959- Mc Gervey, de Benedetti ==> nom pPs, oPs.•1969- Paulin et Ambrosino formation de Ps dans poudres. (therm. Ps)•1972 Canter & al. Redécouverte Modération dans MgO. (faisceau)•1981 Mills existence de Ps -.


PropriétésPropriétés

•Positronium ==> propriétés de symétrie C, CP, CPT.•Objet purement QED Etat lié et désintégration.•Modèle pour états liés (charmonium).•Durée de vie de l’oPs (“oPs lifetime puzzzle”)

•Ps a les nombres quantiques du vide. oPs a de plus une durée de vie longue. Au delà du SM (extra-dimension, matière miroir …)?


Durée de vieDurée de vie

7.02

7.025

7.03

7.035

7.04

7.045

7.05

7.055

7.06

1980 1985 1990 1995 2000 2005

orthopositronium lifetime

gasvacuumpowder

year

theory 2000

•Th ≈2ppm exp. ≈ 200 ppm• Expérience dans le vide. Faisceau.

Canaux “exotiques”•γ X, γγ X (X new light particle)•γ X1 X2•Single γ•2, 4 γ’s•Millicharged particles•5 γ contribution

•Hypothèses:•Invisible decay (mirror world, extradimen…)

“Accord” récent == 2 commentaires:•Expériences trés difficiles. Questions en suspens.•Expériences dans le vide et la matière.

Nos Priorité ont changé à la suite de:


Workshop ETH Zürich mai 2003

Session I: Physics beyond the SMA. Rubbia (ETHZ) Introduction P. Tinyakov (Lausanne U.) Brane world and disappearance of orthopositronium P. Crivelli (ETHZ) Search for the decay o-Ps->invisible state Z. Berezhiani (LNGS-INFN) Concept of Mirror World and experimental consequencesS. Gninenko (INR-Moscow) Search for invisible decays of ortho-positronium in vacuumN. Krasnikov (INR- Moscow) C,P,T,CP,CPT and positroniumM.Felcini (ETHZ) Experimental tests of CP and CPT in positronium decays P.Vetter (UC Berkeley) Experimental tests of fundamental symmetries in positronium annihilationSession II: o-Ps decay rate: precision predictions and measurementsS. Karshenboim (Mendeleev Inst. for Metrology, St. Petersburg and Max Planck Institut, Garching) Precision study of positronium and precision tests of the bound state QEDA. Penin (INR and Hamburg Univ.) Current status and future perspectives of the high order QED calculationsA. Antognini (LMU, Munich and PSI) High precision tests of bound-state QED in muonic hydrogenC.Smith (Univ. Cath. de Louvain) What could we learn from QED for QCD? S. Asai (Tokyo Univ.) Recent results on o-Ps decay rate in SiO_2D. Sillou (LAPP, Annecy) Status of precision measurements of the o-Ps decay rate A. Belov / S.Gninenko (INR- Moscow) A new high precision measurement of the o-Ps decay rate in vacuum Session III: Applications of positron beamsV. Bondarenko (Univ. Halle) Study of semiconductors with positronsC. Bas (LMOPS) Interaction of positrons in polymers

Session IV: Discussion

http://neutrino.ethz.ch/Positron/


Positron Facility

Slow Positron Beam Activity

Educational Aspects

Radioactive Source Activity

Fundamental Research•Mirror Symmetry•Dark Matter•QED Test•Ps Free Gravity Fall•Ps BE Condensation

Applied Research•Polymers•Semiconductors•Porous Materials•PET based on RPC

Fundamental Research•Extra Dimension•Light Bosons, Axions•Fractionally Charged Particles•Tachyons•Other Exotics•QED Test

Applied Research•PAL Spectroscopy•DB Spectroscopy•Auger Spectroscopy•Others

Simulation•Beam (Particle Transportation)

•Detector Response•General Experiment Design

TechnicVery high time/energy resolution detectors

Dedicated electronicsUltra-fast scintillators

Penning trap


Au delà du Modèle Standard IAu delà du Modèle Standard I

Extra-dimensions:

1999 L. Randall and R. Sundrum, Phys. Rev. Lett. 83, 4690

2000 S.L. Dubovsky, V.A. Rubakov and P.G. Tinyakov Phys. Rev. D 62 105011

2003 S.N. Gninenko, N.V. Krasnikov, A. Rubbia Phys. Lett. B 193 (2003) 168

Particule scalaire massive

γ virtuel

Γ Φ → adddim.( ) = πm16

mk

⎛ ⎝ ⎜

⎞ ⎠ ⎟

2

Γ γ * → adddim.( ) = π m

γ *

4m

γ *

k

⎛

⎝ ⎜

⎞

⎠ ⎟

2

Γ oPs → γ * → add dim.( )Γ oPs → 3γ( )

= 9π 2 16(π 2 − 9)

1α 2

moPs

k⎛

⎝ ⎜

⎞

⎠ ⎟

2

Γinv = ΓSM Z →νν ( ) + ∆Γinv

Γinv = Γtot − Γhadron −Γlepton ⇐ LEP{ ∆Γinv = − 2.7 ±1.6MeV

∆Γinv ≥ 0 ⇒ ∆Γinv < 2MeV (95%CL) ⇒ k =17TeV

Br(oPs ==> invis.) ≤ 0.4 10-9 Brexp(oPs ==> invis.) ≤ 2.8 10-6


Au delà du Modèle Standard IIAu delà du Modèle Standard II

“Univers miroir”:

1956 Lee & Yang phys. Rev 104, 256

1966 I. Kobzarev, L. Okun, I. Pomeranchuk, Sov. J. Nucl. Phys 3, 837

1986 S. Glashow Phys. Lett. B167, 35

1986 B. Holdom, Phys. Lett. B 166, 196 (millichargées).

Récemment: nombreux articles:

•Implications modèles cosmologiques

•Conséquences possibles: matière noire, déficit neutrinos solaires, masse faible du neutrino, mélange maximal, MACHOS,

Revues récentes:

R. Foot, S.N. Gninenko Phys. Lett. B480 (2000), 171

S.N. Gninenko, V.N. Krasnikov, A. Rubbia Mod. Phys. Lett. A17 (2002).

S.N. Gninenko, talk at Workshop on positronium physic (ETH 30-31 may 2003).

Z. Berezhiani , talk at Workshop on positronium physic (ETH 30-31 may 2003).


Matière MiroirMatière Miroir

Particules:e, n p n…W Z

V - A

Particules:e’, n’, p’, n…W’ Z’

V + A

O-M M-MGravitation<==>

Faible couplageÉlectromagnétique

ε<====>

e+

e-

e'+

e'-

γ

γ'

γ

γ'

γ

γ'oPs oPs'ε ε

Positronium ε ≤ 10-6

“Millicharged” ε ≤ 10-5


Limites sur εLimites sur ε

Matière Miroir peut expliquer Matière noire.•TM-M ≤ 0.6 TO-M (nbre de neutrinos)•Nb’ = 5Nb N’γ/Nγ=[TO-M / TM-M ]3

Estimation BBN ε ≤ 3 10-8

DAMA CRESST(WIMP) interpretation M-M ε ≤ 4 10-9

particle DArk MAtter searches with highly radiopure scintillatorsC ryogenic R are E vent S earch with S uperconducting T hermometers

WIMP:A person who is regarded as weak or ineffectualw(eakly) i(nteracting) m(assive) p(article).]


Oscillation oPs ==> oPs’Oscillation oPs ==> oPs’

Transition oPs ==> oPs’ = oscillation (oPs+oPs’)/√2 et (oPs-oPs’)/√2Fréquence: 2εf; f=87 GHz = contribution splitting oPs - pPs.P(oPs ==> oPs’) ≈ sin2 (ωt)

ΓSM = 7.039934 (10) µs-1 (≈1/142 ns)ω= 2π εf ≈ 5 10-3 µs-1 (pour ε ≈ 10-8)

N = N0 ΓSM sin2 (ωt) exp(-Γsmt)

Nombre de disparitions:(Si la mesure a lieu sur un temps infini).

Temps moyen entre chocs δT:

oPs thermalisé: T≈30meV ==> v≈ 1cm/(1/ ΓSM)

N∝ ≈ 22

ωΓSM

⎡ ⎣ ⎢

⎤ ⎦ ⎥ = 2

22πf

ΓSM

⎡ ⎣ ⎢

⎤ ⎦ ⎥

2ε ≈ 1010 2ε

N ≈ N∝ 1.− e−ΓSMδT( )Sensibilité requise < 10-8


Extra-dimensions. Dispositif experimentalExtra-dimensions. Dispositif experimental

Region of positroniumformation

1

2 3

PM1

PM2

PM1

PM2

Radius 20-22cm

≈ 400Kg, 20λ

Trigger = γ1.27*e+ *e+


Le calorimètreLe calorimètre•Simulation du calorimètre + comparaison expérience24 BGO 10-5 56 BGO 3.3 10-8 98 BGO 10-10


Proposition Berkeley


Photo du calorimètrePhoto du calorimètre


Miroir-Contraintes expérimentalesMiroir-Contraintes expérimentales

Rechercher la disparition de ≈ 1MeV avec unFacteur de rejet > 10-8 ?

Cohérence de l’oscillation:Mesure dans le vide.Cavité de taille “raisonnable” ≈ cmUltra-videExp. de Disparition (de ≈1MeV)Trigger sans bruit de fond ==> faisceau pulsé.Efficacité de détection.

Haute statistique.Formation de oPs efficace (MgO).Efficacité trigger.


Dispositif expérimentalhep-ex/0311031

Dispositif expérimentalhep-ex/0311031

•Pulse 3 ns. E ≈700eV•MCP e- secondaires.

•Calorimètre BGO.•Cible MgOEff. 25% PsE.S. ≈ 4

Trigger = pulse * MCP BF ≈ 3 10-9 (+ amplitude)


Simulation du triggerhep-ex/0311031

Simulation du triggerhep-ex/0311031

MCP Hamamatsu F4655-12Temps montée ≈300-500 psEfficacité collection 95%.


Le faisceauhep-ex/0311031

Le faisceauhep-ex/0311031

E ≈ 100 à 1000 eVI ≈ 104 à 105 /sPulse = δt ≈ 3ns cible.R. R. = 3 à 1 MHzDim (cible) 3 - 5 mm.


BuncherBuncher

Simulation GEANT4 + 3D-BfieldPositrons modérés 3±0.5 eV + queue en E, émission isotropeModérateur Φ 10mm. Buncher Φ 1mm électrode 140cmTransport du faisceau 1.05m Φ 10cm


Le faisceau continuLe faisceau continu

Faisceau continu.


Conclusions


Educational Aspects





Applied Research•PALS Spectroscopy•DB Spectroscopy•Auger Spectroscopy•Others





Faisceau pulsé <100psPenning trap


Conclusions


Educational Aspects





Applied Research•PAL Spectroscopy•DB Spectroscopy•Auger Spectroscopy•Others





Faisceaau pulsé <100psPenning trap

http://www.slac.stanford.edu/grp/rd/epac/Meeting/200311/perez.pdf

eth-zürich inr-moscou, lmops- le bourget du lac lapp...

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