Experimental benchmarking of spin tracking algorithms for electric dipole moment searches at the cooler synchrotron COSY

Rosenthal, Marcel; Aulenbacher, Kurt; Pretz, Jörg; Lehrach, Andreas

doi:urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-079449

Experimental benchmarking of spin tracking algorithms for electric dipole moment searches at the cooler synchrotron COSY = Experimentelles Benchmarking von Spin Tracking Algorithmen zur Suche nach elektrischen Dipolmomenten am Kühlersynchrotron COSY

Rosenthal, Marcel

2016

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Master of Science Marcel Stephan Rosenthal

ImpressumAachen 2016

Umfang1 Online-Ressource (XI, 170, xxv Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2016

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Pretz, Jörg (Thesis advisor) ; Lehrach, Andreas (Thesis advisor) ; Aulenbacher, Kurt (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2016-07-14

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-079449
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/671012/files/671012.pdf
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/671012/files/671012.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

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

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Bekannte Quellen von CP Verletzung im Standardmodell der Teilchenphysik reichen nicht aus, um den Materieüberschuss im bekannten Teil des Universums zu erklären, sodass weitere Quellen jenseits des Standardmodells nötig werden. Diese Quellen können zu messbaren elektrischen Dipolmomenten (EDMs) beitragen. In den seit mehreren Dekaden durchgeführten Messungen mit neutralen Teilchen konnte bisher kein von Null verschiedenes EDM beobachtet werden. Die derzeit präziseste Messung für das Neutron EDM lieferte ein oberes Limit von 2,9 · 10^-26 e cm (90% C. L.). Die Nutzung von dedizierten elektrischen Speicherringen für Messungen mit Protonen, Deuteronen und leichten Kernen wurde vorgeschlagen. Die Voraussetzungen und Limitierungen werden derzeit von der JEDI (Jülich Electric Dipole moments Investigations) Kollaboration am bestehenden magnetischen Speicherring, dem Kühlersynchrotron COSY, untersucht. Ebenfalls ist eine erste direkte Messung des Deuteron EDMs unter Verwendung eines hochfrequenten (HF) Wien Filters geplant, die ein EDM bezogenes Spin-Polarisationssignal erzeugt. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein neues Framework entwickelt, welches eine komfortable Umgebung zur Simulation und Analyse bereitstellt, um diese Messmethode zu überprüfen. Dieses Framework ist mit dem bestehenden Simulationscode COSY INFINITY verknüpft, der es ermöglicht Transferabbildungen für die Koordinaten der Teilchen und deren Spins zu berechnen. Die iterative Anwendung dieser Abbildungen ermöglicht die zeitliche Entwicklung der Koordinaten zu simulieren (Tracking). Eine Hauptvoraussetzung für die EDM Experimente in Speicherringen ist eine lange Spinkohärenzzeit, da diese die verfügbare Messzeit limitiert. Wichtige Beiträge zur Spindekohärenz, die einerseits aus einer Weglängenänderung von einzelnen Teilchen resultieren und andererseits durch intrinsische Spinresonanzen hervorgerufen werden, wurden diskutiert und in Simulationen überprüft. Um diese Beiträge zu minimieren, müssen Parameter des Speicherrings, u. a. Arbeitspunkte, Chromatizitäten und „momentum compaction”-Faktor präzise eingestellt werden. Die Modellvorhersagen zur Maximierung der Spinkohärenzzeit wurden durch Messungen bei verschiedenen Arbeitspunkten bestätigt. Unter Verwendung einer konservativen Definition wurden Spinkohärenzzeiten von etwa 750 s erreicht. Dies ermöglichte eine Validierung der neuen Algorithmen die zur Simulation von HF Feldern implementiert wurden. Ein existierender HF Solenoid wurde verwendet, um Oszillationen der vertikalen Polarisation hervorzurufen und zu untersuchen. Theoretische Berechnungen, die eine Abhängigkeit der Oszillationsamplitude von der Solenoidfrequenz vorhersagen, wurden erfolgreich in Simulationen und Messungen reproduziert. Ebenfalls wurden analytische Schätzungen des EDM-abhängigen Polarisationsaufbaus durch auf den neuen Algorithmen basierenden Simulationsrechnungen bestätigt. Systematische Beiträge, die einen ähnlichen Polarisationsaufbau produzieren, entstehen durch Fehlaufstellungen und Feldfehler des HF Wien Filters bzw. der Elemente des Speicherrings. Hier haben Berechnungen gezeigt, dass eine Rotation des HF Wien Filters von 0,1 mrad um die longitudinale Achse einen ähnlichen Aufbau wie ein Deuteron EDM von 5 · 10^−19 e cm ergeben. Die gleiche Größenordnung wurde auch durch zufällige, vertikale Verschiebungen der Quadrupole unter Annahme einer Normalverteilung mit einer Breite von 0,1mm erreicht. Zur Unterdrückung dieser systematischen Beiträge wurden Orbitkorrekturmethoden untersucht. Mit diesen war eine anteilige Kompensation des nicht EDM bezogenen Polarisationsaufbaus, der durch Fehlaufstellungen der Speicherringelemente hervorgerufen wird, möglich.

Known CP violating sources in the Standard Model of Particle Physics are not sufficient to explain the predominance of the observed matter in the Universe. Additional sources beyond the Standard Model are required. These sources can manifest in permanent electric dipole moments (EDMs) of elementary particles. Searches for neutral particles already started decades ago, but no value significantly different from zero has been observed. The current upper limit for the neutron amounts to 2.9 · 10^−26 e cm (90% C. L.). New measurement methods for protons and deuterons in dedicated electrostatic storage rings are proposed. As an intermediate step, essential requirements and limitations are studied by the JEDI (Jülich Electric Dipole moments Investigations) collaboration at the existing magnetic storage ring, the Cooler Synchrotron COSY. A first direct measurement of the deuteron EDM is planned, which employs a radiofrequency (RF) Wien filter to create an EDM related spin polarization signal. In the scope of this thesis a new framework providing a convenient environment for simulation and analysis was created to model this new method. It interfaces with the existing simulation code COSY INFINITY to calculate transfer maps for the particle beam and spin coordinates. These maps are used to perform repetitive tracking. New transfer map based algorithms have been implemented to extend the functionality for time-varying electromagnetic fields. One of the major requirements for storage ring based EDM searches is a long spin coherence time, which limits the available time to conduct the measurement. Important contributions to spin decoherence arising from path-lengthening of individual particles and from intrinsic spin resonances have been discussed and verified by simulation studies. To cancel those contributions, storage ring parameters like betatron tunes, chromaticities and momentum compaction factors require precise adjustment. The measured locations of longest spin coherence times confirmed the model predictions for different betatron tunes. Based on a conservative definition, spin coherence times of about 750 s have been achieved during these studies at COSY. The long spin coherence time allowed for the benchmarking of the new algorithms for time-varying fields. An existing RF solenoid running on an artificial spin resonance was used to introduce vertical polarization oscillations. Theoretical calculations predict a dependence of the oscillation amplitude on the solenoid frequency. These calculations were successfully verified by simulations and measurements. Also analytical estimates of the EDM related polarization could be confirmed by the new algorithms. Systematic contributions mimicking this signal arise from misalignments and field imperfections of the RF Wien filter or the storage ring magnets. Calculations predicted that an RF Wien filter rotation about the longitudinal axis by 0.1 mrad produces a similar signal as an EDM 5 · 10^−19 e cm. The same order of magnitude was obtained by randomly shifting the quadrupole magnets in vertical direction assuming a Gaussian distribution with a width of 0.1 mm. Finally, orbit correction methods to suppress these systematic contributions were applied in simulations. These partially compensated the false EDM signal contributions from misalignments of the static storage ring elements.

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