Sviluppo di un polarimetro per la misura del momento di dipolo elettrico (EDM) del deuterio

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 dell’EDM del deuterio ad un anello di accumulazione • Caratteristiche del Polarimetro • Prospettive future

2. Deuteron EDM experiment at a storage ring LOI presentata a BNL, Agosto 2006 Goal: Misura dell’EDM del D a 10-29ecm Risposta del PAC di BNL (Sett 06) Storage Ring EDM Collaboration

3. 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

4. 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) 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

5. Limiti sperimentali di edm e sensibilità a nuova fisica Non solo Susy • Il contributo del SM a EDM è almeno 5 ordini di grandezza inferiori ai valori sperimentali • Susy predice valori di EDM di 1-2 ordini di grandezza inferiori ai valori sperimentali • EDM e’ sensibile a scale di energia beyond LHC Perché EDM è così soppresso nel SM?

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 dnCKM~10-31ecm SUSY da’ EDM ad un loop! dSUSY>>dSM

7. 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 (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 E=1MV/m; d=10-26ecm) • Fattori limitanti: controllo di B ed E (10-7 Hz DB~10-10Gauss; BTerra=0.5 Gauss)

8. 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) (we~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) (wa=aeB/mc)

9. Principio di funzionamento C’e’ comunque un problema: we <<wa 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 dell’anello. La variazione della velocità fa si che non si cancelli segnale

11. B2T 10m D=0 D0 P01.5GeV/c 5m Resonance EDM RING (Y.Orlov, et al., PRL 96, 214802(2006)) Y. Orlov, Cornell

12. Come si misura il segnale ? Si misura l’asimmetria LR (PV) prodotta dall’interazione di D su targhetta di Carbonio Polarimetro U “defining aperture” primary target “extraction” target - gas L R D Target could be Ar gas (higher Z). R Δ D 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 DETECTOR: È abbastanza lontano perché l’illuminazione ‘a ciambella’ non sia un pb di accettanza Δ < R “Estrazione” per Scattering coulombiano del deuterio PRIMARY TARGET: può essere necessario Rimuovere la targhetta durante l’iniezione 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) • Campionamento del segnale col tempo • Misura di varie asimmetrie

13. Tipico esperimento di polarimetria (φ=0) y left detector φ left and right detectors useful for vector polarization x θ 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) 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

14. Potere analizzante • L’analyzing power si ottiene facendo misure a f1 e f2 = f1+p: • Ottimizzare il polarimetro significa ottimizzare • sunp(θ) e Ay(θ)  si usa costruire una Figura di merito (FOM): si misura l’asimmetria p A

15. Impulsi in gioco Opzione attuale: pd = 1.0 -1.5 GeV/cTd = 250 – 525 MeV • Riferimenti sperimentali: • dati di POMMEal 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) 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 θ in: [30°, 65°] test sperimentali dedicati sono stati condotti a KVI (Groningen, NL)

16. wire chambers Iron absorber Carbon target Data from Pomme polarimeter at energies > 200 MeV sunp(b) iT11(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.

17. iT11 s Lab angle (deg) Lab angle (deg) 10o 20o 30o 10o 20o 30o 24o iT11 FOM 14o 18o 5o 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 (p~1 GeV/c) these two choices lead to different angle covarage. But as momentum risesFOM and analyzing power peak together. 700 MeV

18. 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.

19. 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 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 d 12C  d 12C* Necessità di un’ottima risoluzione temporale se si vuole utilizzare il TOF per discriminare i vari canali

20. 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

21. 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

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

23. Electronics andR&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 touse a different TDC chip like ACAM TDC-F1 chip

24. Conclusioni • Metodo nuovo (ed innovativo) per la misura dell’edm del deuterio a 10-29e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*

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 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.

26. SPARES

27. 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,qd,fd), Io(Ed,qd) e Tij(Ed,qd) 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

28. Tipico esperimento di polarimetria (φ=0) y left detector φ left and right detectors useful for vector polarization x θ 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 deuterons (S=1): unpolarized cross section (determined by nuclear effects in scattering) governs efficiency analyzing power (determined by nuclear effects in scattering) governs spin sensitivity