Investigation of systematic effects and uncertainties involved in the determination of the invariant spin axis in a storage ring for an EDM measurement

Vitz, Maximilian; Stahl, Achim; Pretz, Jörg

doi:10.18154/RWTH-2024-11202

Investigation of systematic effects and uncertainties involved in the determination of the invariant spin axis in a storage ring for an EDM measurement

Vitz, Maximilian^RWTH*

2024 & 2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Maximilian Vitz, M.Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, RWTH Aachen University, 2024

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2025

Genehmigende Fakultät
Fak01

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

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-11-25

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-11202
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/998208/files/998208.pdf

Einrichtungen

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Der Überschuss an Materie gegenüber Antimaterie im bekannten Teil des Universums lässt sich nicht mit dem Standardmodell der Teilchenphysik erklären. Allerdings existieren Mechanismen, die die CP-Symmetrie verletzen, im Standardmodell und können zur Erklärung des Überschusses von Materie gegenüber Antimaterie herangezogen werden. Diese sind jedoch zu schwach, um die beobachtete Asymmetrie zu erklären. Daher werden zusätzliche Quellen der CP-Verletzung untersucht. Ein vielversprechender Kandidat für CP-Verletzungen, die über die im Standardmodell etablierten hinausgehen, ist das permanente elektrische Dipolmoment von Elementarteilchen. Mit Hilfe von Speicherringen als Teilchenfallen kann das EDM geladener Teilchen untersucht werden, da die Orientierung der Polarisationsdrehachse, auch invariante Spinachse genannt, durch das EDM bestimmt wird. Aus diesem Grund hat die JEDI-Kollaboration in Jülich eine erste direkte EDM-Messung von Deuteronen mit den Precursor Runs am Speicherring COSY durchgeführt. Mit Hilfe von Solenoiden und dem RF Wien Filter wurde der Neigungswinkel der invariante Spinachsen bestimmt. Neben dem Einfluss des EDM wird der Neigungswinkel der ISA auch durch die Systematik des Speicherrings beeinflusst. Daher sind Teilchen- und Spin-Tracking-Simulationen in einem präzisen Simulationsmodell des COSY-Speicherrings erforderlich, um ein potenzielles EDM Signal von der Systematik des Speicherrings zu entkoppeln. In dieser Arbeit wird die Entwicklung eines solchen Simulationsmodells des COSY Speicherrings, basierend auf der BMAD-Softwarebibliothek, vorgestellt um die systematischen Effekte während des Precursor Runs 2 im Jahr 2021 zu untersuchen. Es werden Korrekturfaktoren in Abhängigkeit von der Messmethode aufgezeigt und die Unsicherheiten der systematischen Effekte und der COSY Orbitmessungen diskutiert. Abschließend wird gezeigt, dass die gemessenen ISA-Neigungswinkel am RF Wien Filter, die während des Precursor Run 2 ermittelt wurden, zu groß sind, um von Speicherringsystematiken in COSY oder einem möglichen EDM herrühren zu können.

The excess of matter over antimatter in the known part of the Universe cannot be explained by the Standard Model of particle physics. Mechanisms that violate CP symmetry exist in the Standard Model and can be used to explain the excess of matter over antimatter. However, they are too weak to account for the observed asymmetry. Therefore, additional sources of CP violation are being investigated. A promising candidate for further CP violation beyond those established in the Standard Model is the permanent electric dipole moment of elementary particles. Using storage rings as particle traps, the EDM of charged particles can be studied, since the orientation of the polarization rotation axis also called the invariant spin axis is determined by the EDM.Therefore, the JEDI collaboration at Jülich has carried out the first direct EDM measurement of deuterons with the Precursor Runs at the storage ring COSY. Using solenoids and an RF Wien filter, the invariant spin axis tilt angle was determined. In addition to the influence of the EDM, the ISA tilt angle is also influenced by the storage ring systematics. Therefore, particle and spin tracking simulations in an accurate simulation model of the COSY storage ring are required to disentangle a potential EDM signal from the storage ring systematics. This thesis presents the development of such a simulation model of the COSY storage ring, based on the BMAD software library, in order to investigate the systematic effects, present during the Precursor Run 2 in 2021. Correction factors depending on the measurement method are shown and the uncertainties of the systematic effects and the COSY orbit measurements are discussed. Finally, it is shown that the measured ISA tilt angles at the RF Wien filter obtained during Precursor Run 2 are too large to originate from storage ring systematics in COSY or a potential EDM.

OpenAccess:
PDF
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