Rüdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 20061 Strahlpolarisation an Elektron- Positron Speicherringen Rüdiger Schmidt Sonderkolloquium Institut.

Präsentation zum Thema: "Rüdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 20061 Strahlpolarisation an Elektron- Positron Speicherringen Rüdiger Schmidt Sonderkolloquium Institut."—  Präsentation transkript:

1 Rüdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 20061 Strahlpolarisation an Elektron- Positron Speicherringen Rüdiger Schmidt Sonderkolloquium Institut für Synchrotronstrahlung und Institut für Mikrostrukturtechnik Universität Karlsruhe und Forschungszentrum Karlsruhe anlässlich des 65. Geburtstags von Herrn Dr. habil. Robert Rossmanith

2 Rüdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 20062

3 3 Polarisationsgruppe am DESY 1978 - 1985 Leiter l R.Rossmanith Wissenschaftler l H.C.Dehne, J.Kewisch, H.Mais, G.Ripken, D.Barber Ingenieure l H.C.Lewin, D.Bremer PhD Studenten l R.Schmidt, T.Limberg, R.Neumann

4 Rüdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 4 Überblick l Der Spin des Elektrons l Synchrotronstrahlung l Speicherringe für Elektronen und Positronen l Strahlpolarisation im Speicherring l Messung der Strahlpolarisation l Depolarisation l Anwendungen der Strahlpolarisation Energiekalibration Messung der Strahlparameter l Strahlpolarisation und Teilchenphysik Grundlagen Vom Forschungs objekt zum Werkzeug Anwendungen

5 Rüdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 5 Einführung des Spins in der Theorie: Ralph Kronig, George Uhlenbeck, and Samuel Goudsmit Polarisation an Petra und Doris Sokolov und Ternov: Polararisationsaufbau an Speicherringen Hinweise auf den Spin - Stern-Gerlach Experiment Polarisation an HERA Polarisation an LEP Erste Beobachtung von Strahlpolaristion an ACO (Orsay) und VEPP-2M (Novosibirsk) Erste Beobachtung von Synchrotronstrahlung Erster Speicherring für e+e- (ADA- Frascati) 1925193019401950 19601970198019902000 Erstes Zyklotron Berkeley

6 Rüdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 6 Stern-Gerlach Experiment l Messung des magnetischen Moments eines Silberatoms im inhomogenen Magnetfeld, dass eine Kraft auf das magnetisch Moment ausübt l Das Experiment zeigt zwei Zustände der Silberatome http://www.thp.uni-koeln.de/natter/physwelt/f07_05.html l Otto Stern 1888-1969 Physik-Nobelpreis 1943 l Walter Gerlach 1889-1979 http://www.physicstoday.org/vol-56/iss-12/p53.html

7 Rüdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 7 Einführung des Elektronenspins l 1924: Zusätzlicher Freiheitsgrad des Elektrons (von W.Pauli vorgeschlagen) l 1925: Ralph Kronig, George Uhlenbeck and Samuel Goudsmit: Spin l 1928: Aus der Diracgleichung ergibt sich der Spin l Eine rotierende Ladung hat ein magnetisches Moment Goudsmit, Vorlesung 1971 http://www.lorentz.leidenuniv.nl/history/spin/goudsmit.html

8 Rüdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 8 Anomales magnetisches Moment des Elektrons l Das magnetische Moment eines Spin ½ Teilchens ist l Nach der Diracgleichung ist g = 2 l Durch Korrekturen der Quantenelektrodynamik ergibt sich ein Wert, der leicht von g = 2 abweicht. l Die Differenz a = (g – 2) / 2 ist das annomale magnetische Moment l Das annomale magnetisch Moment des Elektrons ist mit sehr hoher Präzision gemessen worden (10 Stellen)

9 Rüdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 9 Potentielle Energie eines magnetischen Moments im äusseren Magnetfeld l Es ist energetisch günstiger, dass sich ein positives magnetische Moment parallel zum Magnetfeld ausrichtet l Problem: Für ein Elektron wird bei spontaner Spindrehung die Spinerhaltung verletzt.....

10 Rüdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 10 Erste Beobachtung von Synchrotronstrahlung 1947 - 70 MeV Elektronensynchrotron, General Electric Research Lab Vakuumkammer aus Glas - daher konnte man die Strahlung beobachten Erste Kreisbeschleuniger: 1929 von Ernest Lawrence an der University of California, Berkeley

11 Rüdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 11 Ablenkung von Elektronen im Magnetfeld – Abstrahlung von Photonen Bilder aus K.Wille Die Leistung der Synchtrotronstralung lässt sich mit Methoden der klassischen Elektrodynamik berechnen. Eine genau Berechnung des Spektrum lässt sich nur mit der Quantenelektrodynamik durchführen Ruhesystem des Elektrons Laborsystem

12 Rüdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 12 Synchrotronstrahlung für Teilchen mit Lichtgeschwindigkeit l Synchrotronstrahlung für Teilchen im Ablenkmagneten l Für Elektronen und Positronen relevant l Für Protonen (fast) zu vernachlässigen l Strahlungsleistung steigt stark mit der Energie an

13 Rüdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 13 Geburt der Elektronenspeicherringe.... Erster Speicherring ADA in Frascati, 1960 – 1964 Energy 250 MeV Durchmesser von 65 cm Speicherrung von Elektronen Speicherung von Positronen e+e- Kollisionen Entdeckung des Touschek Effekt http://www.infn.it/notiziario/page21a.html

14 ......und langsames Wachstum PETRA e+e- Speicherring 22 GeV (Abbildung PETRA III) DORIS e+e- Speicherring 5 GeV am DESY...... DORIS PETRA HERA

15 Rüdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 15......weiteres Wachstum anderswo - am CERN LEP e+e- Speicherring 104 GeV

16 Rüdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 16 Sokolov-Ternov Effekt l Mitte der 1960er Jahre erkannten die beiden russischen Physiker Arsenii A. Sokolov und Igor M. Ternov, dass sich die Elektronen in einem Speicherring im Prinzip automatisch in eine bevorzugte Richtung ausrichten, nämlich antiparallel zu den Magnetfeldern, die sie auf ihrer Kreisbahn halten, und damit senkrecht zur Flugrichtung der Teilchen. И.М.Тернов, Д.Д.Иваненко, А.А.Соколов (1967 г.) http://www.phys.msu.su/rus/struct/div/div-experimental/images/ternov-ivanenko-sokolov.jpg

17 Rüdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 17 Spinflip des Elektrons bei Abstrahlung eines Photons ist möglich

18 Rüdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 18 Spinflip bei Abstrahlung eines Photons

19 Rüdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 19 Aufbau der Polarisation: Zeitkonstante PETRA 15 GeV: 29 Minuten LEP 104 GeV : ~6 Minuten HERA 27.5 GeV : 40 Minuten www-hermes.desy.de

20 Rüdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 20 Messung der Strahlpolarisation: Touschek Effekt l Bruno Touschek (1921 – 1978), geboren in Österreich l In Frascati wurde von Touschek der Bau von ACO vorgeschlagen Touschek Effekt: Møller Streuung l Møller Streuung (elastische Elektron–Elektron Streuung) innerhalb des Bunches. Dabei kann es zum Verlust von Elektronen kommen. l Der Wirkungsquerschnitt hägt vom Spin der Elektronen ab, und die Strahlverluste hängen vom Polarisationsgrad ab. l Beobachtung der Strahllebensdauer, oder der Teilchenverlustrate. l Effiziente Messmethode bei niedrigen Strahlenergien. www.cerncourier.com

21 Rüdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 21 Messung der Strahlpolarisation: Compton Streuung l Arthur H. Compton (USA, 1892 - 1962, Nobelpreis 1927) en.wikipedia.org

22 Rüdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 22 Frühe Beobachtung von Strahlpolarisation l Beobachtung an VEPP-2M l Touschek Effekt l Depolarisation am Ende der Messung

23 Rüdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 23 Compton Polarimeter: Messung der transversalen und longitudinalen Strahlpolarisation l Streuung von polarisiertem Laserlicht an Elektronen l Der Streuquerschnitt hängt von der Polarisation ab l Transversale Polarisation: Oben-Unten Asymmetrie wenn die Lichtpolarisation umgeschaltet wird l Longitudinale Polarisation: Unterschiedliches Energiespektrum der gestreuten Photonen, wenn die Lichtpolarisation umgeschaltet wird

24 Rüdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 24 Compton Polarimeter: Messung der transversalen Strahlpolarisation Laserpolarimeter Laser Optische Bank (Umschalten der Polarisation) LIR gestreute Photonen Detektor Spiegel Fokussierender Spiegel ~ 310 m Linse Elektronen Positronen ~ 100 m Laserpuls

25 Rüdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 25 Bewegung des magnetischen Moment im Magnetfeld Lorentzkraft: Umlauffrequenz eines Elektrons:f rev = e 0 B m e 1 2 Umlauffrequenz für den Spin: f revSpin =1a f rev BMT-Gleichung (Bargman Michel Teledgi): f Elektron im Kreisbeschleuniger

26 Rüdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 26 Umdrehungen des Spins: 1.3 bei einer Umdrehung des Elektrons (in diesem Beispiel)

27 Rüdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 27 PETRA Ablenkradius der Magnete ist PETRA 192m LängeL PETRA 2304m Teilchenenergie E PETRA 18GeV Faktor: E PETRA m e c 2 => 3.52210 4 Ablenkmagnetfeld:B PETRA 0.313T Umlauffrequenz f revPETRA e 0 B PETRA m e 1 2 PETRA 2 L PETRA f revPETRA 1.30210 5 Hz Umlauffrequenz für den Spin ist:f revSpin 1a f revPETRA Während das Elektron einen Umlauf macht, dreht sich der Spin: a 40.844 mal

28 Rüdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 28 Depolarisation SPEAR (SLAC) Positronenpolarisation als Funktion der Energie Vergleich Simulation - Experiment

29 Rüdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 29 Depolarisierende Effekte: Ilustration Kleine Abweichung der Bahnbewegung – grosse Spinrotation Ablenkwinkel: Drehwinkel des Spins: a

30 Rüdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 30 Bruno Touschek..... ganz einfach, oder etwa nicht ? www.cerncourier.com

31 Rüdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 31 Polarisation und Depolarisation und Polarisation und Depolarisation und Polarisation und Depolarisation und Polarisation und Depolarisation und Polarisation und Depolarisation und Polarisation und Depolarisation und Polarisation und Depolarisation und Polarisation und Depolarisation und Polarisation und Depolarisation Injektion unpolarisierter Strahlen Polarisationsaufbau Depolarisierende Effekte Kompensation der Depolarisation Kontrollierte Depolarisation Sokolov-Ternov Effekt Closed-Orbit, Betatronschwingungen, Synchrotronschwingungen, Solenoide, Resonanzen, Strahl-Strahl Wechselwirkung Einstellung der Strahlenergie, harmonic spin matching, Kompensation der Solenoidfelder,... Polarisationsaufbau Depolarisation durch zeitlich variables Magnetfeld

32 Rüdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 32 Optimierung der Polarisation l Mit einer speziellen Korrektur des Closed Orbits können die depolarisierenden Effekte vermindert werden (Resultate von PETRA) l Dabei werden Fourierkomponenten des Orbits minimiert R.Rossmanith, R.Schmidt: Compensation of depolarising effects in electron-positron storage rings, NIM A236 (1985), 231-248, 1985 Optimierung ger Polsarisation durch harmonic spin matching Optimierung der Polsarisation durch Energiescan

33 Rüdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 33 Depolarisation durch ein zeitabhängiges transversales Magnetfeld R. Neumann, R. Rossmanith, A Fast Depolarizer for Large Electron-Positron Storage Rings, Nucl. Inst. Meth. 204, 29 (1982) Der Faktor wird bestimmt, in dem die Anzahl der Spinumdrehungen pro Umlauf gemessen werden: = f revSpin f rev 1 1 a

34 Rüdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 34 Erste Depolarisation an PETRA

35 Rüdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 35 DORIS Depolarisator DORIS Compton Polarimeter DESY Polarisationteam und ARGUS collaboration, Crystal Ball Collaboration: A precision measurement of the U Meson mass, Physics Letters Volume 135B, February 1984

36 Rüdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 36 Energiekalibration des Upsilon Teilchen and DORIS DESY Polarisationteam und ARGUS collaboration, Crystal Ball Collaboration: A precision measurement of the U Meson mass, Physics Letters Volume 135B, February 1984

37 Rüdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 37 Depolaristion durch Strahl-Strahl Wechselwirkung l Polarisationsgrad nimmt mit zunehmendem Strom des gegenlaufenden Strahls ab l Gleichzeitig wird eine Strahlaufweitung beobachtet

38 Rüdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 38 Vom DESY zum CERN: Polarisation bei LEP Der Erfolg der Polarisation bei LEP wurde durch die Vorarbeiten am DESY möglich

39 Rüdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 39 Layout LEP Polarimeter M.Placidi and R.Rossmanith, A laser polarimeter for LEP, CERN-LEP-NOTE-539, 1985

40 Rüdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 40 Gequetscher Ring l Die Energieänderung als Funktion des Ringumfangs ist : l Die Depolarisationsresonanz verschiebt sich messbar, wenn sich der Umfang von LEP um 10 -9 ändert l Aufgrund von nicht verstandenen Änderungen der Resonanzfrequenz wurde 1991 von einem SLAC Kollegen vorgeschlagen, dass die Tiden so eine Änderung bewirken könnten J.Wenninger

41 Rüdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 41 Herbst 1992 : Das Tidenexperiment ! Die Dehnung des Rings ist 4 x 10 -8 ( C = 1 mm) J.Wenninger

42 Rüdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 42 Ein gefundenes Fressen für die Presse... J.Wenninger

43 Rüdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 43 Weitere Unklarheiten.... Eine Änderung von 5 MeV wurde in einem Experiment im Frühling 1994 beobachtet – die nicht zu erklären war J.Wenninger

44 Rüdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 44 Messung des Magnetfeld im Ablenkmagneten mit einer NMR Sonde l Fluktuationen am Tag l Keine Fluktuation in der Nacht l Ansteigen der Energie am Tag Was kann diesen Effekt verursachen ? J.Wenninger

45 Rüdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 45 Vermutung von elektrischen Störungen durch den Zugverkehr Die Schweizer Elektrizitätsgesellschaft: Erdströme durch den TGV und andere Züge sind Quellen von elektrischen Störungen ~80% ~20% Vagabond (Earth) current DC railway J.Wenninger

46 Rüdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 46 Erdströme bei LEP Die Erdströme werden durch den Zugverkehr zwischen Bellegarde und Genf eingekoppelt: 1 A fliesst durch die LEP Vakuumkammer J.Wenninger

47 Rüdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 47 TGV Paris - Genf Im November 1995 wurden verschiedene Messungen gleichzeitig durchgeführt: l Spannung an den Schienen l Spannung in der LEP Kammer l Magnetfeld mit NMR Sonde J.Wenninger

48 Rüdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 48 Energiekalibration bei LEP Motivation: Präzise Messung der Massen und Breiten des Z bosons, und des W Bosons l Masse Z = 91.1876 0.0021 GeV l Masse W = 80.425 0.038 GeV Diese Präzision, besonders für die Z Masse, liess sich nur durch die Energiekalibration der Strahlenergie mit Depolarisation erreichen J.Wenninger

49 Rüdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 49 Anwendungen der Strahlpolarisation Messung der Energie in der Teilchenphysik zum Bestimmen der Teilchenmassen: DESY: PETRA, DORIS, HERA CERN: LEP Synchrotronlichtquellen: Messung der Energie, um die genaue Reproduzierbarkeit der Beschleunigerparameter zu gewährleisten. l Bessy l SLS l VEPP-4M l ALS l ANKA Ausserdem: Messung des Nonlinear Momentum Compaction Factors

50 Rüdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 50 Longitudinale Polarisation: Spinrotator bei HERA HERA I: Polarisation von über 60%

51 Rüdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 51 HERA Polarimeter Im Betrieb von HERA wird der grüne Laserstrahl innerhalb des Strahlrohrs gegen den Elektronenstrahl geführt, um zu ermitteln, wie gut die Elektronen polarisiert sind. Hier befindet sich der Laserstrahl für Justierungsarbeiten außerhalb des Strahlrohrs.

52 Rüdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 52 HERMES l Wie der Spin von Nukleonen - Protonen und Neutronen - genau zustande kommt ist bisher nicht geklärt. l Möchte man dieses Spinrätsel ergründen, müssen die Kollisionspartner - die Elektronen aus dem HERA-Speicherring und die Atome des Gastargets - polarisiert sein, d.h., ihre Spins müssen in eine bevorzugte Richtung zeigen. l Das erlaubt die präzise Messung desr Beiträge der Quarks zum Nuklonenspin. http://hermes.desy.de/

53 Rüdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 53 Highest Polarisation @ HERA II (so far!) March 2003: HERA II achieved up to 50% polarisation with 3 pairs of spin rotators, H1 & ZEUS solenoids on and collisions! Jenny Böhme EPS Conference, Aachen, July 2003

54 Rüdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 54 Zusammenfassung l Highlights Desy 1978-1985: Entwicklung von Polaristionsmonitoren Korrektur der depolarisierende Effekte Experimentelle Arbeiten zu depolarisierenden Effekten Energiekalibration l Mit den experimentellen und theoretischen Untersuchungen an PETRA und an DORIS wurden die Grundlagen für die erfolgreiche Anwendung der Polarisation, insbesonders bei LEP und bei HERA, gelegt l Die Polarisationsgruppe bestand auch aus einigen Doktoranden und Diplomanden, denen viel Verantwortung übertragen wurde l Zum Gelingen der Arbeiten trug die gute und offene Atmosphäre in der Arbeitsgruppe erheblich bei l Nicht nur die wissenschafliche Ergebnisse, sondern auch die Arbeitsweise wurde bei den CERN Polarisationsarbeiten (... und auch bei LHC Arbeiten) übernommen

55 Rüdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 55 Aber WO ?

56 Rüdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 56 Links und Referenzen l http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/spin.html#c5 http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/spin.html#c5 l http://www.lorentz.leidenuniv.nl/history/spin/goudsmit.html http://www.lorentz.leidenuniv.nl/history/spin/goudsmit.html l Spin-polarized charged particle beams in high-energy accelerators, S. R.Mane, Yu. M. Shatunov and K. Yokoya, 2005, Rep. Prog. Phys. 68 1997- 2265 l http://en.wikipedia.org/wiki/Electron_magnetic_dipole_moment http://en.wikipedia.org/wiki/Electron_magnetic_dipole_moment l http://www.lnf.infn.it/acceleratori/ada/ http://www.lnf.infn.it/acceleratori/ada/ l eps2003.physik.rwth-aachen.de/data/talks/parallel/15Accelerator/15Boehme.ppt