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1 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.

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1 1 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 dellEDM del deuterio ad un anello di accumulazione Caratteristiche del Polarimetro Prospettive future

2 2 Deuteron EDM experiment at a storage ring LOI presentata a BNL, Agosto 2006 Risposta del PAC di BNL (Sett 06) Goal: Misura dellEDM del D a e cm Storage Ring EDM Collaboration

3 3 Misura dellEDM del D a e cm vs esperimenti (presenti e futuri) dell EDM dei sistemi adronici B. Marciano, 2006 PAC meeting, BNL Una misura a e cm per il D, rappresenterebbe un miglioramento di alcuni ordini di grandezza rispetto ai valori attuali (e futuri) dellEDM del neutrone

4 4 Perché cercare lEDM 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 lattuale asimmetria materia/Anti materia nelluniverso) (Argomento di Sakharov) Per inversione temporale:T(sE) = -s E (cambia la direzione di spin, ma non E) d 0 T (P) è violato Violazione di T

5 5 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

6 6 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! d SUSY >>d SM d n CKM ~ ecm

7 7 Come si misura EDM per neutroni o atomi pesanti (Hg,Tl) ? Si tratta di esperimenti da laboratorio Il metodo standard si basa sullutilizzo di un campo elettrico molto intenso ( 2 MV/m) e di un campo magnetico debole ( 1 T): 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= ecm) Fattori limitanti: controllo di B ed E (10 -7 Hz B~ Gauss; B Terra =0.5 Gauss)

8 8 Perché misurare EDM un anello di accumulazione? Il campo elettrico nel sistema della particella (v x B) 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 dallinterazione/decadimento della particella (Polarimetri o Calorimetri) Sistematiche differenti e dagli esperimenti usuali - Tempi di coerenza di spin ~ s Il segnale di EDM è dominato dalla precessione di (g-2) ( a =aeB/mc)

9 9 Principio di funzionamento Ce comunque un problema: Difficile da osservare e << a La collaborazione ha sviluppato un metodo che è sensibile a ecm per il deuterio

10 10 Modulare la velocità della particella con frequenza di sincrotone s = a 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 dellanello. La variazione della velocità fa si che non si cancelli segnale Richiede un anello di dimensioni ridotte

11 11 Y. Orlov, Cornell D=0 D 0 10m 5m B 2T P 0 1.5GeV/c Resonance EDM RING (Y.Orlov, et al., PRL 96, (2006))

12 12 Come si misura il segnale ? 1.Campionamento del segnale col tempo 2.Misura di varie asimmetrie Si misura lasimmetria LR ( P V ) prodotta dallinterazione di D su targhetta di Carbonio D L U R R D Δ extraction target - gas defining aperture primary target Polarimetro Target could be Ar gas (higher Z). Estrazione per Scattering coulombiano del deuterio 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) DETECTOR: È abbastanza lontano perché lilluminazione a ciambella non sia un pb di accettanza Δ < R PRIMARY TARGET: può essere necessario Rimuovere la targhetta durante liniezione

13 13 Tipico esperimento di polarimetria beam direction scattering plane y x z left detector β right detector target (φ=0) A polarization of the beam (p) causes a difference in the rates for 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 detectors useful for vector polarization vertical component of the polarization (for S=1/2)

14 14 Ottimizzare il polarimetro significa ottimizzare Ottimizzare il polarimetro significa ottimizzare unp (θ) e A y ( θ ) unp (θ) e A y ( θ ) si usa costruire una Figura di merito (FOM): Lanalyzing power si ottiene facendo misure a 1 e 2 = 1 + : si misura lasimmetria p A Potere analizzante

15 15 Opzione attuale : p d = GeV/c T d = 250 – 525 MeV Impulsi in gioco Opzione iniziale: p d = 0.7 GeV/c T d = 126 MeV Riferimenti sperimentali: dati di POMME al Laboratoire National Saturne (F): NIM A 404 (1998) T d in (0.175 – 1.8) GeV θ in: [4°, 15°] per T d < 300 MeV [2°, 20°] per T d > 300 MeV dati dal Laboratorio RIKEN (Giappone): T d in (200 – 300) MeV (Phys. Lett. B 549 (2002) ) Riferimenti sperimentali: S. Kato et al., NIM A 238 (1985) T d in (35 – 70) MeV θ in: [30°, 65°] test sperimentali dedicati sono stati condotti a KVI ( Groningen, NL)

16 16 Data from Pomme polarimeter at energies > 200 MeV Work here. efficiency (%) average iT 11 momentum (GeV/c) iT 11 ( ) unp ( ) unp ( ) An iron absorber was placed to remove non elastic particles from the scattered flux. At about 700 MeV it loses its effectiveness and iT 11 starts to decline. wire chambers Carbon target Iron absorber

17 17 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. together But as momentum rises FOM and analyzing power peak together. iT 11 5o5o 10 o 14 o 18 o 24 o iT 11 Lab angle (deg) 20 o 30 o 10 o Lab angle (deg) 20 o 30 o FOM 700 MeV Two possibilities:

18 18 Momentum dependence of FOM, iT 11 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 iT 11. Satou gets even larger analyzing powers by cutting out more protons and losing efficiency. The FOM is down about 30% from the open dots.

19 19 Necessità di un test beam (probabilmente a COSY) per supplire alla mancanza o inconsistenza dei dati della reazione d+ 12 C 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) Q d = 10 o (LAB) - TOF over 2 m T d = 200 MeV ΔTOF = 140 ps T d = 400 MeV Δ TOF = 50 ps T d = 600 MeV Δ TOF = 20 ps d 12 C d 12 C* Necessità di unottima risoluzione temporale se si vuole utilizzare il TOF per discriminare i vari canali Ri-misurare d 12 C d 12 C* ?

20 20 Dati disponibili attualmente E d =270 MeV Dove: iT 11 =3/2 Ay T 20 =1/2 Azz T 21 =-1/3 Axz T 22 =1/23(Axx-Ayy) I modelli riescono a riprodurre i dati del canale elastico ma hanno problemi per i livelli eccitati

21 21 Caratteristiche del polarimetro Risoluzione spaziale O(cm) Rate O(kHz/cm 2 ) Risoluzione temporale 99%) e di avere unottima risoluzione temporale (50 ps). In aggiunta fornisce una risoluzione spaziale ~cm e tollera rate ~kHz/cm 2

22 22 Risoluzione temporale ed efficienza delle MRPC NIM A532, (2004), 611

23 23 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

24 24 Conclusioni Metodo nuovo (ed innovativo) per la misura delledm del deuterio a e cm. presentato (e ben accolto) nellAgosto 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 durto e il potere analizzante del processo d 12 C d 12 C*

25 25 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 durto e potere analizzante della reazione d 12 C d 12 C* Noi siamo intenzionati a partecipare a questi test: 2 settimane uomo per il TB settimane uomo per il 2008 Stima del costo del prototipo del rivelatore circa 10kEur.

26 26 SPARES

27 27 d 12 C d 12 C* I = I o [ 1+T (T T 11 2 )cos( d )+2T 22 2 cos(2 d ) ] Se il fascio incidente è un nucleo di deuterio polarizzato la sezione durto si può scrivere in funzione di varie funzioni di struttura (Phys. Rev. 98, (1955), 139) : Dove I(E d, d, d ), Io(E d, d ) e T ij (E d, d ) in particolare: T 11 =-3/2(Sx+iSy),T 10 =3/2Sz,T 22 =3/2(Sx+iSy) 2 T 21 =-3/2[(Sx+iSy)Sz+Sz(Sx+iSy)],T 20 =1/2(2Sz 2 -2) e: S d = S p + S n

28 28 Tipico esperimento di polarimetria beam direction scattering plane y x z left detector β right detector target (φ=0) A polarization of the beam (p) causes a difference in the rates for scattering to the left compared to the right. φ θ left and right detectors useful for vector polarization For deuterons (S=1): analyzing power (determined by nuclear effects in scattering) governs spin sensitivity unpolarized cross section (determined by nuclear effects in scattering) governs efficiency


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