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Extensive optimization of a simulation model for the electric dipole moment measurement at the Cooler Synchrotron COSY = Umfangreiche Optimierung eines Simulationsmodells für die Messung des elektrischen Dipolmoments am Cooler Synchrotron COSY
2021
Dissertation, RWTH Aachen University, 2021
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
Genehmigende Fakultät
Fak01
Hauptberichter/Gutachter
; ;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-05-05
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2021-04834
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/819047/files/819047.pdf
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
COSY (frei) ; EDM (frei) ; accelerator (frei) ; model (frei) ; simulation (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530
Kurzfassung
Der Materieüberschuss im bekannten Teil des Universums stellt die Physik immer noch vor ein Rätsel und kann vom Standardmodell der Teilchenphysik nicht erklärt werden. Viele Erklärungsversuche basieren auf CP verletzenden Mechanismen, die zwar im Standardmodell existieren, jedoch zu schwach ausgeprägt sind, um die beobachtete Asymmetrie auslösen zu können. Daher bedarf es zusätzlicher Theorien jenseits des Standardmodells, die zum Großteil auf zusätzlichen CP verletzenden Quellen basieren. Permanente elektrische Dipolmomente (EDMs) von Elementarteilchen verletzen die CP Symmetrie und sind somit ein vielversprechender Ansatzpunkt für das zugrundeliegende Problem. EDMs geladener Teilchen können mit Hilfe von Speicherringen untersucht werden wobei das Polarisationsverhalten des Strahls in elektrischen Feldern Aufschluss über die Größe des EDMs gibt. Die JEDI (Jülich Electric Dipole moment Investigations) Kollaboration hat sich auf die Suche nach EDMs von Hadronen mit Hilfe von Speicherringen spezialisiert. Sie beschäftigt sich mit Designstudien für dedizierte Speicherringe zur Untersuchung von Protonen und Deuteronen und nutzt den magnetischen Speicherring, das Kühlersynchrotron, COSY im Forschungszentrum Jülich zur erstmaligen Untersuchung des Deuteron EDMs. Im Rahmen dieses Experiments führt ein EDM zu einem vertikalen Polarisationsaufbau, der direkt proportional zur Größe des EDMs ist. Die vertikale Polarisationskomponente wird allerdings auch durch systematische Effekte, wie Magnetverschiebungen, beeinflusst. Um systematische Effekte isoliert untersuchen zu können und die Datenanalyse zu unterstützen bedarf es eines differenzierten Simulationsmodells. In dieser Arbeit wird die Entwicklung eines solchen Modells auf Basis der Bmad Programmbibliothek vorgestellt. Darüber hinaus werden verschiedene systematische Effekte und deren Auswirkung auf die Spinbewegung in COSY mit Hilfe von Trackingsimulationen untersucht und quantifiziert. Durch die Berücksichtigung gemessener Magnetfehlstellungen und deren Messfehlern ergibt sich ein minimal auflösbares EDM von d = 1.49 · 10−19 e · cm. Für eine realistischere Beschreibung der Experimentsituation werden des Weiteren Algorithmen implementiert, die das Simulationsmodell durch Variation ausgewählter Maschinenparameter an die echten Begebenheiten anpassen. Die Algorithmen werden mit Hilfe von Simulationen erfolgreich getestet und daraufhin auf Messdaten angewendet. Die resultierenden Ergebnisse bestätigen zusätzliche Magnetverschiebungen und führen insgesamt zu einer deutlich erhöhten Übereinstimmung von Simulationsmodell und Realität.The excess of matter in the known part of the universe still poses a puzzle to physics and cannot be explained by the Standard Model of particle physics. Many explanation attempts are based on mechanisms that violate CP symmetry. Such mechanisms exist in the Standard Model but are too weak to explain the observed asymmetry. Therefore, additional theories beyond the Standard Model are needed, which are mostly based on additional CP violating sources. Permanent Electrical Dipole Moments (EDMs) of elementary particles violate CP symmetry and are therefore a promising starting point for investigations of the underlying problem. EDMs of charged particles can be studied using storage rings as particle traps, where the polarization behavior of the beam in electric fields provides information about the size of the EDM. The JEDI (Jülich Electric Dipole moment Investigations) collaboration is specialized in the search for EDMs of hadrons using storage rings. It is engaged in design studies for dedicated storage rings for the investigation of protons and deuterons and uses the magnetic storage ring, the cooler synchrotron, COSY at Forschungszentrum Jülich for the first direct deuteron EDM experiment. In this experiment, an EDM leads to a vertical polarization buildup that is directly proportional to the size of the EDM. However, the vertical polarization component is also influenced by systematic effects such as magnet misalignments. In order to investigate systematic effects individually and to support the data analysis, a realistic simulation model is required. In this thesis the development of such a model based on the Bmad software library is presented. Furthermore, various systematic effects and their impact on the spin motion in COSY are investigated and quantified using tracking simulations. The consideration of measured magnet misalignments and their measurement errors results in a minimum resolvable EDM of d = 1.49 · 10−19 e · cm. For a more realistic description of the experimental situation, algorithms are implemented which fit the simulation model to the real conditions by variation of selected machine parameters. The algorithms are successfully tested by means of simulations and afterwards applied to measurement data. The fit results confirm additional magnetic displacements and lead overall to a significantly increased agreement between simulation model and reality.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT020930866
Interne Identnummern
RWTH-2021-04834
Datensatz-ID: 819047
Beteiligte Länder
Germany
