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Rüdiger Schmidt - Karls ruhe Sonderkolloquium J uli 2006 1 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

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Rüdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006

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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

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Rüdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006

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Polarisationsgruppe am DESY 1978 - 1985 Polarisationsgruppe am DESY 1978 - 1985

Leiter R.Rossmanith

Wissenschaftler H.C.Dehne, J.Kewisch, H.Mais , G.Ripken,

D.Barber

Ingenieure H.C.Lewin, D.Bremer

PhD Studenten R.Schmidt, T.Limberg , R.Neumann

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ÜberblickÜberblick

Der Spin des Elektrons Synchrotronstrahlung Speicherringe für Elektronen und Positronen

Strahlpolarisation im Speicherring Messung der Strahlpolarisation Depolarisation

Anwendungen der Strahlpolarisation• Energiekalibration

• Messung der Strahlparameter

Strahlpolarisation und Teilchenphysik

Grundlagen

Vom Forschung

sobjekt zum

Werkzeug

Anwendungen

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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)

1925 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000

Erstes Zyklotron Berkeley

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Stern-Gerlach ExperimentStern-Gerlach Experiment

Messung des magnetischen Moments eines Silberatoms im inhomogenen Magnetfeld, dass eine Kraft auf das magnetisch Moment ausübt

Das Experiment zeigt zwei Zustände der Silberatome

http://www.thp.uni-koeln.de/natter/physwelt/f07_05.html

Otto Stern 1888-1969Physik-Nobelpreis 1943

Walter Gerlach 1889-1979http://www.physicstoday.org/vol-56/iss-12/p53.html

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Einführung des ElektronenspinsEinführung des Elektronenspins

1924: Zusätzlicher Freiheitsgrad des Elektrons (von W.Pauli vorgeschlagen)

1925: Ralph Kronig, George Uhlenbeck and Samuel Goudsmit: Spin

1928: Aus der Diracgleichung ergibt sich der Spin

Eine rotierende Ladung hat ein magnetisches Moment

Goudsmit, Vorlesung 1971

http://www.lorentz.leidenuniv.nl/history/spin/goudsmit.html

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Anomales magnetisches Moment des ElektronsAnomales magnetisches Moment des Elektrons

Das magnetische Moment eines Spin ½ Teilchens ist

Nach der Diracgleichung ist g = 2 Durch Korrekturen der Quantenelektrodynamik ergibt sich

ein Wert, der leicht von g = 2 abweicht. Die Differenz a = (g – 2) / 2 ist das annomale magnetische

Moment Das annomale magnetisch Moment des Elektrons ist mit

sehr hoher Präzision gemessen worden (10 Stellen)

sm2

eg

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Potentielle Energie eines magnetischen Potentielle Energie eines magnetischen Moments im äusseren MagnetfeldMoments im äusseren Magnetfeld

BUB

BUB

Es ist energetisch günstiger, dass sich ein positives magnetische Moment parallel zum Magnetfeld ausrichtet

Problem: Für ein Elektron wird bei spontaner Spindrehung die Spinerhaltung verletzt .....

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Erste Beobachtung von SynchrotronstrahlungErste 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

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Ablenkung von Elektronen im Magnetfeld – Ablenkung von Elektronen im Magnetfeld – Abstrahlung von PhotonenAbstrahlung 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

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Synchrotronstrahlung für Teilchen mit Synchrotronstrahlung für Teilchen mit LichtgeschwindigkeitLichtgeschwindigkeit

Ps=e0

2 c

6 0 me c2 4

E4

2

Synchrotronstrahlung für Teilchen im Ablenkmagneten Für Elektronen und Positronen relevant Für Protonen (fast) zu vernachlässigen

Strahlungsleistung steigt stark mit der Energie an

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Geburt der Elektronenspeicherringe....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

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......und langsames ......und langsames Wachstum Wachstum

PETRA e+e- Speicherring 22 GeV (Abbildung PETRA III)

DORIS e+e- Speicherring 5

GeV

am DESY......am DESY......

DORIS DORIS PETRAPETRAHERA HERA

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......weiteres Wachstum anderswo - ......weiteres Wachstum anderswo - am CERN am CERN

LEP e+e- Speicherring 104

GeV

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Sokolov-Ternov EffektSokolov-Ternov Effekt

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

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Spinflip des Elektrons bei Abstrahlung eines Spinflip des Elektrons bei Abstrahlung eines Photons Photons ist möglichist möglich

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B

B

B

B

Spinflip bei Abstrahlung Spinflip bei Abstrahlung eines Photonseines Photons

Umklappwahrscheinlichkeit: WAtoP = 1

p1

5 38

Umklappwahrscheinlichkeit: WPtoA = 1

p1

5 38

Maximaler Polarisationsgrad: Pmax = W1 W2

W1 W2

Pmax = 0.925

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Aufbau der Polarisation: ZeitkonstanteAufbau der Polarisation: Zeitkonstante

Aufbauzeit der Polarisation: p = 5 3

8

e02

hplanck

2

5

4 0 me2 c2

3

1

daher gilt: p = constant

3

E5

PETRA 15 GeV: 29 Minuten

LEP 104 GeV : ~6 Minuten

HERA 27.5 GeV : 40 Minuten

www-hermes.desy.de

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Messung der Strahlpolarisation: Messung der Strahlpolarisation: Touschek EffektTouschek Effekt

Bruno Touschek (1921 – 1978), geboren in Österreich In Frascati wurde von Touschek der Bau von ACO

vorgeschlagen

Touschek Effekt: Møller Streuung Møller Streuung (elastische Elektron–Elektron

Streuung) innerhalb des Bunches. Dabei kann es zum Verlust von Elektronen kommen.

Der Wirkungsquerschnitt hägt vom Spin der Elektronen ab, und die Strahlverluste hängen vom Polarisationsgrad ab.

Beobachtung der Strahllebensdauer, oder der Teilchenverlustrate.

Effiziente Messmethode bei niedrigen Strahlenergien.www.cerncourier.com

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Messung der Strahlpolarisation: Messung der Strahlpolarisation: Compton StreuungCompton Streuung

Arthur H. Compton (USA, 1892 - 1962, Nobelpreis 1927)

en.wikipedia.org

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Frühe Beobachtung von StrahlpolarisationFrühe Beobachtung von Strahlpolarisation

Beobachtung an VEPP-2M Touschek Effekt Depolarisation am Ende

der Messung

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Compton Polarimeter: Messung der Compton Polarimeter: Messung der transversalen und longitudinalen transversalen und longitudinalen StrahlpolarisationStrahlpolarisation

Streuung von polarisiertem Laserlicht an Elektronen

Der Streuquerschnitt hängt von der Polarisation ab

Transversale Polarisation: Oben-Unten Asymmetrie wenn die Lichtpolarisation umgeschaltet wird

Longitudinale Polarisation: Unterschiedliches Energiespektrum der gestreuten Photonen, wenn die Lichtpolarisation umgeschaltet wird

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Compton Polarimeter: Messung der Compton Polarimeter: Messung der transversalen Strahlpolarisationtransversalen Strahlpolarisation

Laserpolarimeter

Laser Optische Bank (Umschalten der

Polarisation)

LIRgestreute Photonen

Detektor

Spiegel

Spiegel

Fokussierender Spiegel

~ 310 m

Linse

Elektronen

Positronen

~ 100 mLaserpuls

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Bewegung des Bewegung des magnetischen Moment magnetischen Moment im Magnetfeld im Magnetfeld B

Lorentzkraft:

Umlauffrequenz eines Elektrons: frev = e0 B

me1

2

U mlauffrequenz für den Spin: frevSpin = 1 a frev

BMT-Gleichung (Bargman Michel Teledgi):

f

Elektron im Kreisbeschleuniger

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Umdrehungen des Spins: 1.3 bei einer Umdrehung des Elektrons (in diesem Beispiel)

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PETRA

Ablenkradius der Magnete ist PETRA 192m

Länge LPETRA 2304m

Teilchenenergie EPETRA 18 GeV

Faktor: EPETRA

me c2

=> 3.522 104

Ablenkmagnetfeld: BPETRA 0.313T

Umlauffrequenz frevPETRA

e0 BPETRA

me1

2

PETRA 2

LPETRA

frevPETRA 1.302 105 Hz

Umlauffrequenz für den Spin ist:frevSpin 1 a frevPETRA

Während das Elektron einen Umlauf macht, dreht sich der Spin: a 40.844 mal

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DepolarisationDepolarisation

SPEAR (SLAC) Positronenpolarisation als Funktion der Energie

Vergleich Simulation - Experiment

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Depolarisierende Effekte: Ilustration Depolarisierende Effekte: Ilustration Kleine Abweichung der Bahnbewegung – grosse SpinrotationKleine Abweichung der Bahnbewegung – grosse Spinrotation

B

B

Ablenkwinkel:

Drehwinkel des Spins: a∙∙

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Bruno TouschekBruno Touschek

..... ganz einfach, oder etwa nicht ?

www.cerncourier.com

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Polarisation und Depolarisation undPolarisation und Depolarisation und Polarisation und Depolarisation Polarisation und Depolarisation und und Polarisation und DepolarisationPolarisation und Depolarisation undund Polarisation und Depolarisation und Polarisation und Depolarisation und Polarisation und Polarisation und

DepolarisationDepolarisation und Polarisation und Depolarisationund Polarisation und Depolarisation und Polarisation und Depolarisation und Polarisation und Depolarisation und Polarisation und Depolarisation und Polarisation und Depolarisation und Polarisation und Depolarisationund 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

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Optimierung der PolarisationOptimierung der Polarisation Mit einer speziellen Korrektur des Closed Orbits können die

depolarisierenden Effekte vermindert werden (Resultate von PETRA) 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

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Depolarisation durch ein zeitabhängiges Depolarisation durch ein zeitabhängiges transversales Magnetfeldtransversales Magnetfeld

R. Neumann, R. Rossmanith, “A Fast Depolarizer for LargeElectron-Positron Storage Rings”, Nucl. Inst. Meth. 204, 29(1982)

Der Faktor wird bestimmt, in dem die Anzahl derSpinumdrehungen pro Umlauf gemessen werden:

= f revSpin

frev1

1

a

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Erste Depolarisation an PETRAErste Depolarisation an PETRA

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DORIS DORIS DepolarisatorDepolarisator

DORIS Compton DORIS Compton PolarimeterPolarimeter

DESY Polarisationteam und ARGUS collaboration, Crystal Ball Collaboration: A precision measurement of the U’ Meson mass, Physics Letters Volume 135B, February 1984

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Energiekalibration des Upsilon’ Teilchen Energiekalibration des Upsilon’ Teilchen and DORISand DORIS

DESY Polarisationteam und ARGUS collaboration, Crystal Ball Collaboration: A precision measurement of the U’ Meson mass, Physics Letters Volume 135B, February 1984

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Depolaristion durch Strahl-Strahl Depolaristion durch Strahl-Strahl WechselwirkungWechselwirkung

Polarisationsgrad nimmt mit zunehmendem Strom des gegenlaufenden Strahls ab

Gleichzeitig wird eine Strahlaufweitung beobachtet

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Vom DESY zum CERN: Polarisation bei LEPVom DESY zum CERN: Polarisation bei LEP

Der Erfolg der Polarisation bei LEP wurde durch die Vorarbeiten am DESY möglich

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Rüdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 39

Layout LEP PolarimeterLayout LEP Polarimeter

M.Placidi and R.Rossmanith, A laser polarimeter for LEP, CERN-LEP-NOTE-539, 1985

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““Gequetscher” RingGequetscher” Ring

Die Energieänderung als Funktion des Ringumfangs ist :

CC1

EE

Die Depolarisationsresonanz verschiebt sich messbar, wenn sich der Umfang von LEP um 10-9 ändert Aufgrund von nicht verstandenen Änderungen der Resonanzfrequenz wurde 1991 von einem SLAC Kollegen

vorgeschlagen, dass die Tiden so eine Änderung bewirken könnten

600040001

...

J.Wenninger

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Herbst 1992 : Das Tidenexperiment !Herbst 1992 : Das Tidenexperiment !

Die Dehnung des Rings ist 4 x 10-8 (C = 1 mm)

J.Wenninger

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Rüdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 42

Ein gefundenes Fressen für die Presse...Ein gefundenes Fressen für die Presse...

J.Wenninger

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Rüdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 43

Weitere Unklarheiten....Weitere Unklarheiten....

Eine Änderung von 5 MeV wurde in einem Experiment im Frühling 1994 beobachtet – die nicht zu erklären war

J.Wenninger

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Messung des Magnetfeld im Messung des Magnetfeld im Ablenkmagneten mit einer NMR SondeAblenkmagneten mit einer NMR Sonde

Fluktuationen am Tag Keine Fluktuation in der

Nacht Ansteigen der Energie am

Tag

Was kann diesen Effekt verursachen ?

J.Wenninger

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Rüdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 45

Vermutung von elektrischen Störungen durch Vermutung von elektrischen Störungen durch den Zugverkehrden 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

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Rüdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 46

Erdströme bei LEPErdströme bei LEP

Die Erdströme werden durch den Zugverkehr zwischen Bellegarde und Genf eingekoppelt: 1 A fliesst durch die LEP Vakuumkammer

J.Wenninger

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Rüdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 47

TGV Paris - GenfTGV Paris - Genf

Im November 1995 wurden verschiedene Messungen gleichzeitig durchgeführt:

Spannung an den Schienen Spannung in der LEP Kammer Magnetfeld mit NMR Sonde

J.Wenninger

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Rüdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 48

Energiekalibration bei LEPEnergiekalibration bei LEP

Motivation: Präzise Messung der Massen und Breiten des Z bosons, und des W Bosons

Masse Z = 91.1876 0.0021 GeV 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

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Rüdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 49

Anwendungen der StrahlpolarisationAnwendungen 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.

Bessy SLS VEPP-4M ALS ANKA

Ausserdem: Messung des “Nonlinear Momentum Compaction Factors”

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Rüdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 50

Longitudinale Polarisation: Spinrotator Longitudinale Polarisation: Spinrotator bei HERAbei HERA

HERA I: Polarisation von über 60%

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Rüdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 51

HERA PolarimeterHERA PolarimeterIm 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.

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HERMES HERMES

Wie der Spin von Nukleonen - Protonen und Neutronen - genau zustande kommt ist bisher nicht geklärt.

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.

Das erlaubt die präzise Messung desr Beiträge der Quarks zum Nuklonenspin.

http://hermes.desy.de/

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Rüdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 53

Highest Polarisation @ HERA II (so far!)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

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ZusammenfassungZusammenfassung Highlights Desy 1978-1985:

• Entwicklung von Polaristionsmonitoren

• Korrektur der depolarisierende Effekte

• Experimentelle Arbeiten zu depolarisierenden Effekten

• Energiekalibration

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

Die Polarisationsgruppe bestand auch aus einigen Doktoranden und Diplomanden, denen viel Verantwortung übertragen wurde

Zum Gelingen der Arbeiten trug die gute und offene Atmosphäre in der Arbeitsgruppe erheblich bei

Nicht nur die wissenschafliche Ergebnisse, sondern auch die Arbeitsweise wurde bei den CERN Polarisationsarbeiten (... und auch bei LHC Arbeiten) übernommen

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Rüdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 55

Aber WO ?

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Links und ReferenzenLinks und Referenzen

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/spin.html#c5 http://www.lorentz.leidenuniv.nl/history/spin/goudsmit.html 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

http://en.wikipedia.org/wiki/Electron_magnetic_dipole_moment http://www.lnf.infn.it/acceleratori/ada/ eps2003.physik.rwth-aachen.de/data/talks/parallel/15Accelerator/15Boehme.ppt