Conseil Scientifique du LPSC 6 Mai 2010, Grenoble

PPolarized olarized EElectrons for lectrons for PPolarized olarized PoPositronssitrons

PEPPo, une expérience de principePEPPo, une expérience de principe

Maud Baylac, Jonathan Dumas, Jean-Sébastien Réal, Eric Voutier

AccélérateurAdministration

ElectroniqueSDI

SERM

1,7 ETP + 3,5 ETP

Objectifs

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Objectifs Scientifiques

Objectifs Techniques

PEPPo est une expérience de principe dont les objectifs sont de démontrer et de quantifier le transfert de la polarisation longitudinale d’un faisceau primaire d’électrons à un faisceau secondaire de positrons.

Cette expérience est la concrétisation des travaux de Thèse de Jonathan Dumas qui devraient voir la validation de ce concept pour le développement d’un nouveau type de sources polarisées de positrons (Super B, JLab, ENC, positrons thermiques…).

L’assemblage, l’actualisation et la mise au point d’un polarimètre à transmission seraient les responsabilités techniques majeures du LPSC.

Applications

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Mesure des corrélations angulaires entre les photons produits par

l’annihilation de positrons de faibles énergies avec les électrons atomiques.

Caractérisation des surfaces de Fermi et des défauts de type lacunaire dans les solides.

Challenges instrumental et technologique (collection et modération des e+) pour des sources d’intensités au moins

100 fois plus grandes.

Grenoble, 6 Mai 2010

Production de Positrons Polarisés

Production à Grande Energie

Diffusion Compton Onduleur

La production de positrons polarisés s’effectue en deux étapes successives : production de photons circulaires suivie du transfert de polarisation par création

de paires.

T. Omori et al, PRL 96 (2006) 114801

G. Alexander et al, PRL 100 (2008) 210801

P(e+) = 73 ± 15 ± 19 %

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Bremsstrahlung Polarisé

1995 1999 2000 201020041998

30 A A A A A A

35% 35% 75% 75% 85% 85%

2007

mA

85%Pe-

Ie-

Bulk GaAs Strained GaAs Superlattice GaAs

Durée de vie suffisamment grande pour plusieurs semaines d’opération

E.G. Bessonov, A.A. Mikhailichenko, EPAC (1996) A.P. Potylitsin, NIM A398 (1997) 395

Dans une cible de Z élevé, des e- longitudinalement polarisés rayonnent des circulairement polarisés.

Dans la même/différente cible, les circulaires créent des e+ longitudinalement polarisés.

Evolution de la source d’électrons polarisés de CEBAF

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Production de Positrons Polarisés

Grenoble, 6 Mai 2010

Eric Voutier

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Simulations GEANT4

Figure de Mérite

La Figure de Mérite, grandeur qui caractérise les performances d’un faisceau polarisé par rapport à la précision d’une mesure, combine le flux incident de particles et leur

polarisation.

Energie optimum

FoMoptimum

2ee PIFoM

MeV0.25ΔE10Δθ ee

μm100tmA 1I We

Grenoble, 6 Mai 2010

Simulations GEANT4

L’ordre de grandeur typique du rendement potentiel d’une source polarisée bremsstrahlung est de 10-6 en intensité et 0.7 en polarisation.

La nature et l’épaisseur de la cible ainsi que le système de capture des e+ paramètrent ces performances.

Pour les conditions expérimentales de PEPPo (Pe = 5-9 MeV/c, Ie = 1-10 µA, P ≥

85%), des intensités e+ du pA et des polarisations de 60% sont attendues.

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Méthode Expérimentale

Preuve de Principe

PEPPo sera réalisée avec des électrons de basse énergie (5-9 MeV/c) et de grande polarisation (≥85%) disponibles à la sortie de l’injecteur, au premier niveau de l’accélérateur CEBAF.

Une nouvelle ligne de faisceau guidera les électrons primaires vers une première cible où des photons circulairement polarisés seront créés par rayonnement bremsstrahlung.

L’interaction des photons dans une deuxième cible de production produit des positrons polarisés qui sont ensuite capturés et sélectionnés en énergie dans un canal magnétique.

La polarisation des positrons est déterminée à l’aide d’un polarimètre à transmission dont le fonctionnement repose sur l’asymétrie (<1%) de l’absorption des photons polarisés, produits par reconversion des positrons, dans une cible polarisée.

PEPPo @ JLab : calibration en électron, asymétries de spin du faisceau ou de la cible.

Grenoble, 6 Mai 2010

Les systèmes de collection, de sélection et d’analyse de l’expérience E166 du SLAC seront utilisés.

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Organisation

Grenoble, 6 Mai 2010

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Pôles d’ Activités

Segmentation de CEBAF

La réalisation durant la période d’arrêt de CEBAF pendant 6 mois en 2011 a été proposée pour la réalisation de PEPPo. Des scénarios avec segmentation permanente, temporaire et sans segmentation sont étudiés.

JLab

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Pôles d’ Activités

Lignes de Faisceaux

Une nouvelle ligne e- comportera des éléments standarts de diagnostics (BPM, HARP, viewer…) pour une caractérisation précise du faisceau incident sur les cibles de conversion.

La ligne est conçue pour permettre la production de e+ par un système à 1 ou 2 cibles.

e- → → e+e- → e+

JLab, LPSC, LAL

e- e+

La ligne e+ est constituée d’une lentille solénoïdale, de deux dipôles et d’un collimateur.

Ce système a été utilisé avec succès par l’expérience E166 du SLAC. Ces éléments sont disponibles pour les besoins de PEPPo.

La conception du système de capture est revisitée pour son optimisation.

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Pôles d’ Activités

Polarimètre à Transmission

LPSC, JLab, DESY, LPC/ODU

Le polarimètre à transmission est essentiellement composé d’une cible de reconversion, d’un aimant d’analyse polarisant une cible de Fe et d’un calorimètre électromagnétique constitué de neuf cristaux CsI(Tl).

Ce système a été utilisé avec succès par l’expérience E166 du SLAC. Ces éléments sont disponibles pour les besoins de PEPPo.

La lecture des signaux de scintillation et le système d’acquisition sont spécifiques à PEPPo.

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E166 @ SLAC

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LμPPtanhNN

NNA 1tγT

)(Aρμ C

02

e1

dd

ddd

et

Te AP

A P

Les e± polarisés créent des photons circulaires dans une cible de reconversion. La polarisation des photons est analysée par absorption Compton dans une cible magnétisée.

Le pouvoir d’analyse Ae est obtenu par calibration avec un faisceau d’électrons et par simulations.

Un sytème d’acquisition à fort taux de comptage est envisagé (250 MHz flash ADC).

T = 7.5 MeVP = 85%tw = 1 mmI = 1 pA

t = 100 s

Pe = ±0.03

Polarimétre à Transmission Compton

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Absorption Compton Polarisée

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Polarimétre à Transmission Compton

M. Marton (LPSC)

Grenoble, 6 Mai 2010

Les conditions et les objectifs de fonctionnement des cristaux CsI à JLab demandent une lecture du calorimètre par des photomultiplicateurs à base active pour en assurer la longévité.

(similaire à GØ ou n-DVCS)

Première ébauchemécanique

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Polarimétre à Transmission Compton

Grenoble, 6 Mai 2010

FADC250 (JLab)

La carte FADC250 développée par JLab pour les expériences GLUEX et CLAS12 constitue le coeur du sytème d’acquisition.

Trois modes simultanés d’acquisition des données, de différentes erreurs systématiques, permettent de réaliser la mesure de l’asymétrie expérimentale :

→ Mode intégré (intégration du signal pendant la durée relative à un même état d’hélicité du faisceau);

→ Mode semi-intégré (intégration d’un signal discrétisé en énergie);

→ Mode événement (acquisition d’un échantillon d’événements).

Eric Voutier

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Budget

JLab fournit l’infrastructure et les ressources humaines nécessaires au développement, au montage et à l’installation des nouvelles lignes (coût en cours d’estimation), ainsi que l’éléctronique des cristaux CsI.

Les contributions de la communauté ILC (J. Clarke, M. Harrison) et du LPC sont acquises.

Le financement IN2P3 est en cours de discussion, après la confirmation de l’intérêt scientifique apporté à ce projet.

Budget Prévisionnel

Equipement Missions Salaires

Eric Voutier

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Echéancier

Conclusions

Résumé

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PEPPo propose de prouver expérimentalement la réalité du transfert de polarisation d’un électron à un positron.

PEPPo est un projet de courte durée, d’envergure financière raisonnable et de très fort impact

potentiel sur le développement de nouvelles sources polarisées de positrons.

PEPPo est l’aboutissement d’un travail et d’idées développées par notre équipe (LPSC/JLab) dans le cadre

de la Thèse de Jonathan Dumas.