Polarimeter for dEDM experiment - INFN-LNF

Sviluppo di un polarimetro per la misura del
momento di dipolo elettrico (EDM) del deuterio
D. Babusci, A. Ferrari, P. Levi Sandri, G. Venanzoni
LNF
R. Messi, D. Moricciani
INFN Roma Tor Vergata
G. Zavattini
INFN Ferrara
 Proposta di misura dell’EDM del deuterio ad un
anello di accumulazione
 Caratteristiche del Polarimetro
 Prospettive future
1
Deuteron EDM experiment at a storage ring
LOI presentata a
BNL, Agosto 2006
Goal:
Misura dell’EDM del
D a 10-29 ecm
Risposta del PAC di BNL (Sett 06)
Storage
Ring
EDM
Collaboration
2
Misura dell’EDM del D a 10-29 ecm vs esperimenti
(presenti e futuri) dell’ EDM dei sistemi adronici
B. Marciano,
2006 PAC meeting, BNL
Una misura a 10-29 ecm per il D, rappresenterebbe un
miglioramento di alcuni ordini di grandezza rispetto ai
valori attuali (e futuri) dell’EDM del neutrone
3
Perché cercare l’EDM delle particelle
subatomiche?

Se esiste, il dipolo elettrico (intrinseco) di una particella è diretto lungo lo
spin:


e 
e 

d 
s (  g
s ) ; sz  
4mc
2mc
2

In presenza di un campo elettrico:
 
e  
H  d  E  
s E
4mc
Per inversione temporale:T(s•E) = -s •E
(cambia la direzione di spin, ma non E)
d0T (P) è violato
Violazione di T
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)
4
Limiti sperimentali di edm e sensibilità a nuova fisica
Non solo Susy
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?
5
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
dnCKM~10-31ecm
SUSY da’ EDM ad un loop!
dSUSY>>dSM
6
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 (1T):

dS    
 Bd E
dt


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
DB~10-10Gauss; BTerra=0.5 Gauss)
2 B 2dE




d ~
2 ET N

7
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) (e~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)
(a=aeB/mc)
8
Principio di funzionamento
C’e’ comunque un problema:
e <<a
Difficile da osservare
La collaborazione ha sviluppato un metodo che è
sensibile a 10-29 ecm per il deuterio
9
Modulare la velocità della particella con frequenza di
sincrotone s = a
Richiede un anello di dimensioni ridotte
dsV
d
  e s L  vBsL
dt

s L  cos  a t
Due cavità a
radiofrequenza, così
da cambiare la
velocità due volte per
giro (oscillazione di
sincrotone)
se v  v0  Dv0 cos  a t
ds
 V  cos 2  a t  0
dt
segnale
La polarizzazione
verticale si accumula
in direzione opposta
nelle zone opposte
dell’anello. La
variazione della
velocità fa si che non
si cancelli
10
Resonance EDM RING
(Y.Orlov, et al., PRL 96, 214802(2006))
B2T
Y. Orlov,
Cornell
10m
D=0
D0
P01.5GeV/c
5m
11
Come si misura il segnale ?
Si misura l’asimmetria LR (PV) prodotta
dall’interazione di D su targhetta di Carbonio
Polarimetro
“defining aperture”
primary target
“extraction”
target - gas
U
L
R
D
Target could be
Ar gas (higher Z).
“Estrazione” per
Scattering coulombiano
del deuterio
D
Δ
Per evitare lo scattering multiplo
al di fuori della targhetta primaria
Si sceglie Δ << D
Δ è una larga frazione del range del
deuterio, e definisce la scala
del 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 vogliono
in media acune orbite)
R
DETECTOR:
È abbastanza lontano
perché l’illuminazione
‘a ciambella’ non sia
un pb di accettanza
Δ<R
PRIMARY TARGET:
può essere necessario
Rimuovere la targhetta
durante l’iniezione
1. Campionamento del segnale col tempo
2. Misura di varie asimmetrie
12
Tipico esperimento di polarimetria
(φ=0)
φ
y
left
detector
x
θ
left and right detectors
useful for vector polarization
z
β
beam
direction
target
right
detector
scattering
plane
A polarization of the beam (p) causes a difference in the rates
for scattering to the left compared to the right:
(for S=1/2)
 (  , ,  )   unp (  ) 1  pV A(  ) sin  cos  
unpolarized cross section
(determined by nuclear
effects in scattering)
analyzing power
(determined by nuclear
effects in scattering)
governs efficiency
governs spin sensitivity
vertical component of
the polarization
13
Potere analizzante
• L’analyzing power si ottiene facendo misure a f1 e f2 = f1+p:
 (, 1 )   (, 2 )
A( ) 
2 p cos 1 unp ( )
• Ottimizzare il polarimetro significa ottimizzare
unp(θ) e Ay(θ)
 si usa costruire una Figura di merito (FOM):
FOM   unp A
2
y
si misura l’asimmetria p A
14
Impulsi in gioco
Opzione attuale:
pd = 1.0 -1.5

GeV/c
Td = 250 – 525 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):
Opzione iniziale:
pd = 0.7 GeV/c
Td in (200 – 300) MeV
(Phys. Lett. B 549 (2002) 307-313)

Riferimenti sperimentali:
Td = 126 MeV
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)
15
Data from Pomme polarimeter at energies > 200 MeV
unp()
iT11()
efficiency (%)
average iT11
momentum (GeV/c)
Work
here.
wire chambers
Carbon
target
Iron
absorber
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.
16
Data from 270-MeV deuteron elastic scattering – RIKEN

10o
Two possibilities:
iT11
Lab angle (deg)
20o 30o
10o
24o
FOM
Optimize here:
favor larger analyzing power,
leverage against systematics
Lab angle (deg)
20o 30o
Optimize here:
favor statistical precision
iT11
14o
18o
5o
At this energy (p~1 GeV/c) these two choices
lead to different angle covarage.
But as momentum rises FOM and analyzing
power peak together.
700 MeV
17
Momentum dependence of FOM, iT11 and efficiency
The SOLID dots and lines follow the
FORWARD peak in the FOM curve.
The open/dashed dots and lines follow
the analyzing power peak (where there
is enough data to use).
The AVERAGES shown here integrate
over some angle range that covers the
relevant feature in FOM or iT11.
Satou gets even larger analyzing
powers by cutting out more protons
and losing “efficiency”. The FOM
is down about 30% from the open
dots.
18
Ri-misurare d 12C  d 12C* ?
 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
d 12C  d 12C*
Elastic – First Exited Level (4.4 MeV)
Qd = 10o (LAB) - TOF over 2 m
Td = 200 MeV  ΔTOF = 140 ps
Td = 400 MeV  Δ TOF = 50 ps
Td = 600 MeV  Δ TOF = 20 ps
Necessità di un’ottima risoluzione
temporale se si vuole utilizzare il
TOF per discriminare i vari canali
19
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 a
riprodurre i dati del
canale
elastico ma hanno
problemi per i livelli
eccitati
20
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
21
Risoluzione temporale ed efficienza delle MRPC
NIM A532, (2004), 611
NIM A532, (2004), 611
22
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
23
Conclusioni
•Metodo nuovo (ed innovativo) per la misura dell’edm del deuterio a 10-29
ecm. 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*
24
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 C
Un 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 2008
Stima del costo del prototipo del rivelatore circa 10kEur.
25
SPARES
26
d 12C  d 12C*
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) :
I = Io[1+T202+2(T212+T112)cos(fd)+2T222cos(2fd)]
Dove I(Ed,d,fd), Io(Ed,d) e Tij(Ed,d) 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)],
e:
T20=1/√2(2Sz2-2)
Sd = Sp + Sn
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Tipico esperimento di polarimetria
(φ=0)
φ
y
left
detector
x
pV  f1  f 1
θ
pT  1  3 f 0
left and right detectors
useful for vector polarization
z
β
beam
direction
target
f1  f 0  f 1  1
right
detector
scattering
plane
A polarization of the beam (p) causes a difference in the rates
for scattering to the left compared to the right. For deuterons (S=1):
 (  ,  , f )   unp (  ) [1  3 pV iT11 (  ) sin  cos f
1

pT T20 (  ) (3 cos 2   1)  3 pT T21 (  ) sin  cos  sin f
8
unpolarized cross section
(determined by nuclear 
effects in scattering)
governs efficiency
3
pT T22 (  ) sin 2  cos 2f ]
2
analyzing power
(determined by nuclear
effects in scattering)
governs spin sensitivity
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