Investigation of possibilities to measure the deuteron electric dipole moment at storage rings

Chekmenev, Stanislav; Senichev, Yury; Pretz, Jörg Johannes

doi:36183

Investigation of possibilities to measure the deuteron electric dipole moment at storage rings = Untersuchung der Möglichkeiten zur Messung des Deuteron elektrischen Dipolmomentes bei Speicherringen

Chekmenev, Stanislav

2017

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Master of Science Stanislav Chekmenev

ImpressumAachen 2017

Umfang1 Online-Ressource (137 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Pretz, Jörg Johannes (Thesis advisor)^RWTH* ; Senichev, Yury (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2017-02-08

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2017-03791
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/688413/files/688413.pdf
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/688413/files/688413.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
EDM (frei) ; COSY (frei) ; spin dynamics (frei) ; beam dynamics (frei) ; storage ring (frei) ; spin tracking (frei) ; MODE (frei) ; deuteron (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Das Interesse an Experimenten zu elektrischen Dipolmomenten (EDMs) ist stark motiviert durch die Materie-Antimaterie Asymmetrie in unserem Universum. Neue Quellen der CP-Verletzung sind notwendig, um dieses Phänomen richtig zu erklären. Ein EDM eines Elementarteilchens ist ein idealer Kandidat um nach diesen Quellen zu suchen, weil die Existenz eines EDMs CP Verletzung jenseits des Standardmodells erfordert, um entdeckt zu werden. Neue Experimente EDMs geladener Hadronen zu messen wurden vorgeschlagen. Diese Experimente erfordern den Bau neuartiger Speicherringe. Da ein EDM eine Größenordnung von 10-29 e·cm haben kann, muss eine hohe Präzision erreicht werden. Die Empfindlichkeit zukünftiger Experimente ist durch systematische Effekte begrenzt. Diese Arbeit untersucht mögliche Wege zur Minimierung verschiedener systematischer Fehler für zwei Versionen eines Speicherrings und für ein Vorläufer-Experiment, das von der JEDI (Jülich Electric Dipole Moments Investigations) Kollaboration am bereits existierenden Cooler Synchrotron COSY durchgeführt wird. Um die Auswirkungen der systematischen Effekte zu untersuchen, wurde eine große Anzahl von Spin-Orbit-Tracking-Simulationen mit dem neu entwickelten Programmcode MODE durchgeführt. Modellrechnungen für zwei Ansätze mit einem neuartigen Speicherring wurden verfolgt: die sog. "frozen spin" und die "quasi-frozen spin" Methode. Ein weiteres Modell wurde für das Vorläufer-Experiment an COSY studiert. Die Ergebnisse einer im Jahr 2014 durchgeführten Strahlzeit ermöglichten das Benchmarking und Anpassung des Beschleunigermodells und eine Verbesserung der Simulationsrechnung. Einer der dominierenden Effekte, der die Empfindlichkeit limitiert, ist die Spin-Dekohärenz, die an jedem Speicherring auftritt. Die endliche Größe des Bunches in allen drei Richtungen, radial, vertikal und longitudinal verursacht dieses Dekohärenz. Die Verwendung einer Hochfrequenz-Kavität und eine Kombination von Sextupolmagneten führt zu einer Maximierung der Zeit in der die Spins in der horizontalen Ebene ausgerichtet bleiben. Eine Hauptquelle systematischer Effekte ist das "Misalignment" von Elementen im Speicherring. Um diesen Effekt zu minimieren, wurde vorgeschlagen Strahlen sowohl im Uhrzeigersinn als auch entgegengesetzt zirkulieren zu lassen. Für das Vorläufer-Experiment an COSY ist eine falsche Anpassung zwischen dem verwendeten Hochfrequenz-Wienfilter und der Spin-Präzession eine Fehlerquelle. Alle diese Fehlerquellen wurden im Detail untersucht und Sensitivitätsgrenzen wurden berechnet. Die erreichbare Sensitivität für zukünftige Experimente liegt in der Größenordnung von 10$^{-25}$ ─ 10$^{-26}$ e·cm. Für das Vorläufer-Experiment an COSY kann eine Sensitivität von ungefähr 10$^{-19}$ e·cm erreicht werden.

The interest in electric dipole moment (EDM) experiments is highly motivated by the problem of matter-antimatter asymmetry in our universe. New sources of CP-violation are needed to explain that phenomenon properly. An EDM of an elementary particle is a perfect candidate to search for these sources because its existence requires CP-violation beyond the Standard Model to be detected. New experiments for the EDM of charged hadrons are proposed. These experiments require a new type of storage ring to be built. Since an EDM could be as small as 10-29 e·cm, a fantastic precision should be achieved. The main cause that limits a potential sensitivity of future experiments are systematic errors. This thesis investigates possible ways to minimize various systematic errors for two versions of a new storage ring and for the precursor experiment, which will be performed by the JEDI (Jülich Electric Dipole moments Investigations) collaboration at the existing Cooler Synchrotron COSY. To study the impact of the systematic errors a large number of spin-orbit tracking simulations were performed in the newly developed program MODE. Two approaches for using a new storage ring were studied: the frozen and the quasi-frozen spin method. In addition, the precursor experiment at COSY was studied. The results of a test run conducted in 2014 made possible to benchmark and adjust the accelerator model and improve the simulation environment. One of the main quantities that defines the sensitivity is the spin decoherence, which takes place at any storage ring. The finite size of the bunch in all three directions, radial, vertical and longitudinal causes the particles’ spins to decohere. Using an RF cavity and a combination of sextupoles allows one to maximize the time during which the spins stay parallel to each other in the horizontal plane. The main source of systematic error is the misalignment of the elements inside the ring. For a dedicated storage ring, it was proposed to launch two beams in opposite directions (clockwise and counter-clockwise) to average out its impact. For the precursor experiment, the frequency mismatch between an RF Wien filter device that will be used and the frequency of the spin rotation is harmful. All error sources were thoroughly studied and the sensitivity limits were calculated. The EDM limit, which can currently be reached on the future experiments, is of the order of 10$^{-25}$ ─ 10$^{-26}$ e·cm. With the present situation at COSY, the accuracy of the precursor experiment is expected to be of the order of 10$^{-19}$ e·cm.

OpenAccess:
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