Поляризованные пучки в прецизионных экспериментах на коллайдере вэпп-4м с детектором кедр
На правах рукописи
НИКИТИН Сергей Алексеевич ПОЛЯРИЗОВАННЫЕ ПУЧКИ В ПРЕЦИЗИОННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТАХ НА КОЛЛАЙДЕРЕ ВЭПП-4М С ДЕТЕКТОРОМ КЕДР 01.04.20 – физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук
НОВОСИБИРСК – 2011
Работа выполнена в Учреждении Российской академии наук Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН.
НАУЧНЫЙ КОНСУЛЬТАНТ:
доктор физико-математических наук, профес ТУМАЙКИН сор, Учреждение Российской академии наук Герман Михайлович Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН, г. Новосибирск ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:
доктор физико-математических наук, член ПАРХОМЧУК корреспондент РАН, Учреждение Российской Василий Васильевич академии наук Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН, г. Новосибирск.
доктор физико-математических наук, НИИ СТИБУНОВ ядерной физики Томского политехнического Виктор Николаевич университета, г. Томск.
доктор физико-математических наук, профес СЫРЕСИН сор, Объединенный институт ядерных иссле Евгений Михайлович дований, г. Дубна Московской обл.
Российский научный центр "Курчатовский ин ВЕДУЩАЯ ститут", г. Москва.
ОРГАНИЗАЦИЯ:
Защита диссертации состоится " " 2011 г.
в" " часов на заседании диссертационного совета Д 003.016. Учреждения Российской академии наук Института ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН.
Адрес: 630090, г. Новосибирск, проспект Академика Лаврентьева, 11.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Учреждения Российской академии наук Института ядерной физики им. Г.И. Буд кера Сибирского отделения РАН, г. Новосибирск.
Автореферат разослан " " 2010 г.
Ученый секретарь диссертационного совета доктор физ.-мат. наук А.А. Иванов
Общая характеристика работы
Актуальность темы диссертации В начале 2000-х годов с выходом детектора КЕДР в рабочий режим на модернизированном коллайдере ВЭПП-4М было решено провести се рию новых экспериментов по уточнению масс очарованных мезонов и тау лептона. Значение таких экспериментов состоит в создании преци зионных реперов на фундаментальной шкале масс в области рождения указанных частиц. Точное знание масс J/ и (2s) востребовано для абсолютной калибровки импульсного разрешения координатных систем детекторов. По положению их пиков, между которыми находится порог рождения тау, производится калибровка энергетической шкалы коллай дера. Наиболее точное измерение массы тау-лептона можно осуществ лять, изучая именно пороговое поведение его сечения и применяя метод РД в данной области энергий. Экспериментальное уточнение массы тау лептона важно для проверки основополагающего принципа лептонной универсальности в теории Вайнберга-Салама.
Для проведения экспериментов по измерению масс на новом каче ственном уровне требовалось повысить примерно на порядок точность абсолютной калибровки энергии пучка методом РД относительно сред немировой, которая к тому времени не превосходила 105. Повышение точности метода РД влекло за собой множество вопросов, связанных с оценкой соответствующих, но еще неизученных источников система тической ошибки. Требующей решения являлась проблема получения и использования поляризованных пучков на энергиях в области порога рождения тау-лептона (1777 МэВ), наиболее важной для минимизации погрешности измерения массы этой частицы. Из-за близости тау-порога к целому спиновому резонансу (1763 МэВ) практически невозможно ис пользовать при значениях энергии около порога эффект радиационной самополяризации частиц.
Цель диссертационной работы Для выполнения намеченной физической программы необходимо было решить следующие задачи, относящиеся к вопросам применения метода РД, а также к способам наблюдения и сохранения поляризации частиц:
• реализовать и изучить методы измерения поляризации, обеспе чивающие в одном случае эффективную регистрацию быстрого процесса деполяризации, а в другом - определение ее абсолютной величины;
• измерить степень поляризации пучков в рабочей области энергий;
• рассчитать эффективность деполяризатора и оптимизировать ре жимы его работы;
• теоретически и экспериментально изучить влияние различных возмущений на точность метода РД при определении средней энергии частиц в пучке и средней инвариантной массы в коллизи ях на встречных пучках;
• предложить и осуществить сценарий эксперимента по измерению массы тау-лептона, основанный на применении РД на энергиях пучка вблизи порога рождения частицы;
• теоретически и экспериментально изучить роль различных депо ляризующих факторов в кольце ВЭПП-4М на тау-пороге и по воз можности устранить их.
Соответствующие исследования и их результаты легли в основу на стоящей диссертации. В ходе решения перечисленных задач точность абсолютной калибровки методом РД на коллайдере ВЭПП-4М была поднята до рекордного уровня 106, что послужило стимулом к до полнительному исследованию, также вошедшему в диссертацию. Речь идет об изучении возможности повышения точности проверки фунда ментальной CPT теоремы в эксперименте на накопителе путем сравне ния частот деполяризации электронов и позитронов.
Личный вклад автора Личное участие автора в получении результатов, вынесенных на за щиту, является определяющим. Автор был одним из ведущих участ ников эксперимента по наблюдению спиновой зависимости СИ, пред ложил и осуществил эксперимент по изучению резонансной спиновой диффузии. Участвовал в разработке тушековского поляриметра, вы числил скорость регистрации тушековских электронов, проанализиро вал свойства метода "двух банчей". Теоретически объяснил эффект зависимости поляризационного вклада в интенсивность тушековского рассеяния от связи колебаний. Рассчитал деполяризатор на ТЕМ-волне и выбрал оптимальные варианты его размещения и параметры сканиро вания. Предложил теоретическую модель для описания процесса депо ляризации при "тонком"сканировании, идею автоматической подстрой ки положения рабочей точки ВЭПП-3 на сетке спиновых резонансов с целью повысить надежность и воспроизводимость результатов по степе ни поляризации. Разрабатывал и осуществлял программы всех основ ных поляризационных экспериментов на модернизированном комплек се ВЭПП-4. Совместно с В.Н. Жиличем им предложено использовать возможности установки Дейтрон для измерения степени поляризации в бустере ВЭПП-3. Разработал и реализовал сценарии калибровок энер гии в измерениях масс с детектором КЕДР, включая тот, что позволил применять поляризованный пучок на энергии тау-порога - вблизи цело го спинового резонанса. Выполнил численное моделирование и оценки деполяризующего влияния различных возмущений поля по методике, развитой в своих ранних работах. Внес теоретический вклад в анализ погрешностей экспериментов с резонансной деполяризацией. Рассмот рел требования к накопителю с точки зрения повышения точности срав нения частот прецессии спинов электрона и позитрона для проверки CPT теоремы.
Научная новизна 1. Достигнута точность 106 абсолютной калибровки энергии пучка в накопителе методом РД в экспериментах по измерению масс.
2. Проведен эксперимент с применением поляриметра на "спиновом свете", в котором измерена значительно меняющаяся по азимуту в накопителе с жесткой фокусировкой величина функции спинового отклика, известной до этого только в теории.
3. Развит подход к расчету интенсивности тушековских электронов в борновском приближении с учетом двумерности столкновений, релятивизма в системе центра масс и поляризационного вклада.
Дано теоретическое объяснение зависимости величины поляриза ционного вклада в интенсивность рассеяния от коэффициента бе татронной связи.
4. Экспериментально изучены в сравнении с теоретическими оцен ками особенности наблюдения поляризации по тушековскому рас сеянию в области энергий 1.5 4 ГэВ.
5. Применена внутренняя поляризованная мишень для измерения степени поляризации пучка в электронном накопителе.
6. Применена поляризация пучков в методе РД при малой отстройке от целого спинового резонанса. Экспериментально и теоретически изучено время жизни поляризации в этих условиях.
7. В сравнении с расчетом экспериментально изучено влияние ошиб ки компенсации продольного поля детектора на сдвиг спиновой частоты.
8. Получена теоретическая оценка сдвига спиновой частоты из-за вертикальных искажений орбиты с учетом корреляционного вкла да - по заданному среднеквадратичному отклонению орбиты, ко торым определяется величина гармоник в спектре угловых возму щений.
9. Для анализа точности при определении инвариантной массы по измеренной спиновой частоте, а также при сравнении спиновых частот электрона и позитрона предложена классификация азиму тального распределения потерь энергии. Сделаны оценки зависи мости средней частоты спиновой прецессии в сгустке от его тока.
10. Экспериментально и теоретически исследован процесс тонкого сканирования, в котором линия частоты деполяризатора намного тоньше линии частоты спиновой прецессии в пучке. Достигнуто разрешение по частоте резонансной деполяризации лучше 108.
11. При использовании системы стабилизации поля в поворотных маг нитах по сигналу ЯМР достигнута точность 106 сравнения изме ренных уровней стабильности поля и энергии.
Научная и практическая ценность работы 1. Уменьшение в 3-4 раза ошибки в значениях масс J/ и, до стигнутое с применением результатов диссертационной работы, будет востребовано для абсолютной калибровки импульсного раз решения координатных систем детекторов и энергетической шка лы коллайдеров по положению пиков этих резонансов. Уточнение массы тау-лептона необходимо для проверки гипотезы лептонной универсальности.
2. Метод РД как наиболее точный применен для отладки и калибров ки ОКР монитора энергии пучка, который таким образом получил важное подтверждение своих возможностей.
3. По изменению частоты прецессии спина найдено оптимальное со отношение тока в обмотках анти-соленоидов и измеренного по ля КЕДР (другим способом сделать это так же точно технически не предусмотрено). Тем самым минимизированы вклады ошибки компенсации поля детектора в бетатронную связь (с точностью 1% по току анти-соленоидов), в систематическую ошибку РД калибровки энергии (с точностью 1 кэВ), а также в скорость деполяризующих процессов.
4. Меллеровский поляриметр с внутренней поляризованной мише нью может быть особенно эффективен при большом числе сгуст ков, как в случае накопительных колец с сильным затуханием из проектов линейного супер-коллайдера, а также супер c и супер B фабрик.
5. На основе подхода к расчету интенсивности тушековских электро нов в двумерной модели рассеяния с учетом релятивизма в систе ме центра масс возможно рассмотрение поправок в расчеты раз меров и времени жизни пучка, использующие нерелятивистское одномерное приближение.
Основные положения, выносимые на защиту 1. Выбраны и изучены условия для получения поляризованных элек тронного и позитронного пучков на ВЭПП-4М и их применения для абсолютной калибровки энергии по частоте прецессии спина с точностью 10-6 в экспериментах с детектором КЕДР по измере нию масс частиц пси-семейства и тау лептона.
2. Развит подход к расчету интенсивности регистрации тушековских электронов в борновском приближении для одномерной и двумер ной моделей столкновений частиц внутри сгустка с учетом реляти визма в системе центра масс и спиновой зависимости. Эксперимен тально изучены в сравнении с теоретическими оценками особенно сти метода наблюдения поляризации по тушековскому рассеянию.
3. Выполнен расчет эффективности деполяризатора с поперечным полем в различных условиях, включая режим "тонкого" сканиро вания, для описания которого предложена теоретическая модель.
Вычислена функция спинового отклика деполяризатора, модифи цированная для применения в области малых значениях парамет ра спиновой частоты. Сделан выбор параметров сканирования ча стоты и оптимальных вариантов расположения деполяризатора в кольце накопителя в экспериментах по измерению масс.
4. C помощью созданного с участием автора принципиально нового поляриметра, основанного на наблюдении спиновой зависимости интенсивности синхротронного излучения, изучен процесс резо нансной спиновой диффузии под влиянием деполяризатора с по перечным полем. Впервые измерена сильно меняющаяся с ази мутом в накопителе с жесткой фокусировкой величина функции спинового отклика.
5. Измерена степень радиационной поляризации электронов в бустере-накопителе ВЭПП-3 как функция его энергии. Поляри зация в накопителе впервые наблюдена по асимметрии меллеров ского рассеяния на внутренней поляризованной мишени, для че го по предложению автора использованы возможности установки Дейтрон.
6. Предложен и реализован сценарий применения поляризованных пучков для измерения массы тау в области энергии пучка на по роге рождения этой частицы - в условиях, резко ограничивающих возможности получения и сохранения радиационной поляризации из-за близости целого спинового резонанса.
7. С использованием развитой автором методики проведены расчеты деполяризующего влияния различных возмущений поля ВЭПП 4М, включая погрешность компенсации продольного магнитного поля детектора КЕДР. Измерено время жизни поляризации ин жектированного в коллайдер поляризованного пучка в зависимо сти от его энергии вблизи тау-порога и предложены меры по его увеличению.
8. Метод резонансной деполяризации, как наиболее точный, приме нен для отладки нового метода мониторирования энергии пучка по положению края спектра обратного комптоновского рассеяния (ОКР) лазерных фотонов.
9. Экспериментально и теоретически изучены вопросы точности ме тода резонансной деполяризации при определении энергии пучка, энергии в системе центра масс сталкивающихся пучков, а также при сравнении частот прецессии спина электронов и позитронов.
10. В методических экспериментах на электронных пучках и с по мощью теоретических оценок показана возможность повышения точности проверки CPT теоремы при сравнении частот прецессии спина электронов и позитронов в накопителе методом резонансной деполяризации.
11. 11. Проведен новый цикл измерений масс на комплексе ВЭПП 4 с достигнутой лучшей в мире точностью по массам J/, мезонов и тау-лептона, в которых применены основные резуль таты диссертационной работы.
Апробация работы Работы, составляющие материал диссертации, докладывались и обсуждались на семинарах и рабочих совещаниях ВЭПП-4-КЕДР в ИЯФ СО РАН;
на семинаре профессора И.М.Тернова в Москов ском университете им. Ломоносова, на cеминаре ускорительной ла боратории в Корнелльском университете (США). Доклады о рабо тах по теме диссертации были представлены на следующих междуна родных и российских конференциях и совещаниях: 12th International Conference on High Energy Accelerators (Батавия, Иллинойс, США, 1983);
Particle Accelerator Conference PAC 2001 (Чикаго, 2001);
8th International Conference on Instrumentation for Colliding Beam Physics (Новосибирск, 2002);
Quarkonium Working Group School (Пекин, 2004);
European Particle Accelerator Conference EPAC 2002 (Париж, 2002);
10th Workshop on Polarized Sources and Targets PST 2003 (Новосибирск, 2003);
EPAC 2004 (Люцерн, 2004);
EPAC 2006 (Эдинбург, 2006);
IBS Mini Workshop (Кокрофтовский институт, Дарсбери, 2007);
XX Российская конференция по ускорителям заряженных частиц RUPAC 2006 (Ново сибирск, 2006), RUPAC 2010 (Протвино, 2010);
PAC 2007 (США, 2007) и др.
Публикации Материалы диссертации опубликованы в более чем 30 печатных ра ботах, включая статьи в российских и зарубежных журналах и в сбор никах трудов всероссийских и международных конференций.
Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, девяти глав, заключения и трех приложений. Включает 85 рисунков, 7 таблиц и список литературы, содержащий около 100 наименований.
Содержание работы Во Введении сформулирована направленность работы;
дается краткий обзор истории экспериментов по измерению масс частиц с применением метода РД а областях энергии, доступных на комплексе ВЭПП-4М;
приводятся положения, выносимые на защиту.
В Главе 1 дается краткая характеристика ускорительного ком плекса ВЭПП-4 и магнитного детектора КЕДР. На схеме Рис. 1 по казано размещение основных элементов систем измерения поляри зации и принудительной резонансной деполяризации, а также уста новки мониторирования энергии по краю спектра ОКР (обратного комптоновского рассеяния). Описан способ получения поляризованных электрон-позитронных пучков в коллайдере ВЭПП-4М с энергией ГэВ за счет использования эффекта радиационной самополяризации Соколова-Тернова в бустерном накопителе ВЭПП-3. Оценены в сравне нии несколько деполяризующих механизмов на ВЭПП-4М: квантовые флуктуации, внутрипучковое (тушековское) рассеяние с переворотом и без переворота спина, а также многократное рассеяние на остаточном газе. Описана система автоматической подстройки рабочей точки по бетатронным частотам ВЭПП-3 для избежания деполяризующего вли яния опасных спиновых резонансов в процессе радиационной поляри зации. Численно рассмотрен способ увеличения степени поляризации позитронов в коллайдере с помощью специального соленоида, установ ленного в канале инжекции ВЭПП-3-ВЭПП-4М.
В Главе 2 приведен расчет характеристик деполяризатора с попе речным полем для резонансной деполяризации пучка. Обсуждены тре бования на физические параметры процесса резонансной деполяриза ции применительно к условиям ВЭПП-4М. Сравниваются два извест ных способа сканирования частоты деполяризатора. Предложена тео ретическая модель для описания эксперимента по "тонкому" сканиро ванию, в котором достигается наилучшее разрешение по частоте депо ляризации. Рассчитана функция спинового отклика (ФСО), определяю щая эффективность деполяризатора с поперечным полем и зависящая Рис. 1. Схема размещения элементов систем управления поляризацией и ее измерения.
от азимута его размещения, а также от энергии пучка и от вертикаль ной бетатронной частоты (Рис. 2). Для повышения точности формула для ФСО обобщена на случай малых значений параметра спиновой ча стоты. Обобщенная ФСО H связана с ФСО традиционного вида F соотношением: H = 1+a · G i · 1 12 · F., = a -параметр спи новой частоты, a = (g 2)/2, - релятивистский фактор, функция G - дополнение при малых. Рассчитана скорость преднамеренной деполяризации в трех реализованных вариантах размещения деполя ризатора в кольце ВЭПП-4М для энергий экспериментов в пиках J/ и а также на пороге рождения тау-лептона. На этой основе выбран оптимальный вариант по размещению деполяризатора для каждой из указанных областей энергий. Проведены расчеты времени деполяриза ции на внешнем спиновом резонансе с учетом модуляции спиновой ча стоты синхротронными колебаниями и пульсациями магнитного поля.
Представлены параметры сканирования в характерных режимах рабо ты деполяризатора.
Рис. 2. Распределение модуля функции спинового отклика по кольцу ВЭПП 4М на энергии 1785 МэВ: толстая линия - H, тонкая - G. Зависимость симметрична относительно места встречи. Из-за очень малых значений ФСО в техническом промежутке эффективность деполяризатора на этом участке неприемлемо низка. Для указанной энергии выбран деполяризатор в экспе риментальном промежутке.
В Главе 3 описан эксперимент по изучению резонансной спиновой диффузии, поставленный на накопителе ВЭПП-4 в 1983г. Его результа ты имели важное значение для всего цикла измерений масс с примене нием метода РД на модернизированном коллайдере ВЭПП-4М с детек тором КЕДР, в которых значительно была повышена точность абсолют ной калибровки энергии пучка. В данном опыте сравниваются расчет ные и измеренные характеристики резонансной деполяризации в поле встречной ТЕМ волны. По измеренной скорости резонансной деполяри зации |F |2 впервые выявлен и количественно определен известный из теории фактор спинового отклика, который связан с вынужденны ми отклонениями траектории частиц от равновесной орбиты и может в десятки и даже в 102 раз усиливать прямое действие поперечных возмущений ведущего поля на спин (Рис. 3). Использован новый ме тод измерения поляризации, с помощью которого впервые наблюдена спиновая зависимость интенсивности синхротронного излучения ("спи новый свет" ).
Рис. 3. Время преднамеренной деполяризации пучка как функция ампли туды девиации частоты деполяризатора: a) |F |2 = 14, E = 4930 МэВ;
b) |F |2 = 42, E = 4980 МэВ. Сплошной линией и точками показаны данные эксперимента, пунктиром - расчет.
Глава 4 посвящена тушековскому поляриметру ВЭПП-4М, работа ющему на эффекте внутрисгусткового рассеяния (IBS). Описана систе ма регистрации рассеянных электронов на ВЭПП-4М (Рис. 1, Рис. 4).
Получены формулы для расчета интенсивности тушековских частиц в борновском приближении с учетом релятивизма в системе центра масс для одномерной и двумерной моделей столкновений. Расчет выполня ется в физически обусловленных пределах на возмущение импульса ре гистрируемых электронов/позитронов.
Дается сравнение результатов нерелятивистского и релятивистского расчетов интенсивности в зависимости от энергии ВЭПП-4М (Рис. 5).
Представлены данные измерения загрузки счетчика как функции рас стояния до орбиты в сравнении с расчетом в однооборотном и многообо ротном приближениях для описания движения частиц после рассеяния (Рис. 6). Для уменьшения систематической ошибки наблюдаемая вели Рис. 4. Поперечное сечение вакумной камеры в месте расположения туше ковских счетчиков и пластин деполяризатора. Scintillator - сцинтиллятор;
light guide - световод;
depolarizer plate - пластина деполяризатора;
cups внутренний (медный) и внешний (нержавейная сталь) "стаканы" ;
bellows сильфонное соединение;
RF signal input - вакуумный ввод ВЧ сигнала на пластины.
Рис. 5. Зависимость релятивистской поправки в интенсивности тушековских электронов - фактора Ref f - от энергии пучка для ВЭПП-4М.
чина определяется через скорость счета частиц, рассеянных из поляри Рис. 6. Сравнение измеренной и рассчитанной по двумерной модели в од нооборотном приближении для двух значений коэффициента связи k (отно шение радиального углового разброса к вертикальному) зависимостей удель ной (нормированной на квадрат тока в сгустке) загрузки сцинтилляционного счетчика от расстояния (A) до орбиты пучка на энергии 1.55 ГэВ. Ток сгустка во время измерения падал в пределах от 3 мА до 2.8 мА.
зованного сгустка, нормированную на интенсивность частиц из неполя ризованного (метод "двух банчей"). Предложена модель описания этих наблюдений, учитывающая влияние поляризации на тушековское время жизни пучка. Модельные зависимости сравниваются с эксперименталь ными при разном соотношении токов сгустков. Рассчитаны зависимо сти нормализованной скорости регистрации тушековских электронов и величины поляризационного эффекта (деполяризационного скачка) от энергии (Рис. 7). Для сравнения представлены результаты измерения на ВЭПП-4М скорости регистрации частиц в интервале энергии 1.8 ГэВ (Рис. 8). Отличие в степенных показателях теоретической (n 3) и экспериментальной кривых (n = 2.2 ± 0.2) может объясняться фоно выми условиями и особенностями режимов накопителя. Теоретически и экспериментально исследована зависимость величины деполяризаци онного скачка от вертикального эмиттанса пучка (коэффициента связи бетатронных колебаний) в области 1.5-1.85 ГэВ (Рис. 9,10,11). Впервые дано объяснение этому эффекту с указанием на особенность функции распределения по импульсу в системе центра масс в двумерной модели столкновений.
Рис. 7. Расчетная скорость регистрации Тушековских частиц в зависимости от энергии с нормировкой на объем и квадрат тока электронного сгустка, де ленная на значение этой величины на энергии 1.85 ГэВ, в 1D нерелятивист ском, 1D релятивистском и 2D релятивистском приближениях с типичным значением параметра связи на ВЭПП-4М k = 5. Указан степенной показа тель кривых.
~ E 2.2±0. /мА N V,к I 2 V1. E.
E, Мэ Рис. 8. Измеренная нормированная скорость регистрации рассеянных элек тронов с выделением коррелированных совпадений в зависимости от энергии пучка.
delta_in*out-1 2006-03-30 13:57:59 INOF Run 2190 0.045 / ndf 54.46 / 31 Tcount = 10 sec speed = 0.01 MeV/sec 209.9 ± 1. T step = 0.01 MeV 0.04 0.02349 ± 0. DELTA initial = 1849.797 MeV 0.01321 ± 0. final = 1853.867 MeV CONST 0.035 Att = 2 dB 2.324e-06 ± 8.622e- SLOPE1 H= -1.666e-05 ± 1.388e-05 NEM = SLOPE 0.03 SEM = SIM = EM3 = 0.025 KEDR1 = KEDR2 = RF = 181801155 Hz U = 349.29 kV 0.02 J = 13.51 A Qx = 0. Qz = 0. TZ = 0.771425 mm 0.015 I1 = 2.622 mA I2 = 1.604 mA DV4OUT=34.586 C 0.01 In = 190.5905 kHz 1849. 1849. 1849. 1850. 1850. 1850. 1850. 1850. 1850. 1850. 1850. 1850. 1850. 1851. 1851. 1851. 1851. 1851. 1851. 1851. 1851. 1851. 1851. 1852. 1852. 1852. 1852. 1852. 1852. 1852. 1852. 1852. 1852. Out = 110.8406 kHz 0. 60.51 kHz/mA^ 0 50 100 150 200 250 300 Time [sec] E = (1851.478922+-0.0195)Mev Fd = (-653735.2481+-36.2)Hz Рис. 9. Типичный деполяризационный скачок в частоте коррелированных совпадений сигналов от двух счетчиков на 1.85 ГэВ.
P=80% P=60% (D % 1 10 100 k Рис. 10. Расчетная величина скачка в зависимости от параметра связи (k) для двух значений степени поляризации при E = 1840 МэВ, A = 1 см.
В Главе 5 описан меллеровский поляриметр, который измеряет асимметрию рассеяния поляризованных электронов циркулирующего пучка на струе поляризованных атомов дейтерия из источника атомар ного пучка установки Дейтрон на накопителе ВЭПП-3 (Рис. 12). Поля ризационные измерения, выполненные с помощью этого поляриметра в sy, a.u.
Рис. 11. Измеренная зависимость скачка в скорости счета тушековских ча стиц от вертикального размера пучка.
Рис. 12. Схема меллеровского поляриметра с внутренней мишенью.
Anode wire - анодная проволока;
holding f ield magnet - магнит для удержа ния поляризации атомов струи;
polarized jet - поляризованная газовая струя;
pads - полосковые подложки;
wire chamber - проволочная камера;
convertor вольфрамовый конвертор;
plastic scintillator - пластмассовый сцинтиллятор.
2003 г., стали первым применением внутренней поляризованной мише ни для измерения поляризации пучка в электронном накопителе. Изме ренная зависимость равновесной степени радиационной поляризации в бустере в диапазоне от 1.8 до 1.85 ГэВ сыграла важную роль при выборе сценария эксперимента на тау-пороге (1.78 ГэВ) с использованием пе репускаемых в коллайдер поляризованных пучков для РД калибровки энергии. Приведено сечение процесса рассеяния и определение наблю даемой асимметрии. Описаны устройство мишени и системы регистра ции, а также способ анализа данных. Представлены экспериментальные результаты (Рис. 13).
Beam polarization degree Polarization 0. 0. 0. 0. 1760 1780 1800 1820 1840 VEPP-3 energy Рис. 13. Измеренная степень поляризации пучка ВЭПП-3 как функция его энергии.
Главе 6 посвящена вопросам точности метода РД, относящимся к экспериментам по измерению масс и к обсуждаемой в диссертации про верке CPT теоремы путем сравнения частот прецессии спина электро нов и позитронов. Указана предельная точность метода в идеальном накопителе. При наличии возмущений в зависимости от их вида воз можно смещение энергии и спиновой частоты как без нарушения, так и с нарушением линейного соотношения между ними, имеющего место в идеальном случае. Рассмотрена связь энергии/спиновой частоты и ра диальных искажений орбиты с приведением результата демонстраци онного эксперимента. Оценено влияние секступолей на сдвиг и разброс энергии/спиновых частот из-за флуктуаций траекторий. Сделана оцен ка влияния магнитных бурь на энергию пучка в ВЭПП-4М. Получена формула для оценки сдвига спиновой частоты по спектру углов случай ных поворотов орбиты в вертикальной плоскости с учетом корреляции спиновых возмущений. Расчет по формуле сравнивается с результатом численного моделирования (Рис. 14).
Рис. 14. Систематическая ошибка в энергии как функция параметра невозму щенной спиновой частоты при наличии искажений орбиты пучка ВЭПП-4М по вертикали с разбросом 1 мм: сплошная кривая - вычисленная по формуле, полученной в диссертационной работе (две пунктирных линии - для указа ния стандартного отклонения);
точки с усами - численное моделирование.
Символами и указаны точки, отвечающие энергиям порога рождения тау-лептона и - резонанса.
Рассмотрен в общем виде эффект слабого продольного магнитно го поля, которое как и вертикальные искажения орбиты приводит к систематической ошибке в методе РД. Приведен численный пример с влиянием горизонтальной компоненты поля Земли. Оценен вклад вер тикальных бампов и гармонического возмущения вертикальной орбиты в сдвиг энергии. Сделан теоретический анализ влияния на точность метода РД азимутальной зависимости радиационных потерь энергии в произвольном накопителе с единой магнитной дорожкой для электро нов и позитронов. Предложена классификация распределения потерь из трех случаев: азимутальная однородность или зеркальная симмет рия магнитной структуры;
анти-симметрия электронной и позитрон ной функций потерь;
асимметрия из-за когерентных потерь при разни це токов электронов и позитронов. Приведен численный результат для модели случайных погрешностей поля ВЭПП-4М (нарушение зеркаль ной симметрии накопителя). Описаны источники влияния параметров пучка в месте встречи на величину ошибки определения массы рож даемого состояния по результатам РД калибровки энергии одного из встречных пучков. В дополнение к известной поправке на измеряемую массу, связанной с разницей потенциалов пучка на основной части коль ца коллайдера и в месте встречи, указано на ошибку, которая может стать заметной в CPT эксперименте. Ее источник - азимутальные вари ации потенциала при имеющейся разнице электронного и позитронного сгустков по числу частиц.
2004-09-16-02:36:55 PSSW Run 1120 1893. 0. 0. E3 = 1888.337±0.002 MeV 0. E2 = 1888.338±0.002 MeV 0. E1 = 1888.343±0.001 MeV 0. 1888. 1888. 1888. 1888. 1888. 1888. 1888. 1888. 1888. 1888. 1888. 1888. 1888. 1888. 1888. 1888. 1888. 1888. 1888. 1888. 1888. 1888. 1888. 1888. 1888. 0. 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 t, sec Fd = (-585234.4319+-2.87)Hz Рис. 15. 3-кратная последовательная РД калибровка энергии с применени ем техники частичной деполяризации на одном пучке в течение 15 минут с изменением направления сканирования после очередного скачка. Все три из меренных значения энергии лежат в интервале 6 кэВ (3 · 106 ), определяемом нестабильностью ведущего поля (система стабилизации поля по сигналу ЯМР выключена).
В Главе 7 описаны особенности применения метода РД в измере ниях масс частиц семейства на ВЭПП-4М с детектором КЕДР. До стигнутая точность абсолютной калибровки энергии пучков является рекордной и составляет по порядку величины 106 (Рис. 15,16). Приве дены схема управления деполяризатором и ее параметры. Обсуждает ся существовавшая на начальном этапе экспериментов проблема срав нительно большой полосы частот, в которой происходила деполяриза ция.(Проблема была решена путем подавления 50 и 100 Гц пульсаций в системе питания части магнитных элементов кольца.) Представлены результаты измерений величины деполяризационного скачка в зависи мости от времени, отведенного на процесс радиационной поляризации в ВЭПП-3, в сравнении с расчетом. Описан сценарий эксперимента по из мерению массы J/. Приведены данные по изучению долговременной стабильности энергии по показания РД. Расчетное увеличение поляри зации позитронов с помощью соленоида в канале инжекции на энергии вблизи - пика подтверждено специальным экспериментом. Приведены результаты эксперимента по одновременной деполяризации электрон ного и позитронного пучков, важного для уточнения систематической погрешности в измерении масс. Представлены итоговые результаты по массам J/,,, D0, D±.
Рис. 16. Типичный процесс сканирования частоты деполяризатора с получе нием скачка в относительной скорости регистрации тушековских частиц из поляризованного и неполяризованного сгустков без выделения коррелирован ных событий (совпадений сигналов со счетчиков, расположенных в медианной плоскости симметрично относительно орбиты пучка) на энергии вблизи пика. Точность определения "мгновенного"значения энергии примерно 1 кэВ.
Глава 8 посвящена эксперименту по измерению масс тау-лептона, выполненному на коллайдере ВЭПП-4М с детектором КЕДР в 2006 2007 гг. Применение метода резонансной деполяризации на энергии экс перимента вблизи порога рождения тау (энергия пучка на "тау-пороге" 1.78 ГэВ) затруднено из-за близости целого спинового резонанса ( МэВ), который делает невозможным получение поляризованных пуч ков в бустере ВЭПП-3 непосредственно на данной энергии. Описаны два сценария эксперимента, один из которых, основанный на перепус ке поляризованного пучка в ВЭПП-4М с энергией выше тау-порога на 80 МэВ с последующим понижением энергии к тау-порогу, был реали зован. После понижения энергии может становиться заметным процесс неконтролируемой деполяризации пучка (Рис. 17).
Приведены результаты численного моделирования и оценок влия ния на время жизни поляризации (ВЖП) различных возмущений по ля с использованием оригинального подхода. Представлены измерения ВЖП в зависимости от энергии (Рис. 18), а также при введении коррек 2003-12-19 18:38: Run 1- N 0. N 0. 0. = 264 ±11 sec 0. E = 1776.0 MeV 0. 0. 0. 0. 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 Time [sec] Рис. 17. Процесс деполяризации пучка на энергии вблизи тау-порога под вли янием неконтролируемых возмущений поля накопителя. Характерное время жизни поляризации r равно удвоенному времени изменения относительной скорости счета тушековских частиц: r = 2.
Рис. 18. Измеренное (точки) и расчетное (линия) с учетом синхротронной модуляции половинное время жизни поляризации в зависимости от энергии пучка вблизи тау-порога. Обозначены модуляционные спиновые резонансы 3 его порядка по синхротронной частоте ( ) и второго порядка - по бетатрон ным частотам (x, z ).
ции резонансной спиновой гармоники в вертикальных искажениях орби ты. Мощность наблюденных спиновых резонансов "тонкой структуры" один из которых является модуляционным резонансом 3-го порядка с частотой синхротронных колебаний, а другой - комбинационным ре зонансом 2-го порядка по частотам бетатронных колебаний (влияние сектупольной коррекции) сравнивается с теоретическими оценками. В результате изучения резонансов "тонкой структуры" автором предло жено уменьшить напряжение ВЧ резонаторов на 100 кВ, что привело к сдвигу на 0.5 МэВ положения модуляционного резонанса с синхро тронной частотой и к соответствующему росту ВЖП в области энер гии эксперимента. Для устранения влияния резонанса второго поряд ка по бетатронным частотам предложено поддерживать разницу этих частот |z x | 0.035 0.041. Увеличение времени жизни поляриза ции с r 30 минут до r 1 час достигнуто глобальной коррекцией замкнутой орбиты. Это позволило начать эксперимент по измерению массы тау, требующий по сценарию достаточно большое время задерж ки ( 2000 сек) перед прецизионной калибровкой энергии, необходи мое для релаксации поля коллайдера после "снижения" на 80 МэВ к тау-порогу. Экспериментально и теоретически изучено влияние погреш ности компенсации интеграла продольного магнитного поля детектора КЕДР на сдвиг спиновой частоты (Рис. 19) и скорость деполяризации пучка. Изучена скорость релаксации энергии после торможения пучка к тау-порогу. Представлены данные (Рис. 20) совместного применения в эксперименте на тау-пороге метода РД и нового метода мониториро вания энергии - по краю спектра обратного комптоновского рассеяния (ОКР)и предварительные итоги измерения массы тау.
Рис. 19. Измеренные и расчетная систематическая погрешность в определе нии энергии по частоте спиновой прецессии при отклонении заданного тока в катушках компенсирующих соленоидов детектора КЕДР (Ics ) от номиналь ного значения (H0 = 0.6 Tесла).
В Главе 9 обсуждается возможность повышения точности экспе риментальной проверки CPT теоремы путем сравнения спиновых ча Рис. 20. Пример временной зависимости энергии пучка в эксперименте на тау-пороге. Апрель 2006г. Приписывание энергии заходам по набору стати стики производилось на основе интерполяции (восстановления) энергии по данным калибровки энергии по РД, имеющим точность 106, ЯМР и тер моконтроля. Треугольники, отвечающие калибровкам РД, для наглядности сильно увеличены.
стот электронов и позитронов в накопителе методом РД. Рассмотрены основные источники систематической ошибки, связанные с азимуталь ным распределением потерь, выбором энергии и размеров накопителя, токовой зависимостью спиновой частоты. Последняя оценивается в мо делях полей изображения, когерентных потерь и азимутальной зависи мости потенциала пучка. Обсуждается влияние уширения линии спино вой частоты, наклона оси ВЧ резонатора относительно пучка, а также роль эффектов встречи. Представлены результаты методических экспе риментов на ВЭПП-4М: сравнение спиновых частот двух электронных сгустков, разведение спиновых частот высокочастотным методом, "тон кое"канирование с рекордным (лучше 108 ) разрешением по частоте с деполяризации (Рис. 21). Описана созданная на ВЭПП-4М система ста билизации поля на уровне 106 с обратной связью по сигналу ЯМР датчика в калибровочном магните. Сделано предположение о возмож ной точности CPT эксперимента на ВЭПП-4М.
В Приложении 1 дан вывод выражения для функции спинового отклика магнитной структуры накопителя, обобщенной на область ма лых значений параметра спиновой частоты.
Рис. 21. Тонкое сканирование со скоростью 2.5 эВ/сек. Разрешение по частоте деполяризации составляет 2 · 109.
В Приложении 2 получен вид функции распределения по импуль су в двумерной модели столкновений частиц в пучке.
В Приложении 3 описан оригинальный метод вычисления спин орбитальный связи, использованный для расчета деполяризации пучка из-за квантовых флуктуаций в присутствии возмущений ведущего поля.
В Заключении перечислены основные результаты работы:
• Достигнутая точность 106 абсолютной калибровки энергии пуч ка методом резонансной деполяризации во многом определила успешное проведение цикла измерения масс на комплексе ВЭПП- с детектором КЕДР. Важность итогового результата подчеркива ется тем фактом, что уменьшение в 3-4 раза ошибки в значени ях масс J/ и по сравнению с мировыми данными позволяет разместить эти частицы вверху иерархической таблицы точности знания фундаментальных масс:
m Частица m, ppm n 0. p 0. e 0. µ 0. ± 2. J/ 3. 3. 4. • Впервые применены поляриметры нового типа;
• Исследован процесс естественной деполяризации в накопителе при малых отстройках от мощного целого спинового резонанса с на блюдением слабых резонансов тонкой структуры;
• Приобретен уникальный опыт по достижению разрешения по ча стоте резонансной деполяризации лучше 108 ;
• На новом уровне изучены особенности наблюдения поляризации по тушековскому рассеянию, а также вопросы точности метода резонансной деполяризации.
Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:
1. Анчугов О.В., Блинов В.Е.,..., Никитин С.А. и др. Эксперименты по физике пучков заряженных частиц на электрон-позитронном кол лайдере ВЭПП-4М // ЖЭТФ т. 136, вып. 4 (2009) 690-702.
2. S.A. Nikitin, E.L. Saldin, M.V. Yurkov. Calculation of the depolarizing eect of the eld imperfections in electron positron storage rings//Nucl.
Instr. and Meth. A 1983, v.216, N3, pp.317-328.
3. S.A. Belomestnykh, A.E. Bondar, M.N. Egorychev, V.N. Zhilich, G.A.
Kornyukhin, S.A. Nikitin, E.L. Saldin, A.N. Skrinsky, G.M. Tumaikin.
An observation of the spin dependence of synchrotron radiation intensity//Nucl. Instr. And Meth. A 227(1), (1983) 173-181.
4. V.E.Blinov, A.V.Bogomyagkov, N.Yu.Muchnoi, S.A.Nikitin, I.B.Nikolaev, A.G.Shamov, V.N.Zhilich. Review of beam energy measurements at VEPP-4M colider KEDR/VEPP-4M//Nucl. Instr.
and Meth. A598(2009)23.
5. О.В.Анчугов, В.Е.Блинов,..., С.А.Никитин и др. Применение мето дов ускорительной физики в экспериментах по прецизионному из мерению масс частиц на комплексе ВЭПП-4 с детектором КЕДР// Приборы и техника эксперимента, 2010, є1, с. 1-14.
6. M.V. Dyug, A.V. Grigoriev,..., S.A. Nikitin et al. Mller polarimeter for o VEPP-3 storage ring based on internal polarized gas jet target//Nucl.
Instr. and Meth. A, 536(3), (2005)338-343.
7. V.E. Blinov, A.V. Bogomyagkov,..., S.A. Nikitin et al. Analysis of errors and estimation of accuracy in the experiment on precise mass measurement of J/Psi and Psi’ mesons and tau-lepton on the VEPP 4M collider//Nucl. Instr. and Meth. A 494(1-3), pp. 68-74, 2002.
8. V.M. Aulchenko, V.Balashov,..., S.Nikitin et al. New precision measurement of the J/psi and psi’ meson masses//Physics Letters B573(2003)63-79.
9. V.V.Anashin, V.M. Aulchenko,..., S.Nikitin et al. Results on J/psi, psi(2S),psi(3770) from KEDR//Nuclear Physics B (Proc. Suppl.) 181 182 (2008)353.
10. V.V. Anashin, V.M. Aulchenko,..., S.Nikitin et al. Measurement of D and D+ meson masses with the KEDR detector//Physics Letters B (2010) 84-90.
11. В.Е. Блинов, А.В. Богомягков,..., С.А. Никитин и др. Начало экс перимента по абсолютной калибровке энергии частиц на ВЭПП 4М вблизи порога рождения тау-лептона//Атомная энергия, т.93, вып.6, 432-437 (2002).
12. V.V. Anashin, V.M. Aulchenko,..., S.A.Nikitin et al. New precise determination of the tau lepton mass at KEDR detector//Nucl.Phys.Proc.Suppl.169(2007)125-131 (e-Print: hep ex/0611046).
13. V.V.Anashin, V.M. Aulchenko,..., S.A.Nikitin et al. Measurements of the tau lepton mass at KEDR detector//Pis’ma v ZhETF, 85(2007)429 434.
14. V.V.Anashin, V.M. Aulchenko,..., S.A.Nikitin et al. Tau mass measurement at KEDR//Nuclear Physics B (Proc. Suppl.) 181- (2008)311.
15. V.V.Anashin, V.M. Aulchenko,..., S.A.Nikitin et al. Tau mass measurement at KEDR//Nuclear Physics B (Proc. Suppl.) 189(2009)21-23.
16. V. Blinov, A. Bogomyagkov, G. Karpov, V. Kiselev, E. Levichev, S.
Nikitin, I. Nikolaev, E. Shubin, G. Tumaikin. Study of the Possibility of Increasing the Accuracy of CPT Invariance Test at Electron-Positron Storage Rings//ICFA Beam Dynamics Newsletter, No.48, April 2009, 207-217.
17. A.E. Bondar, M.N. Egorychev,... S.A. Nikitin et al. Polarization measurement in storage rings of the Institute of Nuclear Physics (Novosibirsk)/Proceedings of the 12th International Conference on High-Energy Accelerators. Fermi National Accelerator Laboratory, Batavia, Illinois, 1983, p.p. 179-182.
18. V.E. Blinov, A.V. Bogomyagkov,..., S.A. Nikitin, I.B. Nikolaev. High eciency polarimeter based on intra-beam scattering/ Proceedings of EPAC 2002, pp.1954-1956, 2002.
19. S.A. Nikitin, I.B. Nikolaev. Dependence of the Electron Beam Polarization Eect in the Intra-beam Scattering Rate on the Vertical Beam Emittance/Proceedings of the EPAC 06, p.p. 1184- 20. A.V.Bogomyagkov, S.A.Nikitin, A.G.Shamov. Inuence of the vertical closed orbit distortions on accuracy of the energy calibration done by resonant depolarization technique/Proc. of RUPAC 2006, p.153.
21. O. Anchugov, V. Blinov,..., S. Nikitin et al. Record-high Resolution Experiments on Comparison of Spin Precession Frequencies of Electron Bunches Using the Resonant Depolarization Technique in the Storage Ring/Proc. of EPAC 2006, p. 2787.
22. A.V. Bogomyagkov, S.A. Nikitin, V.I. Telnov, G.M. Tumaikin.
Estimation of errors in denition of central mass energy in high precision experiments on colliding beams/Proceedings of the 3rd Asian Particle Accelerator conference (APAC 2004), TUP-11002.
23. A. Bogomyagkov, S. Nikitin, I. Nikolaev, A. Shamov, A. Skrinsky, G.Tumaikin. Central Mass Energy Determination in High Precision Experiments on VEPP4-M/Proceedings of the 22nd PAC (PAC 2007).
24. A.Bogomyagkov, V.Kiselev, E.Kremyanskaya, E.Levichev, S.Nikitin, I.Nikolaev, E.Simonov, A.Skrinsky. Research of possibility to use beam polarization for absolute energy calibration in high precision measurement of tau-lepton mass at VEPP-4M/EPAC Proceedings,pp.737-739.
25. A. Bogomyagkov, V.E. Blinov,..., S.Nikitin et al. Beam Energy Calibration in Experiment on Precise Tau Lepton Mass Measurement at VEPP-4M with KEDR Detector/EPAC 2006 Proceedings, Edinburgh, Scotland, 2006, p.p.625-627.
26. S.A. Nikitin. Inuence of errors in KEDR detector eld compensation on the spin tune shift and the beam polarization lifetime in VEPP-4M collider at energy of tau lepton production threshold/Proc. of RUPAC 2006, p.p.150-152.
27. N.Yu. Muchnoi, S.A. Nikitin, V.N. Zhilich. Fast and precise beam energy monitor based on the Compton Backscattering at the VEPP-4M collider/EPAC 2006 Proceedings, Edinburgh, Scotland, 2006, p.p.1181 1183.
28. V.E. Blinov, A.V. Bogomyagkov,..., S.A. Nikitin, et al., Development of resonance depolarization method at VEPP-4 for high precision measurement of tau lepton mass/PAC 2001 Proceedings (Chicago, Illinois, USA, 2001), vol.5 of 5, p.p.3317-3319.
29. С.А.Никитин, И.Б.Николаев. Расчет интенсивности тушековских электронов в накопителе ВЭПП-4М/Препринт ИЯФ 2010-42, 2010.
30. Д.Ю. Голубенко, С.А. Никитин. Эффект Тушека в приближении двумерных столкновений. Препринт ИЯФ 99-110 (1999);
D.Yu. Golubenko, S.A. Nikitin. Touschek eect in approximation of two dimensional collisions/Proc. of the PAC 2001 (Chicago, Illinois, USA, June 18-22, 2001), vol.4 of 5, p.p.2845-2847.
31. S.A. Nikitin, A.B. Temnykh. Study of intra-beam scattering eect at CESR and VEPP-4M storage rings at 1.8 GeV energy. Preprint Budker INP 2004-56. Novosibirsk, 32. S.A. Nikitin. Quantum lower limit on scattering angle in the calculation of multiple Touschek-eect. Preprint INP 2007-36.
33. С.А. Никитин, Е.Л. Салдин, М.В. Юрков. О возможности полу чения продольно поляризованных встречных пучков на накопителе ВЭПП-4 в области энергий ипсилон-резонансов/Препринт ИЯФ СО АН СССР 81-116, 1981.
НИКИТИН Сергей Алексеевич Поляризованные пучки в прецизионных экспериментах на коллайдере ВЭПП-4М с детектором КЕДР АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук Сдано в набор Подписано в печать Формат 60 90 1/16. Объем 1,8 печ. л., 1,2 уч.-изд. л.
Тираж 100 экз. Бесплатно. Заказ № Обработано на IBM PC и отпечатано на ротапринте ИЯФ им. Г.И. Будкера СО РАН Новосибирск, 630090, пр. Академика Лаврентьева, 11.