Поляриметрия протонных пучков С.Б. Нурушев Институт физики высоких энергий Протвино, Россия СОДЕРЖАНИЕ Определения некоторых терминов Классификация поляриметров Физические основы поляриметрии О необходимой точности в измерении поляризации пучка Поляриметрия на AGS Поляриметрия на RHIC Другие подходы к поляриметрии Поляриметрия на Бустере Поляриметрия на У70 Заключение

Определения некоторых терминов Поляриметрия представляет раздел поляризационной технологии, посвящённый разработке методов измерения. поляризации различных пучков (электронных, мюонных, протонных, нейтронных, дейтонных и т.д.). Поляриметр есть прибор, созданный на базе процесса с известной анализирующей способностью и предназначенный для измерения поляризации конкретного пучка (мишени). Лево-правая или сырая асимметрия представляет непосредственно измеряемую в эксперименте разность выхода частиц для разной ориентации поляризации пучка (мишени), нормированную на их сумму (x F,p T,s) = (n-n)/ (n+n) =A N (x F,p T,s)P B. Анализирующая способность A N представляет лево-правую асимметрию конкретного процесса, приведённую к 100% поляризации пучка P B (мишени). xF, pT, s означают параметр Фейнмана, передачу импульса и квадрат полной энергии сталкивающихся частиц в их системе центра масс. Фактор разбавления (D) или отношение (R) сигнал/шум (R=S/N=D -1 ) – количественно определяет вклад фоновых процессов или несовершенство поляриметра. Фактор качества поляриметра, M=A 2 I, позволяет провести сопоставление поляриметров – чем больше M, тем лучше поляриметр

Требования к поляриметрам Максимально возможную анализирующую способность (в идеале 100%). Большое сечение выхода полезных частиц. Скорость набора статистики при поляриметрии должна быть намного выше, чем в основном эксперименте. Малый вклад фоновых процессов. Независимость от энергии анализирующей способности процесса. Способ вывода информации с поляриметра. Простота, эффективность и надежность аппаратуры, минимум систематических ошибок. Относительно невысокая стоимость.

Классификация поляриметров поляриметры абсолютный стопнонстоп относительный стопнонстоп локальный обзорный локальный Он-лайн Офф-лайн Он-лайн Офф-лайнОн-лайн Офф-лайн

Физические основы поляриметрии Рис, 1. Упругое рассеянив с фотонным (а) и с реджеонным обменами (б) протон пион фотон (а) (б) протон Рис,2. Неупругое рассеяние с фотонным (а) и реджеонным (б) обменами реджеон (а) (б) Примеры схемы упругого рассеяния : P+p p+p P+e p+e Примеры схемы неупругого рассеяния P+p p+(pπ 0 )- эффект Примаков.

О точности измерения поляризации пучка 1.Эксперименты по односпиновой асимметрии В случае измерения односпиновых эффектов в инклюзивных реакциях сырая асимметрия определяется как (x F,p T,s)=A N (x F,p T,s)P B.(1) Здесь A N (x F,p T,s) представляет анализирующую способность используемой реакции, P B - поляризация пучка; Если мы хотим определить поляризацию пучка с точностью ΔP B путём измерения сырой асимметрии ε и известной анализирующей способности поляриметра A N, то из (1) находим

P B Отсюда Условие, чтобы поляриметр был подходящим означает, что второй член справа должен быть гораздо меньше, чем первый. Это приводит к выводу, что статистика N A при измерении А N lдолжна быть гораздо больше, чем статистика N, т.е. N A >> N. К сожалению, известные к настоящему времени поляриметры давали точности хуже 10%. Только введённый недавно в эксплуатацию поляриметр на базе поляризованной струйной водородной мишени показал, что точность измерения поляризации пучка может быть доведена до 5% и лучше []. Как оценили физики из БНЛ такая точность желательна при измерении двухспиновой асимметрии. Рассмотрим этот вопрос подробнее.

О точности измерения поляризации пучка 2.Эксперименты по двухспиновой асимметрии. В этом случае сырая асимметрия определяется выражением Отсюда находим Следовательно, Если мы хотим измерить A LL с тдй же точностью, что и A N, т.е. 10 %, мы должны точнее измерять поляризацию пучка. Усли перейти к слйчаю RHIC, где P B =P T ? То поляризация пучка должна измеряться с точостью (10/ 2)% 7%/ Именнодля достижения такой точности была разработана, изготовлена и введена в эксплуатацию на RHIC поляризованная струйная мишень с высокой поверхностной плотностью (10 12 прот/см 2 ) и высокой степенью поляризации (P T =92%).

AGS CNI Polarimeter l Measuring the recoil carbons from l Carbon identification by kinematics cut (banana cut) 60cm Ultra thin Carbon ribbon Target (5 cm long, 3.5 g/cm 2,600 m) beam view Si strip detectors (TOF, E C ) originates from anomalous magnetic moment of p

AGS CNI Polarimeter BNL AGS 21.7GeV/c zero hadronic spin-flip With hadronic spin-flip (E950)

Measurement of the analyzing power of proton - carbon elastic scattering in the CNI region at RHIC A N для рр – рассеяния в общем случае записывается в виде Если пренебречь вторым членом, как это ожидается, то можно записать асимметрию в виде где α – постоянная тонкой структуры, ρ- отношение реальной к мнимой части бсспиновой амплитуды вперёд, σ Т полное сечение рр-взаимодействия, φ- фаза Бете. Фаза и константы равны:

Detector setup + DAQ Ultra thin Carbon ribbon Target (3.5 g/cm 2 ) Si strip detectors (TOF, E C ) 15cm 10mm 2mm pitch 12 strips p + implants ~150 nm depth 72 strips in total Thin dead layer for low energy carbon spectroscopy

Polarization measurements during RHIC fill 24GeV 100GeV In BLUE RING In YELLOW RING deg Physics deg Physics Physics asymmetry False asymmetry Online Results Up-Down (Radial) Cross (Forbidden) 15M events /points 24GeV 100GeV yellow blue

Recoil carbon PID Asymmetry calculation Particle ID (banana cut) Clear separation from backgrounds using TOF measurement non-relativistic kinematics Asymmetry calculation 3 Mass cut Time of Flight (ns) Energy (keV) Invariant Mass M C ~ GeV M ~ 1.5 GeV M ~ 1.5 GeV carbon alpha prompts

A N (t) comparison between 24GeV vs. 100GeV Raw asymmetry for 24GeV data is available (Not calibrated yet) Raw asymmetries at 24GeV are normalized by A N (t) theory fit function to E950 false asymmetries are known to be small in both data sets 24 GeV (normalized with E950 fit) 100 GeV Preliminary

Другие возможные поляриметры 1. p+e p+e. Идеальный теоретически: хорошо считается, абсолютный. Единственный поляриметр, позволяющий мерить и продольную компоненту поляризации пучка. К сожфлению, нет плоьных поляризованных чистых электронных мишеней. 2. p+p X+ π ±. Сложная аппаратура. 3. p+p π 0 +X. ЭК.Подходящий процесс и аппаратура для поляриметра 4. p+p h±+X. На STAR BBC-маденький эффект. 5. p+p n+X. Обнаружен на RHIC.

Возможная схема поляриметров на Бустере Реакции 1/ p+p p+p 2/ p+C p+C(X) На внешнем пучке. Простейшая аппаратура- сцинтилляционные телескопы.. Алтернатива- на внутреннем пучке те же реакции и или КЯИ поляриметр на струйной мишени. Заметная анализирующая способность

Возможная схема поляриметров на Бустере Анализирующие способности P+C p+C Начальная кинетическ ая энергия Т=630 МэВ -тёмные кружочки- порог Т=200 ГэВ -светлые- диффракци онное рассеяние.

Заключение На У70 должны быть обзорныв поляриметры двух типов: 1) абсолютный поляриметр для определения величины и знака поляризации пучка с высокой точностью и 2) менее точного, но скорострельного относительного поляриметра. На данном этапе наших знаний оба поляриметра должны базироваться на эффекте кулон- ядерной интерференции. Абсолютный поляриметр может быть построен с использованием поляризованной струйной водородной мишени.мишени. Отпосительный поляриметр-на базе углеродных или полиэтиленовых микроплёнок. Относительный поляриметр калибруется на абсолютном поляриметре при подходящих условиях На бустере – простые известные поляриметры на бае рр или рС рассеяний. Эти поляриметры могут быть прокалиброваны по абсолютному поляриметру У70 при его энергии инжекции. Для экспериментальных установок нужны локальные относительные поляриметры. Возможный пример- инклюзивные пионные или фотонные поляриметры в области фрагмертации поляризованного пучка.