Polarization measurement and manipulation for electric dipole moment measurements in storage rings

Hempelmann, Nils; Stahl, Achim; Gebel, Ralf; Pretz, Jörg Johannes

doi:36975

Polarization measurement and manipulation for electric dipole moment measurements in storage rings = Polarisationsmessung und -manipulation zur Messung elektrischer Dipolmomente in Speicherringen

Hempelmann, Nils^RWTH*

2018

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Nils Hempelmann, M.Sc. Physik

ImpressumAachen 2018

Umfang1 Online-Ressource (113 Seiten) : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Pretz, Jörg Johannes (Thesis advisor)^RWTH* ; Stahl, Achim (Thesis advisor)^RWTH* ; Gebel, Ralf (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2018-02-14

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2018-221496
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/718035/files/718035.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
CP-violation (frei) ; EDM (frei) ; FPGA (frei) ; Spin (frei) ; polarization (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Elektrische Dipolmomente (EDM) bei Elementarteilchen verletzen die CP-Symmetrie. Eine Entdeckung von EDMs oberhalb der extrem kleinen Standarmodellvorhersage wäre ein Zeichen für neue Physik, die möglicherweise mit der noch nicht erklärten Dominanz der Materie über Antimaterie im Universum zusammenhängt. Die meiste Forschung über EDMs konzentriert sich auf neutrale Teilchen, wie Neutronen oder Atome. Das EDM geladener Teilchen, wie Protonen oder Deuteronen, könnte in einem Speicherring gemessen werden. Dazu wird die Präzession des Spinvektors im elektrischen Feld im Ruhesystem der Teilchen betrachtet. EDM-Messungen in Speicherringen sind einer der Forschungsschwerpunkte des Cooler Synchrotron (COSY) am Forschungszentrum Jülich. In dieser Arbeit werden zwei Beiträge dazu behandelt: die vollständige Ersetzung der usleseelektronik des Niederenergiepolarimeters bei COSY und die Analyse von Daten, die mit dem neuen Spinfeedbacksystem aufgenommen wurden. Das Niederenergiepolarimeter (Low Energy Polarimeter, LEP) is ein Polarimeter in der Injektionsbeamline von COSY. Die Polarisation wird mittels elastischer Streuung an einem Kohlenstofftarget bei einer Energie von 75 MeV bei Deuteronen bzw. 45 MeV bei Protonen gemessen. Die auslaufenden Teilchen werden mit zwölf Plastikszintillatoren nachgewiesen, die in Dreiergruppen oberhalb, unterhalb, links und rechts vom Target angebracht sind.Die alte, analoge Elektronik wurde durch ein neues System auf Grundlage von FPGAs ersetzt. Das neue System kann die Amplitude, die Flugzeit sowie die Pulsform der Detektorsignale messen. Alle Daten werden für Offlineanalysen gespeichert, was vorher nicht möglich war. Die Rate bei Spektrummessungen konnte, abhängig vom Struewinkel, von etwa 10 kHz bei der alten Elektronik auf Werte von 30 kHz bis über 150 kHz verbessert werden. Das Spinfeedbacksystem kann die schnelle (~ 121 kHz) Präzession der horizontalen Polarisation an ein externes rf Signal anpassen. Es wird ein gebunchter Strahl verwendet. Die Umlauffrequenz wird laufend angepasst, um den Phasenunterschied zwischen der horizontal Polarisation und dem externen rf Signal konstant zu halten. Das Feedbacksystem wurde durch direkte Messungen der relativen Phase getestet. Zusätzlich wurde die Polarisation mit einem rf Solenoiden aus der horizontalen Ebene herausgedreht, während das Feedbacksystem lief. Der Effekt des Solenoiden zeigt eine sinusförmige Abhängigkeit von der fürs Feedback eingestellten relativen Phase, was ein weiterer Beleg dafür ist, dass das System funktioniert. Das Feedbacksystem erfüllt die Anforderungen eines EDM-Experiments. Zusätzlich wurden durch den Solenoiden erzeugte getriebene Oszillationen der Polarisation untersucht, bei denen das Feedbacksystem verwendet wurde, um die Anfangsbedingungen einzustellen. Die beobachteten Oszillationen der vertikalen und horizontalen Polarisation konnten mit einem analytischen Modell beschrieben werden.

Electric dipole moments (EDM) in elementary particles violate CP-symmetry. A discovery of EDMs above the extremely small Standard Model predictions would indicate new physics, possibly related to the unexplained dominance of matter over antimatter in the universe. Most research on EDMs has focused on neutral particles such as neutrons or atoms. The EDM of charged particles, like protons or deuterons, could be measured in storage rings using the precession of the spin vector in the electric field in the rest frame of the particles. Storage ring EDM measurements are one of the main research goals for the Cooler Synchrotron (COSY) at Forschungszentrum Jülich. This thesis makes two contributions to this goal: the complete replacement of the read-out electronics of the Low Energy Polarimeter at COSY and the analysis of data taken using the new spin feedback system. The Low Energy Polarimeter (LEP) is a polarimeter in the injection beam line of COSY. The polarization is measured at an injection energy of 75 MeV for deuterons and 45 MeV for protons using elastic scattering off a carbon target. Outgoing particles are measured using twelve plastic scintillator detectors mounted in groups of three above, below, left and right of the target. The old, analog electronics was replaced with a new system based on field programmable gate arrays (FPGA).The new system can measure amplitude and time of flight spectra as well as the pulse shape of the detector signals. All data is saved for offline analysis, which was not previously possible. The rate of spectrum measurements could be improved from about 10 kHz for the old electronics to values from 30 kHz to over 150 kHz, depending on the scattering angle. The spin feedback system is able to adjust the rapid (~ 121 kHz) in-plane spin precession to the frequency of a radio frequency (rf) solenoid. The feedback system uses a bunched polarized beam. The revolution frequency is adjusted constantly to keep a fixed phase between the horizontal polarization and the external rf signal. The feedback system was tested using direct measurements of the relative phase. Additionally, the polarization was rotated out of the horizontal plane using the rf solenoid while the feedback was running. The effect of the solenoid shows a sinusoidal dependency on the relative phase set by the feedback, further proving that the system works. The feedback system meets the requirements for use in an EDM experiment. Driven oscillations of the polarization induced by the rf solenoid were also examined, using the feedback system to set the initial conditions. The observed oscillations in the vertical and horizontal polarizations could be described using an analytical model.

OpenAccess:
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