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 Conseil Scientifique du LPSC 6 Mai 2010, Grenoble

Objectifs Scientifiques PEPPo est une expérience de principe dont les objectifs sont de démontrer et de quantifier le transfert de la polarisation longitudinale d’un faisceau primaire d’électrons 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 d’un nouveau type de sources polarisées de positrons (Super B, JLab, ENC, positrons thermiques…). Objectifs Techniques L’assemblage, l’actualisation et la mise au point d’un polarimètre à transmission seraient les responsabilités techniques majeures du LPSC. Grenoble, 6 Mai 2010 2/19

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

Production à Grande Energie Production de Positrons Polarisés Production à Grande Energie La production de positrons polarisés s’effectue en deux étapes successives : production de photons circulaires suivie du transfert de polarisation par création de paires. Diffusion Compton Onduleur T. Omori et al, PRL 96 (2006) 114801 G. Alexander et al, PRL 100 (2008) 210801 P(e+) = 73 ± 15 ± 19 % Grenoble, 6 Mai 2010 4/19

Bremsstrahlung Polarisé Production de Positrons Polarisés Bremsstrahlung Polarisé 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 g circulairement polarisés. Dans la même/différente cible, les g circulaires créent des e+ longitudinalement polarisés. Bulk GaAs Strained GaAs Superlattice GaAs Pe- 35% 35% 75% 75% 85% 85% 85% 1995 1998 1999 2000 2004 2007 2010 Ie- 30 mA 100 mA 50 mA 100 mA 150 mA 1 mA 180 mA Durée de vie suffisamment grande pour plusieurs semaines d’opération Evolution de la source d’électrons polarisés de CEBAF Grenoble, 6 Mai 2010 5/19

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

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

Preuve de Principe Méthode Expérimentale PEPPo sera réalisée avec des électrons de basse énergie (5-9 MeV/c) et de grande polarisation (≥85%) disponibles à la sortie de l’injecteur, au premier niveau de l’accélérateur CEBAF. Une nouvelle ligne de faisceau guidera les électrons primaires vers une première cible où des photons circulairement polarisés seront créés par rayonnement bremsstrahlung. L’interaction 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 l’aide d’un polarimètre à transmission dont le fonctionnement repose sur l’asymétrie (<1%) de l’absorption des photons polarisés, produits par reconversion des positrons, dans une cible polarisée. Les systèmes de collection, de sélection et d’analyse de l’expérience E166 du SLAC seront utilisés. PEPPo @ JLab : calibration en électron, asymétries de spin du faisceau ou de la cible. Grenoble, 6 Mai 2010 8/19

Organisation Grenoble, 6 Mai 2010 9/19

Segmentation de CEBAF JLab Pôles d’ Activités La réalisation durant la période d’arrêt 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 10/19

Lignes de Faisceaux JLab, LPSC, LAL Pôles d’ Activités e- e+ 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- → g→ e+ e- → e+ La ligne e+ est constituée d’une lentille solénoïdale, de deux dipôles et d’un collimateur. Ce système a été utilisé avec succès par l’expérience E166 du SLAC. Ces éléments sont disponibles pour les besoins de PEPPo. La conception du système de capture est revisitée pour son optimisation. JLab, LPSC, LAL 11/19

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

E166 @ SLAC Grenoble, 6 Mai 2010 13/19

Absorption Compton Polarisée Polarimétre à Transmission Compton Absorption Compton Polarisée 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. T = 7.5 MeV P = 85% tw = 1 mm I = 1 pA Dt = 100 s DPe = ±0.03 Le pouvoir d’analyse Ae est obtenu par calibration avec un faisceau d’électrons et par simulations. Un sytème d’acquisition à fort taux de comptage est envisagé (250 MHz flash ADC). Grenoble, 6 Mai 2010 14/19

(similaire à GØ ou n-DVCS) Polarimétre à Transmission Compton 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 M. Marton (LPSC) Grenoble, 6 Mai 2010 15/19

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

Budget Prévisionnel Budget Eric Voutier Budget Prévisionnel JLab fournit l’infrastructure et les ressources humaines nécessaires au développement, au montage et à l’installation des nouvelles lignes (coût en cours d’estimation), ainsi que l’éléctronique 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 l’intérêt scientifique apporté à ce projet. Equipement Missions Salaires 17/19

Echéancier Eric Voutier 18/19

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