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

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  • Folie 1
  • Rdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 20061 Strahlpolarisation an Elektron- Positron Speicherringen Rdiger Schmidt Sonderkolloquium Institut fr Synchrotronstrahlung und Institut fr Mikrostrukturtechnik Universitt Karlsruhe und Forschungszentrum Karlsruhe anlsslich des 65. Geburtstags von Herrn Dr. habil. Robert Rossmanith
  • Folie 2
  • Rdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 20062
  • Folie 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
  • Folie 4
  • Rdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 4 berblick l Der Spin des Elektrons l Synchrotronstrahlung l Speicherringe fr 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
  • Folie 5
  • Rdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 5 Einfhrung 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 fr e+e- (ADA- Frascati) 1925193019401950 19601970198019902000 Erstes Zyklotron Berkeley
  • Folie 6
  • Rdiger 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 ausbt l Das Experiment zeigt zwei Zustnde 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
  • Folie 7
  • Rdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 7 Einfhrung des Elektronenspins l 1924: Zustzlicher 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
  • Folie 8
  • Rdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 8 Anomales magnetisches Moment des Elektrons l Das magnetische Moment eines Spin 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 Przision gemessen worden (10 Stellen)
  • Folie 9
  • Rdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 9 Potentielle Energie eines magnetischen Moments im usseren Magnetfeld l Es ist energetisch gnstiger, dass sich ein positives magnetische Moment parallel zum Magnetfeld ausrichtet l Problem: Fr ein Elektron wird bei spontaner Spindrehung die Spinerhaltung verletzt.....
  • Folie 10
  • Rdiger 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
  • Folie 11
  • Rdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 11 Ablenkung von Elektronen im Magnetfeld Abstrahlung von Photonen Bilder aus K.Wille Die Leistung der Synchtrotronstralung lsst sich mit Methoden der klassischen Elektrodynamik berechnen. Eine genau Berechnung des Spektrum lsst sich nur mit der Quantenelektrodynamik durchfhren Ruhesystem des Elektrons Laborsystem
  • Folie 12
  • Rdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 12 Synchrotronstrahlung fr Teilchen mit Lichtgeschwindigkeit l Synchrotronstrahlung fr Teilchen im Ablenkmagneten l Fr Elektronen und Positronen relevant l Fr Protonen (fast) zu vernachlssigen l Strahlungsleistung steigt stark mit der Energie an
  • Folie 13
  • Rdiger 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
  • Folie 14
  • ......und langsames Wachstum PETRA e+e- Speicherring 22 GeV (Abbildung PETRA III) DORIS e+e- Speicherring 5 GeV am DESY...... DORIS PETRA HERA
  • Folie 15
  • Rdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 15......weiteres Wachstum anderswo - am CERN LEP e+e- Speicherring 104 GeV
  • Folie 16
  • Rdiger 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, nmlich antiparallel zu den Magnetfeldern, die sie auf ihrer Kreisbahn halten, und damit senkrecht zur Flugrichtung der Teilchen. .., .., .. (1967 .) http://www.phys.msu.su/rus/struct/div/div-experimental/images/ternov-ivanenko-sokolov.jpg
  • Folie 17
  • Rdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 17 Spinflip des Elektrons bei Abstrahlung eines Photons ist mglich
  • Folie 18
  • Rdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 18 Spinflip bei Abstrahlung eines Photons
  • Folie 19
  • Rdiger 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
  • Folie 20
  • Rdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 20 Messung der Strahlpolarisation: Touschek Effekt l Bruno Touschek (1921 1978), geboren in sterreich l In Frascati wurde von Touschek der Bau von ACO vorgeschlagen Touschek Effekt: Mller Streuung l Mller Streuung (elastische ElektronElektron Streuung) innerhalb des Bunches. Dabei kann es zum Verlust von Elektronen kommen. l Der Wirkungsquerschnitt hgt vom Spin der Elektronen ab, und die Strahlverluste hngen vom Polarisationsgrad ab. l Beobachtung der Strahllebensdauer, oder der Teilchenverlustrate. l Effiziente Messmethode bei niedrigen Strahlenergien. www.cerncourier.com
  • Folie 21
  • Rdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 21 Messung der Strahlpolarisation: Compton Streuung l Arthur H. Compton (USA, 1892 - 1962, Nobelpreis 1927) en.wikipedia.org
  • Folie 22
  • Rdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 22 Frhe Beobachtung von Strahlpolarisation l Beobachtung an VEPP-2M l Touschek Effekt l Depolarisation am Ende der Messung
  • Folie 23
  • Rdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 23 Compton Polarimeter: Messung der transversalen und longitudinalen Strahlpolarisation l Streuung von polarisiertem Laserlicht an Elektronen l Der Streuquerschnitt hngt 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
  • Folie 24
  • Rdiger 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
  • Folie 25
  • Rdiger 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 fr den Spin: f revSpin =1a f rev BMT-Gleichung (Bargman Michel Teledgi): f Elektron im Kreisbeschleuniger
  • Folie 26
  • Rdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 26 Umdrehungen des Spins: 1.3 bei einer Umdrehung des Elektrons (in diesem Beispiel)
  • Folie 27
  • Rdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 27 PETRA Ablenkradius der Magnete ist PETRA 192m LngeL 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 fr den Spin ist:f revSpin 1a f revPETRA Whrend das Elektron einen Umlauf macht, dreht sich der Spin: a 40.844 mal
  • Folie 28
  • Rdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 28 Depolarisation SPEAR (SLAC) Positronenpolarisation als Funktion der Energie Vergleich Simulation - Experiment
  • Folie 29
  • Rdiger Schmidt - Karlsruhe Sonderkolloquium Juli 2006 29 Depolarisierende Effekte: Ilustration Kleine Abweichung der Bahnbewegung grosse Spinrotation Ablenkwink