The SiPM Tracking Hodoscope for the JEDI Polarimeter

Sulla base delle nostre attuali conoscenze, non è chiaro perché nel nostro Universo ci sia più materia che antimateria. L’asimmetria tra materia e antimateria può sorgere solo se viene soddisfatto un insieme di parametri, noti come condizioni di Sakharov. La violazione della simmetria CP è uno di questi criteri. La violazione di CP (CP-V) è inclusa nel Modello Standard della fisica delle particelle attraverso il meccanismo CKM, ma è tutt’altro che sufficiente per spiegare la asimmetria materia antimateria dell’Universo, sono quindi necessarie ulteriori fonti per comprenderla completamente. Il Momento di Dipolo Elettrico (EDM) delle particelle fondamentali è una sonda estremamente sensibile di CP-V. La sua scoperta potrebbe consentire l’estensione del Modello Standard e avvicinarci alla comprensione di questa asimmetria. Nonostante le molteplici ricerche per l’EDM di diverse particelle elementari, finora sono stati determinati solo i limiti superiori dell’EDM. La collaborazione JEDI sta conducendo una di queste ricerche, con l’obiettivo di misurare direttamente l’EDM di protoni e deuteroni in un anello di accumulazione. Mentre gli atomi ultra-freddi elettricamente neutri e i neutroni possono essere opportunamente immagazzinati in trappole, la misura di un EDM di particelle cariche può essere affrontata solo con anelli di accumulazione. Le ricerche di EDM di particelle fondamentali cariche sono state finora impossibili, a causa dell’assenza della nuova classe di anelli di accumulazione richiesta, gli anelli elettrostatici. In questa fase di sviluppo la collaborazione JEDI lavora presso l’anello di COSY, per affrontare le questioni tecniche e gli studi di fattibilità in una struttura già esistente, prima di avventurarsi nella costruzione di un anello di accumulazione elettrostatico dedicato. COSY è un anello magnetico in cui il fascio viene iniettato con polarizzazione verticale, uno spin-flipper ruota questa sul piano orizzontale. L’esistenza di un EDM, unita alla presenza di un campo elettrico, produrrebbe un momento torcente sulle particelle, e quindi una precessione dello spin. Ne consegue che la misura dell’EDM è strettamente correlata allo sviluppo temporale della polarizzazione verticale, misurata da un polarimetro che analizza lo scattering elastico di particelle cariche su un bersaglio di carbonio. L’attuale polarimetro di JEDI è un calorimetro modulare composto da cristalli scintillanti di LYSO accoppiati con dei SiPM. I moduli LYSO hanno una precisione molto elevata quando si tratta di calorimetria, ma a causa delle limitazioni sulle dimensioni l’accuratezza della ricostruzione della traiettoria delle particelle è compromessa. Questa tesi si concentra su un possibile upgrade del polarimetro esistente, che consiste in un tracciatore costituito da barre di scintillatori plastici a forma triangolare (SiTH). Grazie alla geometria unica, alla disposizione e alla lettura individuale dei moduli, questo tracciatore sarà in grado di determinare con precisione il punto di incidenza di una particella sui moduli del polarimetro, aumentando così le sue prestazioni nella misurazione della polarizzazione del fascio. Nel 2018 è stato condotto un Test Beam su un prototipo per trovare la risoluzione spaziale dei moduli SiTH. All’interno di questo lavoro di tesi è stata eseguita un’analisi sui dati del Test Beam del 2018, così come le simulazioni in Geant4 del rivelatore SiTH. Prima di tutto la simulazione mirava a trovare lo stesso risultato in una configurazione equivalente a quella del Test Beam del 2018, per sfruttare i parametri trovati nella simulazione dell’intero rivelatore. L’installazione di questo rivelatore potrebbe aumentare la risoluzione spaziale di più di un ordine di grandezza. Questo miglioramento potrebbe essere cruciale per la precisione della misurazione della polarizzazione e quindi essere di aiuto nello nell’impegno per la misurazione EDM.

Based on our current knowledge, it is unclear why there is more matter in our Universe than antimatter. The asymmetry of matter and antimatter can only arise if a set of parameters, known as the Sakharov conditions, are met. The violation of the CP symmetry is one of these criteria. CP violation is included into the Standard Model of particle physics by CKM mechanism, but it is far from sufficient to explain the matter antimatter asymmetry of the Universe, so additional sources are required to fully comprehend it. An Electric Dipole Moment (EDM) of fundamental particles is a very sensitive probe of further CP violation. Its discovery could enable the extension of the Standard Model and bring us closer to understanding this asymmetry. Despite the multiple searches for the EDM of different elementary particles, only the upper limits of EDM have been determined so far. The Jülich Electric Dipole Moment Investigations (JEDI) collaboration is conducting one of these researches, with the goal of directly measuring the EDM of protons and deuterons in the accumulation ring. While ultra-cold electrically neutral atoms and neutrons can conveniently be stored in traps, the measurement EDM of charged particles can only be approached with storage rings. EDM searches of charged fundamental particles have been impossible so far, due to the absence of the required new class of electrostatic storage rings. At this stage the JEDI collaboration works at the COoler SYnchrotron storage ring (COSY), to address the technical issues and feasibility studies at an existing facility, before venturing to the construction of dedicated electrostatic storage rings. COSY is a magnetic ring in which the beam is injected with vertical polarisation, then a spin-flipper changes it into horizontal plane. The existence of an EDM, combined with the presence of an electric field, would produce a torque on the particles, and thus a spin precession. It comes that the measure of EDM is strictly related to the time development of vertical polarisation, that is measured whit a polarimeter that looks for elastic scattering of charged particles on a carbon target. The existing JEDI POlarimeter (JEPO) is a modular calorimeter made of LYSO scintillating crystals coupled with SiPMs. The LYSO modules have a very high precision when it comes to calorimetry, but due to limitation on its size the accuracy of particle trajectory reconstruction is compromised. This thesis focuses on a possible upgrade for the existing JEDI POlarimeter (JEPO), that consists of a tracking hodoscope made of triangular plastic scintillator bars (SiPM Tracking Hodoscope - SiTH). Due to the unique geometry of the arrangement and the individual readout of the tracker bars this hodoscope will be capable of precisely determining the point of incidence of a particle on the polarimeter modules, thus increasing its performance in measurement of beam polarisation. In 2018 a Test Beam was conducted on a prototype to find the least- count of the SiTH modules. Within this work of thesis an analysis on the data from the 2018 Test Beam was performed. as well as Geant4 simulations of the SiTH detector. First of all, the simulation aimed to match the 2018 Test Beam configuration to get the same result, then subsequently exploit those parameters in the simulation of the whole detector. Since the pixelation of LYSO provides a resolution of 3 cm (crystal dimension) and the SiTH linear resolution is about 0.9 mm, the installation of this detector could increase the spatial resolution by more than one order of magnitude. This improvement could be crucial to the precision of the measurement of the polarisation build-up, and thus aiding us in the efforts for EDM measurement.