Optimization of Spin Coherence Time at a Prototype Storage Ring for Electric Dipole Moment Investigations

Il modello standard della fisica delle particelle finora non è stato in grado di spiegare la asimmetria materia-antimateria osservata nell'Universo. I Momenti di Dipolo Elettrico (EDM) delle particelle fondamentali sono sonde molto sensibili della fisica oltre il modello standard. La collaborazione JEDI sta conducendo una di queste ricerche, con l'obiettivo di misurare direttamente i Momenti di Dipolo Elettrico di particelle cariche utilizzando un fascio polarizzato in anelli di accumulazione. L'obiettivo potrà essere raggiunto eseguendo la misura in un anello di accumulazione puramente elettrostatico, che può "congelare" la precessione di spin dei protoni sul piano orizzontale. Come fase intermedia, si propone un "prototipo" di anello di accumulazione più piccolo, in grado di utilizzare una combinazione di campi elettrici e magnetici, che serva a dimostrare il principio di base e per comprendere meglio le sistematiche richieste. Un parametro fondamentale da ottimizzare per raggiungere la massima sensibilità possibile nella misura EDM è il Tempo di Coerenza dello Spin (SCT) del fascio polarizzato accumulato nell'anello, cioè l'intervallo di tempo entro il quale le particelle del fascio mantengono una polarizzazione netta maggiore di 1/e del valore iniziale. Per identificare le condizioni di lavoro che massimizzano l'SCT, sono state eseguite accurate simulazioni delle dinamiche dello spin nel reticolo del prototipo dell'anello. Questo studio presenta un'indagine sulla variazione dei parametri del fascio e dello spin che influenzano l'SCT, nonché una strategia di ottimizzazione per le impostazioni dei sestupoli per ottenere il Tempo di Coerenza dello Spin più elevato in qualsiasi condizione di lavoro dell'anello. Lo studio fornisce un set di dati di molte configurazioni con differenti Tempi di Coerenza dello Spin sufficientemente elevati da soddisfare i requisiti di sensibilità della misurazione EDM. Analizza inoltre i possibili fattori di progettazione che possono avere un impatto negativo sugli SCT e discute possibili riconfigurazioni o aggiornamenti per migliorare questi valori in futuro.

The standard model of particle physics has thus far fallen short of being able to explain the observed amount of matter-antimatter asymmetry in the Universe. Electric Dipole Moments (EDMs) of fundamental particles are very sensitive probes of physics beyond the Standard Model. The JEDI collaboration is dedicated to the measurement of the electric dipole moments of charged particles by using a polarized beam in storage rings. The goal can be accomplished by performing the measurement in a pure electrostatic storage ring, which can freeze the horizontal spin precession of protons. As an intermediate step, a smaller "prototype" storage ring, capable of using a combination of electric and magnetic fields, is proposed to serve as a proof-of-principle and to better understand the required systematics. A fundamental parameter to be optimised to reach the highest possible sensitivity in the EDM measurement is the Spin Coherence Time (SCT) of the stored polarized beam, that is the time interval within which the particles of the stored beam maintain a net polarisation greater than 1/e of its initial value. To identify the working conditions that maximise SCT, accurate spin dynamics simulations have been performed on the lattice of the prototype ring. This study presents an investigation of the variation of the beam and spin parameters that influence SCT as well as an optimisation strategy for the sextupole settings to obtain the highest spin coherence time at any given working condition of the ring. The study provides a data set of many configurations with spin coherence times high enough to meet the sensitivity requirements of the EDM measurement. It also analyses the possible design factors that may negatively impact SCTs and discusses possible reconfigurations or design upgrades to improve these values in the future.