Polarimeter for dEDM experiment

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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

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Deuteron EDM experiment at a storage ring
LOI presentata a BNL, Agosto 2006
Goal Misura dellEDM del D a 10-29 e?cm
Risposta del PAC di BNL (Sett 06)
Storage Ring EDM Collaboration
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Misura dellEDM 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) dellEDM del neutrone
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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 temporaleT(sE) -s E (cambia
la direzione di spin, ma non E)
d?0?T (P) è violato
Violazione di T
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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?
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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

dnCKM10-31ecm
SUSY da EDM ad un loop!
dSUSYgtgtdSM
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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 sullutilizzo di un
  campo elettrico molto intenso (?2 MV/m) e di un
  campo magnetico debole (?1mT)
• 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 E1MV/m d10-26ecm)
• Fattori limitanti controllo di B ed E (10-7 Hz
  ?DB10-10Gauss BTerra0.5 Gauss)

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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) (weE)
• 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 10-100 s
• Il segnale di EDM è dominato dalla precessione
  di (g-2) (waaeB/mc)

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Principio di funzionamento
Ce comunque un problema
we ltltwa
Difficile da osservare
La collaborazione ha sviluppato un metodo che è
sensibile a 10-29 ecm per il deuterio
10
Modulare la velocità della particella con
frequenza di sincrotone ws wa
Richiede un anello di dimensioni ridotte
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
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Resonance EDM RING (Y.Orlov, et al., PRL 96,
214802(2006))
Y. Orlov, Cornell
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Come si misura il segnale ?
Si misura lasimmetria LR (?PV) prodotta
dallinterazione di D su targhetta di Carbonio
Polarimetro
U
defining aperture primary target
extraction target - gas
L
R
D
R
Target could be Ar gas (higher Z).
?
D
Per evitare lo scattering multiplo al di fuori
della targhetta primaria Si sceglie ? ltlt D ? è
una larga frazione del range del deuterio, e
definisce la scala del polarimetro
DETECTOR È abbastanza lontano perché
lilluminazione a ciambella non sia un pb di
accettanza ? lt R
Estrazione per Scattering coulombiano del
deuterio
PRIMARY TARGET può essere necessario Rimuovere
la targhetta durante liniezione
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)

1. Campionamento del segnale col tempo
2. Misura di varie asimmetrie

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Tipico esperimento di polarimetria
(f0)
y
left detector
f
left and right detectors useful for vector
polarization
x
?
z
beam direction
ß
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 S1/2)
analyzing power (determined by nuclear effects
in scattering) governs spin sensitivity
vertical component of the polarization
unpolarized cross section (determined by
nuclear effects in scattering) governs efficiency
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Potere analizzante

• Lanalyzing power si ottiene facendo misure a
  f1 e f2 f1p

• Ottimizzare il polarimetro significa
  ottimizzare
• sunp(?) e Ay(?)

? si usa costruire una Figura di merito (FOM)
si misura lasimmetria p A
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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 ? in
  4, 15 per Td lt 300 MeV
• 2, 20 per Td gt 300 MeV
  
• dati dal Laboratorio RIKEN (Giappone)
  Td in (200 300) MeV
• 
  (Phys. Lett. B 549 (2002)
  307-313)

Opzione iniziale pd 0.7
GeV/c ? Td 126 MeV
Riferimenti sperimentali S. Kato et al.,
NIM A 238 (1985) 453-462
Td in (35 70) MeV
? in 30, 65
test sperimentali dedicati sono stati condotti a
KVI (Groningen, NL)
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Data from Pomme polarimeter at energies gt 200 MeV
iT11(b)
sunp(b)
efficiency ()
average iT11
momentum (GeV/c)
Work here.
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.
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Data from 270-MeV deuteron elastic scattering
RIKEN
Two possibilities
Optimize here favor larger analyzing
power, leverage against systematics
Optimize here favor statistical precision
At this energy (p1 GeV/c) these two choices lead
to different angle covarage. But as momentum
rises FOM and analyzing power peak together.
700 MeV
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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.
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Ri-misurare d 12C ? d 12C ?

• Necessità di un test beam (probabilmente a COSY)
  per supplire alla mancanza o inconsistenza dei
  dati della reazione d12C 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
? ?TOF 140 ps Td 400 MeV ? ? TOF 50 ps Td
600 MeV ? ? TOF 20 ps
d 12C ? d 12C
Necessità di unottima risoluzione temporale se
si vuole utilizzare il TOF per discriminare i
vari canali
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Dati disponibili attualmente Ed270 MeV
Dove iT11v3/2 Ay T201/v2 Azz T21-1/v3
Axz T221/2v3(Axx-Ayy)
I modelli riescono a riprodurre 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 ltns 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 (gt99) e di avere unottima
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 RD

• 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
  delledm del deuterio a 10-29 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 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 C
• Un secondo periodo (nella primavera del 2008) per
  la misura della
• sezione durto 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.

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SPARES
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d 12C ? d 12C
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)
I Io1T2022(T212T112)cos(fd)2T222cos(2fd)
Dove I(Ed,qd,fd), Io(Ed,qd) e Tij(Ed,qd) in
particolare T11-v3/2(SxiSy), T10v3/2Sz, T22v
3/2(SxiSy)2 T21-v3/2(SxiSy)SzSz(SxiSy), T
201/v2(2Sz2-2) e Sd Sp Sn
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Tipico esperimento di polarimetria
(f0)
y
left detector
f
left and right detectors useful for vector
polarization
x
?
z
beam direction
ß
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 deuterons (S1)
unpolarized cross section (determined by
nuclear effects in scattering) governs efficiency
analyzing power (determined by nuclear effects
in scattering) governs spin sensitivity