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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(

4

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~

22

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

),(),()(

1

21

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