[論文レビュー] Systematic errors related to quadrupole misplacement in an all-electric storage ring for proton EDM experiment

Selçuk Hacıömeroğlu, Yannis K. Semertzidis|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2017

Non-Destructive Testing Techniques参考文献 2被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、全電界ストレージリングにおける四極子の垂直方向のずれが、垂直電界との結合によるスピン進化を通じて偽のEDM信号を引き起こす、プロトンEDM実験における系統的誤差を調査している。シミュレーションにより、10 μmのずれですでに約5 nrad/sの偽信号が生じることが示され、RF周波数の調整、補正四極子、四極子強度の低減によってこれを緩和する手法が提案されている。20 kHzの変調を用いたビームベースのアライメントにより、1 μm未塔の精度でアライメントが可能となる。

ABSTRACT

Misplacement of electrostatic elements can pose false EDM signal in a storage ring EDM experiment because of coupling between vertical electric field and magnetic dipole moment. A vertically misplaced quadrupole introduces electric field proportional to its misplacement, changing periodically in the particle's rest frame during the storage. This leads to accumulation of vertical spin component at every revolution. We investigated this effect by simulating a proton in an all-electric ring with several quadrupole scenarios. It turns out that the misplacement of quadrupoles is a critical item to keep under control, for which we propose several methods. These include tuning the frequency of the RF cavity, making use of additional correction quadrupoles and using quadrupoles with weaker focusing strength.

研究の動機と目的

• 全電界ストレージリングにおけるプロトンEDM実験の系統的誤差を、四極子のずれによって特定し、その大きさを定量化すること。
• ずれた四極子が引き起こす垂直電界とスピンの結合を通じて、どのように偽のEDM信号がスピン進化によって再現されるかを調査すること。
• RFキャビティ周波数の調整、補正四極子、焦点強度の低減といった緩和戦略を評価すること。
• 20 kHzの変調を用いた四極子強度の変動とBPM測定を組み合わせたビームベースのアライメント技術を検討し、1 μm未塔の精度を達成すること。

提案手法

• 四極子がずれている状況下でのプロトンの運動を、4次精度のルンゲ＝クッタ積分法を用いて全電界FODO格子でシミュレートし、スピンの進化を追跡した。
• EDM補正を加えたT-BMT方程式を適用し、垂直電界とスピンの結合に注目してスピン進化をモデル化した。
• 四極子をリングの周囲に交互にずらして配置することで、垂直方向と水平方向の垂直方向に交互にスピン進化を誘発し、幾何的位相効果を評価した。
• 1 μm未塔の分解能を持つビーム位置モニタ（BPM）データを用い、20 kHzの四極子強度変調によって生じる変調サイドバンドを検出した。
• 残存するスピン進化を最小化するように、補正四極子の配置と強度を最適化した。
• ビーム位置データに対してFFT解析を実施し、ずれの大きさに比例する変調振幅を抽出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 全電界ストレージリングにおける四極子が10 μm垂直にずれた場合、どの程度の偽EDM信号が発生するか？
• RQ2 四極子が交互に垂直方向と水平方向にずれている場合、幾何的位相効果が平均ずれがゼロであっても、どのようにして残留する垂直スピン成分を蓄積するか？
• RQ3 ずれた四極子の強度を20 kHzで変調することで、アライメント目的として検出可能な信号がビーム位置データに現れるか？
• RQ4 RFキャビティ周波数の調整と補正四極子を用いることで、四極子ずれに起因する偽EDM信号はどの程度抑制できるか？
• RQ5 プロトンEDMの目標感度10−29 e·cmを満たすために、四極子のずれ制御はどの程度の精度が求められるか？

主な発見

• 四極子が10 μm垂直にずれると、約5 nrad/sの偽EDM信号が発生し、これは10−29 e·cmのEDMに対する目標信号と同等の大きさである。
• 50 μmのずれでは、偽信号が約110 nrad/sに達し、ずれの大きさの二乗に比例する関係が明確に示された。
• 幾何的位相効果により、平均ずれがゼロであっても、垂直方向と水平方向を交互に進化させる過程で、非ゼロの残留垂直スピン成分が生じる。
• 焦点強度を弱めることで、偽信号を無視できる程度にまで低減でき、高精度実験では必須の設計的選択であることが示された。
• ずれた四極子の強度を20 kHzで変調することで、ビーム位置データに検出可能なフーリエピークが現れ、0.2 μmのBPM分解能で5 μm未塔のアライメント精度が達成可能である。
• 最適な配置で補正四極子を設置することで、偽信号は10−11 rad/s未塔にまで低減され、系統的誤差が効果的に抑制された。