Transparents

Mesure de moments
électriques dipolaires
hadroniques sur anneau de
stockage (p, d, He)
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Conseil Scientifique du LPSC – 15 décembre 2016
JM De Conto, Yolanda Gomez, Julien Michaud, P Boge, M Baylac
Présenté par Jean-Marie De Conto
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Sommaire
 R&D accélérateurs au LPSC
 Mesure des EDMs sur anneau de stockage
 La collaborationJEDI
 Principe de mesure: frozen et quasi-frozen spin
 Points clés: temps de cohérence de spin, erreurs systématiques
 Cahier des charges
 La contribution du LPSC, moyens mis en œuvre et résultats
 Deux résultats importants de JEDI
 Conclusion et perspectives
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R&D accélérateurs au LPSC
 Trois volets indissociables
 Modélisation et aspects théoriques
 Simulation (dynamique faisceau, calculs RF…)
 Expérimentation (MYRRHA, multipactor…)
 Thématiques
 Machines électrostatiques (GUINEVERE, GENEPI…)
 Linacs (SPIRAL2, LINAC4, MYRRHA)
 Machines circulaires (ETOILE, SUPERB…ELFE)
 Des thèmes de recherche et de thèse
 Dynamique de faisceau et de spin
 Radiofréquence
 Collaborations nationales ou internationales (GUIVENEVRE, SPIRAL2, CERN,
MYRRHA, programmes européens)
 EDMs sur accélérateurs*: une thématique qui associe complètement la
conception de la machine et la physique. Machine de petite taille: vue plus
générale.
 LPSC impliqué dans les volets modélisation/simulation
* sur une suggestion de Dominique Rebreyend
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EDM et JEDI
 Mesure d’EDM: test de violation des symétries
fondamentales (P et T)
 Supersymétrie
 Asymétrie matière/antimatière

𝑛𝐵 −𝑛𝐵
𝑛𝛾
= 6 ∙ 10−6 observé, 10-18 théorique
 EDM d’une seule particule insuffisant pour
identifier les sources de violation de CP. cf [*]
 Pas de mesures directes de hadrons chargés à
ce jour
 Potentiel des particules chargées:
 Durée de vie
 Grande quantité stockée (anneau)
 JEDI: Jülich Electric Dipole Investigation
 Etudes fondamentales
 Validation expérimentale sur la machine COSY et
preuve de principe
 Objectif: CDR à l’horizon 2020
Source: J Pretz et JEDI collaboration
* J. Bsaisou et al., Journal of High Energy Physics 2015, 1 (2015).
5
6
Source: Jülich
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Le principe: équation Thomas BMT
 Anneau purement électrique (G>0, protons)
 OU Anneau mixte E et B (p, d, 3He)
 OU Anneau purement magnétique: test sur
COSY + adjonction d’un filtre de Wien, limité
par la précession en G. Pour des études de
principe.
 Nota: nombre d’onde de spin pour une
machine magnétique: 𝜐𝑠 = 𝛾 ∙ 𝐺
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1/3 Frozen Spin sur le scénario de Brookhaven pour des protons
(exclusivement) G>0
Ki: quadrupôles
4 kV/cm2
Déflecteurs
électrostatiques
cylindriques
 Machine purement électrostatique et à
énergie « magique »
𝛾
 𝐺 − 𝛾2−1 = 0 → 𝐸 = 0.7 𝐺𝑒𝑉
 À la dispersion en 𝛾 du faisceau près
 Ajustement des trajectoires et des nombres
d’onde (chromaticité) requis
 Effets essentiellement sextupolaires

1 + 𝐺𝛾 𝐵⊥ + 1 + 𝐺 𝐵∥ = 0
 Jamais exact
 Source d’erreurs systématiques
 Erreurs cohérentes, à corriger par mesures
différentielles
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2/3 Frozen spin et champs mixtes
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3/3 Quasi-Frozen spin
 Terme orange nul en moyenne
 Terme électrique rouge cumulatif
 Même problème que frozen-spin pour les
trajectoires
 Sensibilité aux défauts d’alignement, aux
champs résiduels etc
 Problèmes d’erreurs systématiques
similaires à FS
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Le problème du temps de cohérence de spin (SCT)
 Les intégrales de champ diffèrent selon la
trajectoire
 L’histoire dépend du 𝛾 de chaque
particule
 Dispersion de la polarisation dans le
faisceau
 Phénomène incohérent: il faut optimiser
les trajectoires
 Durée de vie basique: 2 s
 Insertion d’une cavité radiofréquence à
phase nulle « mélange »: 100 secondes
 Ajustement des sextupôles de
chromaticité, de la longueur de
trajectoire (5-6 familles): 1000 secondes
Erreurs systématiques: mesures différentielles avec
deux faisceaux en rotation opposée
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•
Nombreuses sources, dont les champs externes
•
Mais aussi: défauts d’alignement:
•
crucial quel que soit le scénario.
•
Champ résiduel requis : ~fT (impossible)
•
Besoin de mesures différentielles
Défaut d’alignement tolérable des quadrupôles
Si un seul faisceau
Modulation de Qy
EDM de 10-29 e.cm → 𝟏. 𝟐𝟓 𝒇𝑻/ 𝑯𝒛, compatible avec la technologie SQUID actuelle.
Scénario BNL, électrostatique: deux faisceaux sur
le même axe. Limité au proton
Machine mixte: deux anneaux superposés (présence
de champ magnétique). Toutes particules
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Cahier des charges
Source: Frank Rathmann
Contribution LPSC: modérée, prospective
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 Scientifique
 Modélisation de déflecteurs électrostatiques (théorie et modélisation)
 Calculs par éléments finis et tracking pas suffisants (précision, temps de calcul)
 Simulation de très haute précision (effets infimes intégrés sur des milliards de tours)
 Besoin de codes basés sur des principes différents, à comparer
 Implémentation dans les codes de simulation (BMAD) (simulation)
 Exploitation sur scénarios de machine
 Ex: les champs de fuite ont-ils ou non un effet important sur la cohérence de spin?
 Personnels et budget
 JM De Conto~40% (PR)
 Stage de M2 A Gamelin (2015)
 Stage M2 J Michaud (2016)
 Thèse J Michaud sur bourse de l’école doctorale depuis octobre 2016
 Yolanda Gomez (~20-25%) (IR)
 Quelques missions à Jülich exclusivement, sur fonds propres
 Demande de financement à l’IN2P3 effectuée pour 2017
 Permet de solliciter l’avis du CS et de l’IN2P3
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Quelques résultats obtenus par le LPSC
 Modélisation de profils d ’électrodes
par transformation conforme
Profil développé au LPSC
𝑇: 𝑧 ↦ 𝑍1 = 1 + 𝑧 +
𝑒𝑧
1
↦ 𝑍2 = ∙ 1.376 + 𝑍1 + 𝑒 𝑍1
𝜋
Profil développé à Aachen
Bilan: deux études indépendantes, non-concertées, l’une
technologique, l’autre technologique. Excellent accord
Intégration des conditions aux limites
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 Modèle analytique
 Validé par éléments finis
𝐸 𝑧 = 𝑖 ∙ 𝜋 ∙ 𝑡ℎ
𝜋∙𝑧
2
 À comparer à un article de
JEDI/PRSTAB de 2014
𝐺(𝑧) = 0.2 +
𝜋 5 2𝑧
− ∙ 𝑒 5 ∙ 𝐻1 1 6 𝑒 2𝑧
, ,
2 2
555
⊕
𝑇: 𝑧 ↦ 𝑍1 = 1 + 𝑧 + 𝑒 𝑧 ↦ 𝑍2 =
1
∙ 1.376 + 𝑍1 + 𝑒 𝑍1
𝜋
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Autres points (non détaillés)
 Calcul de champs 3D par éléments finis, zone de bon champ,
dimensionnement, champ pic
 Calcul de la trajectoire de la particule de référence dans les champs de
fuite – Formulation hamiltonnienne
 Prédéfinition d’outils (méthodes perturbatives d’ordre arbitraire)
 Fonctions de transfert des particules (hamiltonien)
 Fonctions de transfert de spin (méthodes non-commutatives)
Deux résultats majeurs de la collaboration
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
[1] How to reach a thousand second in-plane polarization lifetime with 0.97 GeV/c deuterons in
a storage ring. Physics Review Letters juillet 2016 (PRL 117, 054801 -2016-).

[2] New Method for a Continuous Determination of the Spin Tune in Storage Rings and
Implications for Precision Experiments : Physics Review Letters août 2015 (PRL 115, 094801 -2015-).
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En conclusion
 Une expérience qui imbrique la physique et la machine
 Complémentaire aux études nEDM du LPSC
 S’inscrit dans les prospectives de physique hors collisionneurs
 Se positionne sur une thématique extrêmement riche
 De la recherche en physique des accélérateurs
 Dans la logique des thèmes de l’équipe (dynamique de faisceau et de spin)
 A la pointe des méthodes de calcul les plus sophistiquées (algèbres de Lie, méthodes
d’intégration sur des milliards de tours, calcul numérique…)
 Développement des compétences pour les projets futurs (quels qu’ils soient)
 Préserve les métiers indispensables: Cf CS IN2P3 de juin
 Des enjeux ambitieux (JEDI) mais pas déraisonnables
 Une collaboration qui s’appuie sur des résultats expérimentaux remarquables
 Des premiers résultats significatifs
 Besoin de mettre les résultats en œuvre rapidement. En complément du travail
de thèse, un post-doc serait bienvenu (physique accélérateurs ou calcul)
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