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Conseil Scientifique du LPSC 6 Mai 2010, Grenoble Polarized Electrons for Polarized Positrons PEPPo, une expérience de principe Maud Baylac, Jonathan Dumas,

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1 Conseil Scientifique du LPSC 6 Mai 2010, Grenoble Polarized Electrons for Polarized Positrons PEPPo, une expérience de principe Maud Baylac, Jonathan Dumas, Jean-Sébastien Réal, Eric Voutier Accélérateur Administration Electronique SDI SERM 1,7 ETP + 3,5 ETP

2 Objectifs 2/19 Grenoble, 6 Mai 2010 Objectifs Scientifiques Objectifs Techniques PEPPo est une expérience de principe dont les objectifs sont de démontrer et de quantifier le transfert de la polarisation longitudinale dun faisceau primaire délectrons à un faisceau secondaire de positrons. Cette expérience est la concrétisation des travaux de Thèse de Jonathan Dumas qui devraient voir la validation de ce concept pour le développement dun nouveau type de sources polarisées de positrons ( Super B, JLab, ENC, positrons thermiques …). Lassemblage, lactualisation et la mise au point dun polarimètre à transmission seraient les responsabilités techniques majeures du LPSC.

3 Applications 3/19 Grenoble, 6 Mai 2010 Mesure des corrélations angulaires entre les photons produits par lannihilation de positrons de faibles énergies avec les électrons atomiques. Caractérisation des surfaces de Fermi et des défauts de type lacunaire dans les solides. Challenges instrumental et technologique (collection et modération des e + ) pour des sources d intensité s au moins 100 fois plus grandes.

4 Grenoble, 6 Mai 2010 Production de Positrons Polarisés Production à Grande Energie Diffusion Compton Onduleur La production de positrons polarisés seffectue en deux étapes successives : production de photons circulaires suivie du transfert de polarisation par création de paires. T. Omori et al, PRL 96 (2006) G. Alexander et al, PRL 100 (2008) P(e + ) = 73 ± 15 ± 19 % 4/19

5 Bremsstrahlung Polarisé A A A A A A 35% 75% 85% 2007 mA 85% P e- I e- Bulk GaAs Strained GaAs Superlattice GaAs Durée de vie suffisamment grande pour plusieurs semaines dopération E.G. Bessonov, A.A. Mikhailichenko, EPAC (1996) A.P. Potylitsin, NIM A398 (1997) 395 Dans une cible de Z élevé, des e - longitudinalement polarisés rayonnent des circulairement polarisés. Dans la même/différente cible, les circulaires créent des e + longitudinalement polarisés. Evolution de la source délectrons polarisés de CEBAF 5/19 Production de Positrons Polarisés Grenoble, 6 Mai 2010

6 Eric Voutier 6/19 Simulations GEANT4 Figure de Mérite La Figure de Mérite, grandeur qui caractérise les performances dun faisceau polarisé par rapport à la précision dune mesure, combine le flux incident de particles et leur polarisation. Energie optimum FoM optimum Grenoble, 6 Mai 2010

7 Simulations GEANT4 Lordre de grandeur typique du rendement potentiel dune source polarisée bremsstrahlung est de en intensité et 0.7 en polarisation. La nature et lépaisseur de la cible ainsi que le système de capture des e + paramètrent ces performances. Pour les conditions expérimentales de PEPPo (P e = 5-9 MeV/c, I e = 1-10 µA, P 85%), des intensités e + du pA et des polarisations de 60% sont attendues. 7/19 Grenoble, 6 Mai 2010

8 8/19 Méthode Expérimentale Preuve de Principe PEPPo sera réalisée avec des électrons de basse énergie (5-9 MeV/c) et de grande polarisation (85%) disponibles à la sortie de linjecteur, au premier niveau de laccélérateur CEBAF. Une nouvelle ligne de faisceau guidera les électrons primaires vers une première cible où des photons circulairement polarisés seront créés par rayonnement bremsstrahlung. Linteraction des photons dans une deuxième cible de production produit des positrons polarisés qui sont ensuite capturés et sélectionnés en énergie dans un canal magnétique. La polarisation des positrons est déterminée à laide dun polarimètre à transmission dont le fonctionnement repose sur lasymétrie (<1%) de labsorption des photons polarisés, produits par reconversion des positrons, dans une cible polarisée. JLab : calibration en électron, asymétries de spin du faisceau ou de la cible. Grenoble, 6 Mai 2010 Les systèmes de collection, de sélection et danalyse de lexpérience E166 du SLAC seront utilisés.

9 9/19 Organisation Grenoble, 6 Mai 2010

10 10/19 Pôles d Activités Segmentation de CEBAF La réalisation durant la période darrêt de CEBAF pendant 6 mois en 2011 a été proposée pour la réalisation de PEPPo. Des scénarios avec segmentation permanente, temporaire et sans segmentation sont étudiés. JLab

11 11/19 Pôles d Activités Lignes de Faisceaux Une nouvelle ligne e - comportera des éléments standarts de diagnostics (BPM, HARP, viewer…) pour une caractérisation précise du faisceau incident sur les cibles de conversion. La ligne est conçue pour permettre la production de e + par un système à 1 ou 2 cibles. e - e + JLab, LPSC, LAL e-e- e+e+ La ligne e + est constituée dune lentille solénoïdale, de deux dipôles et dun collimateur. Ce système a été utilisé avec succès par lexpérience E166 du SLAC. Ces éléments sont disponibles pour les besoins de PEPPo. La conception du système de capture est revisitée pour son optimisation.

12 12/19 Pôles d Activités Polarimètre à Transmission LPSC, JLab, DESY, LPC/ODU Le polarimètre à transmission est essentiellement composé dune cible de reconversion, dun aimant danalyse polarisant une cible de Fe et dun calorimètre électromagnétique constitué de neuf cristaux CsI(Tl). Ce système a été utilisé avec succès par lexpérience E166 du SLAC. Ces éléments sont disponibles pour les besoins de PEPPo. La lecture des signaux de scintillation et le système dacquisition sont spécifiques à PEPPo.

13 13/19 SLAC Grenoble, 6 Mai 2010

14 14/19 Les e ± polarisés créent des photons circulaires dans une cible de reconversion. La polarisation des photons est analysée par absorption Compton dans une cible magnétisée. Le pouvoir danalyse A e est obtenu par calibration avec un faisceau délectrons et par simulations. Un sytème dacquisition à fort taux de comptage est envisagé (250 MHz flash ADC). T = 7.5 MeV P = 85% t w = 1 mm I = 1 pA t = 100 s P e = ±0.03 Polarimétre à Transmission Compton Grenoble, 6 Mai 2010 Absorption Compton Polarisée

15 15/19 Polarimétre à Transmission Compton M. Marton (LPSC) Grenoble, 6 Mai 2010 Les conditions et les objectifs de fonctionnement des cristaux CsI à JLab demandent une lecture du calorimètre par des photomultiplicateurs à base active pour en assurer la longévité. (similaire à GØ ou n-DVCS) Première ébauche mécanique

16 16/19 Polarimétre à Transmission Compton Grenoble, 6 Mai 2010 FADC250 (JLab) La carte FADC250 développée par JLab pour les expériences GLUEX et CLAS12 constitue le coeur du sytème dacquisition. Trois modes simultanés dacquisition des données, de différentes erreurs systématiques, permettent de réaliser la mesure de lasymétrie expérimentale : Mode intégré (intégration du signal pendant la durée relative à un même état dhélicité du faisceau); Mode semi-intégré (intégration dun signal discrétisé en énergie); Mode événement (acquisition dun échantillon dévénements).

17 Eric Voutier 17/19 Budget JLab fournit linfrastructure et les ressources humaines nécessaires au développement, au montage et à linstallation des nouvelles lignes (coût en cours destimation), ainsi que léléctronique des cristaux CsI. Les contributions de la communauté ILC ( J. Clarke, M. Harrison ) et du LPC sont acquises. Le financement IN2P3 est en cours de discussion, après la confirmation de lintérêt scientifique apporté à ce projet. Budget Prévisionnel EquipementMissions Salaires

18 Eric Voutier 18/19 Echéancier

19 Conclusions Résumé 19/19 PEPPo propose de prouver expérimentalement la réalité du transfert de polarisation dun électron à un positron. PEPPo est un projet de courte durée, denvergure financière raisonnable et de très fort impact potentiel sur le développement de nouvelles sources polarisées de positrons. PEPPo est laboutissement dun travail et didées développées par notre équipe (LPSC/JLab) dans le cadre de la Thèse de Jonathan Dumas.


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