Concept and realization of the A4 compton backscattering polarimeter at MAMI [Elektronische Ressource] / von Jeong Han Lee

Jeong Han Lee

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• Publié le: 01 janvier 2009
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• Langue: Deutsch
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Extrait

Concept and Realization of the A4
Compton Backscattering Polarimeter
at MAMI
Dissertation
zur Erlangung des Grades
Doktor der Naturwissenschaften”
”
am Fachbereich Physik
der Johannes Gutenberg-Universit¨at
in Mainz
von
Jeong Han Lee
geb. in Busan,
Republic of Korea
Mainz, den 15. Dezember 20082
Dekan des Fachbereichs Physik :
Erster Berichterstatter :
Zweiter Berichterstatter :
Datum der mu¨dlichen Pru¨fung :Zusammenfassung
Das Hauptinteresse der A4-Kollaboration am Mainzer Mikrotron MAMI
giltdemBeitragderStrangequarkszudenelektromagnetischenFormfaktoren
des Nukleons. Diese werden durch Messung von Einzelspin-Asymmetrien im
Wirkungsquerschnitt der elastischen Streuung polarisierter Elektronen an
unpolarisierten Nukleonen bestimmt. Hierzu ist es notwendig, die Polarisa-
tion des Elektronstrahls pr¨azise und nichtdestruktiv zu bestimmen. Deshalb
wurdedasA4-Compton-Ru¨ckstreu-Polarimeterentworfenundgebaut,welch-
es eine absolute Messung der Polarisation parallel zum Parit¨ats-experiment
erlaubt.
Die hier vorgelegte Arbeit dokumentiert den Entwurf einer speziellen
Strahl-fu¨hrung fu¨r das Compton-Ru¨ckstreu-Polarimeter, die als Schikane be-
zeichnet wird. Diese erlaubt es, einen Wechselwirkungsbereich zwischen La-
ser- und Elektronstrahl herzustellen. Die Eigenschaften dieser Strahlfu¨hrung
werden vorgestellt. Zus¨atzlich wurde ein Steuerungssystem implementiert,
¨welches in kurzer Zeit und einfach bedienbar einen Uberlapp zwischen Laser-
und Elektronstrahl herstellt und im Regelbetrieb verwendet werden kann.
Weiterhin wird in dieser Arbeit die Entwicklung eines Faserdetektors
vorgestellt, welcher die Compton-gestreuten Elektronen nachweist und den
statistischenFehlerinderMessungderElektronpolarisationreduziert.Dieser
Faserdetektor wurde von Grund auf neu entworfen und im Jahre 2008 in
Koinzidenz mit dem Photon-Detektor betrieben. Die Meßdaten weisen eine
Untergrund-Unterdru¨ckung von etwa 80% auf, w¨ahrend die Compton-Spekt-
ren nahezu unver¨andert bleiben. In der hier vorgelegten vorl¨aufigen Analyse
konntesoderstatistischeFehlerinderMessungderElektron-Polarisationum
40% gegenu¨ber dem Betrieb ohne Faser-Detektor gesenkt werden. Dies stellt
einen signifikanten Fortschritt auf dem Gebiet der Polarisationsmessungen
dar.Abstract
The main concern of the A4 parity violation experiment at the Mainzer
Microtron accelerator facility is to study the electric and magnetic contri-
butions of strange quarks to the charge and magnetism of the nucleons at
the low momentum transfer region. More precisely, the A4 collaboration in-
vestigates the strange quarks’ contribution to the electric and magnetic vec-
tor form factors of the nucleons. Thus, it is important that the A4 exper-
iment uses an adequate and precise non-destructive online monitoring tool
for the electron beam polarization when measuring single spin asymmetries
in elastic scattering of polarized electrons from unpolarized nucleons. As a
consequence, the A4 Compton backscattering polarimeter was designed and
installed such that we can take the absolute measurement of the electron
beam polarization without interruption to the parity violation experiment.
The present study shows the development of an electron beam line that
is called the chicane for the A4 Compton backscattering polarimeter. The
chicane is an electron beam transport line and provides an interaction region
where the electron beam and the laser beam overlap. After studying the
properties ofbeamline components carefully, we developed anelectron beam
control system that makes a beam overlap between the electron beam and
the laser beam. Using the system, we can easily achieve the beam overlap
in a short time. The electron control system, of which the performance is
outstanding, is being used in production beam times.
And the study presents the development of a scintillating fiber electron
detector that reduces the statistical error in the electron polarization mea-
surement. We totally redesigned the scintillating fiber detector. The data
that were taken during a 2008 beam time shows a huge background suppres-
sion, approximately 80 percent, while leaving the Compton spectra almost
unchanged when a coincidence between the fiber detector and the photon
detector is used. Thus, the statistical error of the polarization measurement
is reduced by about 40 percent in the preliminary result. They are the sig-
nificant progress in measuring a degree of polarization of the electron beam.Contents
1 Introduction 1
2 The Parity Violation Experiment 5
2.1 First-Generation Parity Violation Experiments . . . . . . . . . 5
2.2 Strangeness in the Proton . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.3 Parity Violation and Strangeness . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3.1 Theoretical Formalism . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3.2 Beam Polarization Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3.3 Experimental Programs . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.4 The A4 Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.4.1 The Realization of the A4 Experiment . . . . . . . . . 22
2.4.2 Results at Forward Scattering Angles . . . . . . . . . . 28
2.4.3 Measurements at Backward Scattering Angles . . . . . 30
3 Compton Backscattering Polarimeter 35
3.1 Compton Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.1.1 Kinematics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.1.2 Cross Section . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.1.3 Compton Asymmetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.2 Polarimeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.2.1 Measurement Time and the Luminosity . . . . . . . . . 46
3.2.2 Requirements for High Luminosity . . . . . . . . . . . 47
3.2.3 The A4 Compton Backscattering Polarimeter . . . . . 48
4 Compton Backscattering Polarimeter Chicane 55
4.1 Beam Optics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.1.1 Reference Particle and Beam Coordinate . . . . . . . . 56
4.1.2 Transfer Matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.1.3 Collective Description of a Beam . . . . . . . . . . . . 58
4.2 Chicane Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.2.1 Drift Space . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
i4.2.2 Dipole Magnet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.2.3 Quadrupole Magnet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.3 Study on the Chicane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.3.1 Dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.3.2 Periodic System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.3.3 The Chicane Simulation with TRANSPORT . . . . . . 71
4.4 Installation of the Compton Backscattering Polarimeter . . . . 75
5 Chicane Development 81
5.1 Wire Scanner Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.1.1 The Equation of Motion of the Wire Scanner . . . . . . 83
5.1.2 Determination of the Beam Position . . . . . . . . . . 89
5.1.3 Determination of the Beam Emittance . . . . . . . . . 93
5.2 Realistic Chicane Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
5.2.1 Non-Ideal Properties of the Chicane . . . . . . . . . . . 95
5.2.2 The Realistic Chicane Simulation . . . . . . . . . . . . 109
5.3 Spatial Beam Overlap at the Early Stage . . . . . . . . . . . . 110
5.4 End Result of the Chicane Development . . . . . . . . . . . . 111
5.4.1 Beam Alignment Program . . . . . . . . . . . . . . . . 112
5.4.2 Performance and Limitations . . . . . . . . . . . . . . 115
6 Scintillating Fiber Detector Development 121
6.1 Plastic Scintillating Fiber . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
6.1.1 Scintillation Light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
6.1.2 Kuraray SCSF-78M Fiber . . . . . . . . . . . . . . . . 124
6.2 Construction of the Fiber Detector . . . . . . . . . . . . . . . 125
6.2.1 Scintillating Fiber Array . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
6.2.2 Multianode Photomultiplier Tube . . . . . . . . . . . . 130
6.2.3 Fiber Array Mount . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
6.2.4 Hermetic Sealing with Epoxy . . . . . . . . . . . . . . 135
6.2.5 Mechanical Parts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
6.3 Formulas and Data Handling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
6.3.1 Cross Section Formula . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
CT6.3.2 Electron Polarization fromA . . . . . . . . . . . . . 142exp
6.3.3 Photon Spectra and Event Number . . . . . . . . . . . 143
6.4 Preliminary Result of the Fiber Detector Development . . . . 147
6.4.1 Detector Status and Background Reduction . . . . . . 147
6.4.2 Experimental Compton Asymmetry . . . . . . . . . . . 153
6.4.3 Electron Polarization Estimation . . . . . . . . . . . . 153
7 Summary and Outlook 157Appendices 173
A Synchrotron Radiation 173
A.1 Overview of Synchrotron Radiation . . . . . . . . . . . . . . . 173
A.1.1 Instantaneous synchrotron radiation power . . . . . . . 173
A.1.2 Angular distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
A.1.3 Spectral distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
A.2 Energy Loss in the Chicane . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
A.3 Radiation on the Photon Detector . . . . . . . . .