Development of beam diagnostic systems for electric dipole moment measurements at particle accelerators

Hinder, Fabian; Pretz, Jörg Johannes; Feld, Lutz

doi:HT019640245

Development of beam diagnostic systems for electric dipole moment measurements at particle accelerators

Hinder, Fabian^RWTH*

2017 & 2018

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Master of Science Fabian Hinder

ImpressumAachen 2017

Umfang1 Online-Ressource (VIII, 104, xvii)

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2018

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Pretz, Jörg Johannes (Thesis advisor)^RWTH* ; Feld, Lutz (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2017-11-24

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2018-222658
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/720190/files/720190.pdf

Einrichtungen

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Ein Rätsel der modernen Physik ist der beobachtete Überschuss von Materie über Antimaterie im Universum. Eine häufige Erklärung für diesen Überschuss basiert auf CP-verletzenden Quellen. Im Allgemeinen ist die CP-Verletzung im Standardmodell (SM) der Teilchenphysik enthalten, aber die Menge an CP-Verletzung ist nicht ausreichend, um die gemessene Materie-Antimaterie-Asymmetrie zu erklären. Daher werden zusätzliche Quellen außerhalb des SM gesucht. Eine Möglichkeit, diese Quellen zu finden, ist die Suche nach permanenten elektrischen Dipolmomenten (EDMs) fundamentaler Teilchen, da diese die CP-Symmetrie verletzen. Die Suche nach EDMs begann vor Jahrzehnten im Bereich der elektrisch neutralen Teilchen. Bis jetzt sind alle Messungen von EDMs mit Null kompatibel. Zusätzlich zu Messungen an neutralen Teilchen sind die EDMs geladener Teilchen, wie das Proton oder Deuteron, von Interesse, um mögliche CP-verletzende Quellen zu identifizieren. Für die geladenen Teilchen werden neue experimentelle Methoden benötigt. Diese Methoden basieren auf der Verwendung von dedizierten Speicherringen. Um einen dedizierten Speicherring zu entwickeln, startete die JEDI (Jülich Electric Dipole Moment Investigations) Kollaboration mit Experimenten am bestehenden Magnetspeicherring COSY (Cooler Synchrotron) am Forschungszentrum Jülich. In den Jahren 2017 bis 2019 ist eine erste direkte EDM-Messung des Deuterons unter Verwendung eines RF-Wien-Filters geplant. In diesem Versuchsaufbau würde ein nichtverschwindendes EDM zu einem Polarisationsaufbau aus der Speicherringebene in die vertikale Richtung führen. Dieser Aufbau kann auch durch Wechselwirkungen des magnetischen Dipolmoments mit Magnetfeldern erzeugt werden, wenn der Teilchenstrahl nicht zentrisch durch die magnetischen Elementen des Beschleunigers zirkuliert. Um diesen systematischen Fehlerquellen entgegenzuwirken, wird ein Orbitkorrektursystem benötigt, welches Strahlpositionsmonitore (BPMs) und Korrekturmagnete umfasst. Das bestehende BPM-System von COSY, einschließlich der Ausleseelektronik, ermöglicht eine Positionsmessung mit einer statistischen Auflösung von 1 μm für einen zentrierten Strahl. Neben der statistischen Auflösung ist die systematische Genauigkeit ein wichtiges Merkmal für eine Strahlpositionsmessung. Diese Genauigkeit liegt in der Größenordnung von 0,1 mm für die bestehende Elektronik und ist eine Hauptquelle für systematische Unsicherheiten für EDM-Experimente. Um die Unsicherheit auf die EDM-Messung zu reduzieren wird die Ausleseelektronik ersetzt, mit dem Ziel eine systematische Genauigkeit und statistische Auflösung von 4 μm zu erreichen. Um die gemessene Strahlposition auf Null zu korrigieren, wird im Rahmen dieser Arbeit ein Korrekturalgorithmus entwickelt und geprüft. Dieser Korrekturalgorithmus beinhaltet die Softwareentwicklung einer automatisierten Messung der Orbit Response Matrix (ORM) und eine detaillierte Analyse der Invertierung dieser Matrix. Die invertierte Matrix wird verwendet, um Ablenkwinkel für die Korrekturmagnete zu berechnen, welche die Strahlposition in allen Elementen korrigieren. Die Anwendung des Korrekturalgorithmus führt zu einem Orbit-RMS (Root Mean Square) von 2 mm, was für EDM-Messungen nicht ausreichend ist und deutlich schlechter ist als die theoretische Grenze, die aufgrund der BPM-Auflösung und -Genauigkeit erwartet wird. Um diese Diskrepanz zu erklären, wurden Simulationen durchgeführt. Diese Simulationen zeigen, dass eine angenommene Positionsgenauigkeit der Magnete von 0,5mm einen Orbit-RMS von 2 mm erklären kann. In einer Vermessung der Position aller Magnete wurde diese Vorhersage bestätigt. Basierend auf diesen Ergebnissen wurde eine Neuausrichtung der Magnete gestartet. Neben der Neuausrichtung der Magnete können zusätzliche Korrekturmagnete und zusätzliche BPMs innerhalb der Simulationen platziert werden. Diese zusätzlichen Elemente verbessern die Strahlpositionierung. Die Ausstattung von COSY mit zusätzlichen Elementen und die Neuausrichtung der Magnete sollte zu einem Orbit-RMS von 10 μm führen, der im selben Bereich liegt wie die Auflösung und Genauigkeit der verbesserten BPM-Elektronik. Neben dem Korrekturalgorithmus, der Ausgangspunkt eines Live-Orbit-Feedback Systems ist, wird die Verbindung von Spin-Tune-Änderungen und ORM-Messungen analysiert. Als Ergebnis dieser Analyse wird eine neue Methode zur Messung der Dispersionsfunktion an Korrektormagneten in dieser Arbeit entwickelt und vorgestellt.

One puzzle of modern physics is the observed matter over antimatter dominance in the universe. A common explanation for this dominance is based on CP violating sources. In general CP violation is included in the Standard Model (SM) of particle physics, but the amount of CP violation is not sufficient to explain the measured matter-antimatter-asymmetry. Therefore, additional sources beyond the SM are searched for. One way of finding these sources is the search for permanent Electric Dipole Moments (EDMs) of fundamental particles, since they violate CP symmetry. The search for EDMs started decades ago in the sector of neutral particles. Up to now all measurements of EDMs are compatible with zero. Complementary to the neutral particles, the EDMs of charged particles, like the proton or deuteron, are of interest to disentangle possible sources of CP violation. For the charged particles, new experimental methods are needed. These methods are based on the usage of dedicated particle storage rings. In order to develop a dedicated storage ring, the JEDI (Jülich Electric Dipole moment Investigations) collaboration started experiments at the existing magnetic storage ring COSY(Cooler Synchrotron), at Forschungszentrum Jülich in Germany. Within the years 2017 to 2019, a first direct EDM measurement of the deuteron by using a radio frequency Wien filter is planned. In this experimental setup, a non zero EDM would lead to a polarization buildup out of the storage ring plane into the vertical direction. This buildup can also be created by interactions of the magnetic dipole moment with magnetic fields, if the trajectory of the particle beam is not centered in the magnetic elements of the accelerator. In order to counteract this systematic error sources, an orbit correction scheme, including Beam Position Monitors (BPMs) and corrector magnets is needed. The existing BPM system at COSY, including the readout electronics, allows a position measurement with a statistical resolution of 1 μm for a centered beam. In addition to the statistical resolution, the accuracy is one important characteristic for a beam position measurement. This accuracy is in the order of 0.1mm for the existing electronics and one major source of systematic uncertainties for EDM experiments. As a conclusion of this result, an upgrade program of the BPM readout has started with the goal to reach an accuracy and resolution of 4 μm. In order to correct the measured beam position to zero, a correction algorithm is developed and benchmarked. This correction algorithm includes the soft-ware development of an automated measurement of the Orbit Response Matrix (ORM) and a detailed analysis of the inversion of this matrix. The inverted matrix is used to calculate deflection angles for the corrector magnets in order to correct the beam position in all elements. Applying the correction algorithm results in an orbit RMS (Root Mean Square) of 2mm, which is not sufficient for EDM measurements and much worse than the theoretical limit derived from the BPM resolution and accuracy. Simulations have been performed to explain this discrepancy. The simulations indicate, that the magnets positions are known to a precision of 0.5mm. In a survey of all magnets this prediction was confirmed. Based on these results an alignment campaign started and is ongoing. Besides the realignment of the magnets, additional corrector magnets and additional BPMs can be placed within the simulations to improve the orbit quality. Upgrading COSY with additional elements and realigning the magnets should lead to an orbit RMS of 10 μm, which is in the same range as the resolution and accuracy of the upgraded BPM electronics. Besides the correction algorithm, which is a starting point of a live orbit feedback, the connection of spin tune changes and ORM measurements was analyzed. As a result of this analysis, a new method to measure the dispersion function at corrector magnets is developed and presented in this thesis.

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