Universität zu Köln

Preparations for the Spin-Filtering Experiments at COSY/Jülich

Weidemann, Christian (2011) Preparations for the Spin-Filtering Experiments at COSY/Jülich. PhD thesis, Universität zu Köln.

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    Abstract

    Polarized antiprotons allow unique access to a number of fundamental physics observables. One example is the transversity distribution which is the last missing piece to complete the knowledge of the nucleon partonic structure at leading twist in the QCD-based parton model. The transversity is directly measurable via Drell-Yan production in double polarized antiproton-proton collisions. This and a multitude of other findings, which are accessible via ppbar scattering experiments, led the Polarized Antiproton eXperiments (PAX) collaboration to propose such investigations at the High Energy Storage Ring (HESR) of the Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR). Already the production of intense polarized antiproton beams is still an unsolved problem. The PAX anticipated time plan to experiments at HESR mainly consists of three phases. PAX@COSY, as first step, is aiming for an optimization of the polarization build-up in proton beams at the Cooler Synchrotron COSY Jülich. The spin-filtering method, where the originally unpolarized beam becomes polarized due to the spin-dependent part of the hadronic interaction with a Polarized Internal Target (PIT), will be applied. The feasibility of this method was shown to work for protons by the Filter Experiment (FILTEX) at the Test Storage Ring (TSR) in Heidelberg. PAX@CERN will determine the spin-dependent cross sections in ppbar scattering at beam energies of 50 - 450 MeV using the antiproton beam of the Antiproton Decelerator (AD) at CERN. PAX@FAIR constitutes the third phase where the antiproton beam will be polarized in a dedicated Antiproton Polarizer Ring (APR) at the HESR, converted into a double-polarized proton-antiproton collider, in order to study the transverse spin structure of nucleons. The present thesis discusses the preparations for the spin-filtering experiments at COSY. This includes the successful installation and commissioning of the experimental equipment such as a low-β section, a dedicated pumping system, an Atomic Beam Source (ABS), a Breit- Rabi Polarimeter (BRP), and a target chamber with an openable storage cell. In addition, the accomplished investigations of the beam lifetime dependencies, resulting in significantly improved beam lifetimes, and relevant machine parameters, e.g., the machine acceptance, are described. The results are utilized to calculate the expected polarization build-up in a cooled and stored proton beam with a kinetic energy of 49.3MeV using a target with an areal density of 5*10¹³ atoms/cm². Simulations of the determination of the beam polarization using elastic proton-deuteron scattering and a polarimeter, that consists of silicon micro-strip detectors, allows one to estimate the achievable precision of the measurement of the spin-dependent total hadronic cross section. The presented results constitute the basis of a beam time request for transverse spin-filtering to the COSY Program Advisory Committee (PAC), which was approved in spring 2011.

    Item Type: Thesis (PhD thesis)
    Translated abstract:
    AbstractLanguage
    Gespeicherte polarisierte Antiprotonen ermöglichen eine Vielzahl von bedeutenden Experimenten im Bereich der Teilchenphysik. Hierzu gehört die direkte Messung der sogenannten Transversity, welche als letztes fehlendes Stück zur Beschreibung der partonischen Struktur des Nukleons im Rahmen der Quantenchromodynamik (QCD) angesehen wird. Mit Hilfe der Drell-Yan Produktion in doppeltpolarisierten Proton-Antiproton Streuexperimenten ist eine Untersuchung der transversalen Spinstruktur der Nukleonen möglich. Aufgrund dieser und einer Fülle weiterer möglicher wesentlicher Erkenntnisse wurden Untersuchungen doppeltpolarisierter Antiproton-Proton Kollissionen am High Energy Storage Ring (HESR) der Facility for Antiproton and Ion Research (FAIR) von der Polarized Antiproton eXperiments Kollaboration (PAX) vorgeschlagen. Hierbei ist bereits die Erzeugung intensiver polarisierter Protonenstrahlen eine anspruchsvolle und bisher ungelöste Aufgabe. Der PAX Zeitplan hin zu Experimenten am HESR besteht im Wesentlichen aus drei Phasen. Im ersten Schritt wird PAX@COSY den Polarisationsaufbau mit Protonen am Cooler Synchrotron COSY in Jülich optimieren. Anwendung findet hierbei die Spinfilter Methode bei der ein anfangs unpolarisierte Strahl aufgrund der spinabhängigen hadronischen Wechselwirkung mit einem polarisierten Target polarisiert wird. Ein erfolgreicher Test dieser Methode wurde für Protonen bereits im Rahmen des Filter Experiments (FILTEX) am Test Storage Ring (TSR) in Heidelberg durchgeführt. PAX@CERN soll im zweiten Schritt mit dem Antiprotonenstrahl des Antiproton Decelerators (AD) am CERN zeigen, wie groß die spinabhängigen Wirkungsquerschnitte in der Proton-Antiproton Streuung sind. PAX@FAIR bildet die dritte Phase, in der die Antiprotonen in einem dedizierten Speicherring, dem Antiproton Polarizer Ring (APR), polarisiert werden. Mit Hilfe des polarisierten Antiprotonenstrahles soll in Streuexperimenten in einem doppeltpolarisierten Proton-Antiproton Collider die Vermessung der transversalen Spinstruktur des Protons erreicht werden. Die vorliegende Arbeit erläutert die Vorbereitungen für das geplante Spinfilter Experiment an COSY. Im Rahmen dieser Vorbereitungsphase wurde unter anderem das notwendige experimentelle Equipment, bestehend aus einer sogenannten low-β Sektion, einem leistungsfähigen Vakuumsystem, einer Atomstrahlquelle, einem Breit-Rabi Polarimeter und einer Targetkammer mit auffahrbarer Speicherzelle, installiert und erfolgreich in Betrieb genommen. Des Weiteren wurden Messungen zur Abhängigkeit der Strahllebensdauer mit dem Resultat einer signifikanten Lebensdauererhöhung und detaillierte Studien zu relevanten Maschinenparametern, wie z.B. Akzeptanzwinkel, durchgeführt. Die Ergebnisse dieser Studien dienen als Grundlage zur Berechnung des erwarteten Polarisationsaufbaus in einem gespeicherten, gekühlten Protonenstrahl bei einer kinetischen Energie von 49,3MeV und einer Targetdichte von 5*10¹³ Atome/cm². Die weiterhin durchgeführten Simulationsrechnungen zur Messung dieser Polarisation mit Hilfe von elastischer Proton- Deuteron Streuung und eines Polarimeters, bestehend aus Siliziumstreifendetektoren, geben Aufschluss über die benötigte Messzeit und die erreichbare Genauigkeit der Messung des spinabhängigen totalenWirkungsquerschnittes mit transversaler Strahlpolarisation. Auf der Basis der präsentierten Ergebnisse wurde ein Experimentantrag der PAX Kollaboration an das COSY Program Advisory Committee (PAC) eingereicht und vom PAC bewilligt.German
    Creators:
    CreatorsEmail
    Weidemann, Christianc.weidemann@fz-juelich.de
    Corporate Creators: Universität zu Köln
    URN: urn:nbn:de:hbz:38-45136
    Subjects: Physics
    Technology (Applied sciences)
    Uncontrolled Keywords:
    KeywordsLanguage
    polarization, antiprotons, Juelich COSY, storage rings, spin filteringEnglish
    Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
    Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > Institut für Kernphysik
    Language: English
    Date: 2011
    Date Type: Publication
    Date of oral exam: 21 October 2011
    Full Text Status: Public
    Date Deposited: 25 Jan 2012 17:15:21
    Referee
    NameAcademic Title
    Ströher, HansProf. Dr.
    Jolie, JanProf. Dr.
    URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/4513

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