Modélisation des champs électrostatiques dans des anneaux de stockage pour la mesure de moments électriques dipolaires hadroniques

par Julien Michaud

Projet de thèse en Physique Subatomique et Astroparticules

Sous la direction de Jean-marie (phys) De conto.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de Physique , en partenariat avec Laboratoire de Physique Subatomique et Cosmologie (laboratoire) depuis le 27-10-2016 .


  • Résumé

    Le laboratoire allemand de physique nucléaire de Julich (IKP) est fortement impliqué, depuis plusieurs années, dans un programme R&D ayant pour objectif de construire des accélérateurs dédiés à la mesure du moment dipolaire électrique de particules chargées (proton, deuton, 3He et ... électron). Ce programme de physique, complémentaire des expériences réalisées auprès des collisionneurs de haute énergie, vise à comprendre une des grandes énigmes de la physique contemporaine, l'origine de la disparition de l'antimatière de notre Univers. Le lien vers la collaboration JEDI à Jülich est le suivant : http://collaborations.fz-juelich.de/ikp/jedi/documents/documents.shtml Le LPSC Grenoble (CNRS/IN2P3, UJF et INP) s'inscrit dans cette R&D très amont, et est partenaire de la collaboration. Programme de physique : une particule possédant un moment électrique dipolaire et placée dans un champ électrique au sein d'un anneau de stockage voit son spin évoluer au cours du temps. Si l'on arrive à compenser/annuler/mesurer les effets dus au champ magnétique, alors une mesure de moment dipolaire devient possible. Ceci demande de prendre en compte tous les effets perturbant le spin, tant au niveau de la conception que de la mesure. La conception doit donc être, dès le départ, extrêmement fouillée, et inclure l'ensemble des mécanismes mis en jeu, bien au-delà de nombreuses conceptions actuelles. Enjeux : les moments dipolaires recherchés sont de l'ordre de 10-29 e.cm, ce qui demande des moyens de mesure et des accélérateurs absolument novateurs. Par exemple, l'élimination d'erreurs systématiques demande de pouvoir mesurer des positions de faisceau à 0.2nm (on arrive aujourd'hui à quelques nanomètres pour les futurs collisionneurs). Le laboratoire de Jülich mène des études fondamentales mais aussi des études expérimentales sur la machine COSY, afin de valider les concepts envisagés. A titre d'exemple, le laboratoire mesure le nombre d'onde de spin moyen avec une précision inégalée (10-10). Proposition : Les machines étudiées sont des anneaux de stockage comportant des parties magnétostatiques et électrostatiques, avec des énergies de faisceau (protons, deutons, Hélium) allant de 0.3 à 1 GeV environ. Le travail portera sur la modélisation poussée des champs de fuite des déflecteurs électrostatiques. Les fonctions de transfert des particules et du spin seront construites à partir du formalisme hamiltonien des trajectoires et des équations d'évolution du spin le long de ces dernières. Ces modèles, construits à un ordre de perturbation arbitraire, seront implémentés dans les codes de calcul afin de pouvoir simuler une machine complète sur plusieurs milliards de tours. Les fonctions de transfert permettront par ailleurs de développer le formalisme général de ces machines en termes de fonctions de structure générales (ajustement de la chromaticité, des nombres d'onde bétatron et des longueurs de trajectoires par des hexapôles). Il serait très souhaitable par ailleurs que, dans le cadre de la thèse, la personne puisse participer à des expérimentations à Jülich, afin qu'elle acquière une formation théorique et pratique.

  • Titre traduit

    Electrostatic fields and storage rings for electric dipolar moments of hadrons


  • Résumé

    The Nuclear Physics Laboratory FZJ in Jülich (Germany) and more specifically the JEDI collaboration, is leader, for several years, in an R&D program of particle accelerator dedicated to electric dipolar moment measurement (EDM), for protons, deuterons, 3He etc. The physics case is complementary the experiments that will be done on high energy colliders, and aim to understand the matter/antimatter asymmetry. The link to the JEDI collaboration is http://collaborations.fz-juelich.de/ikp/jedi/documents/documents.shtml The LPSC Grenoble (CNRS/IN2P3, UGA) in member of the collaboration. Physics case: A particle having a non-zero EDM will have a spin evolution while traveling in an electrostatic storage ring, and EDM can be deduced by beam polarimetry. The measurements objectives are 10-29 e.cm, or even better, within a year and all the sources of systematics errors (electric and magnetic fields imperfections or residuals) must be studied and corrected, well above the performances of present accelerators. For example, the correction of the residual magnetic field requires a beam position measurement accuracy of about 0.2 nm (today, accuracy of 2 nm are achievable for future linear colliders). To give another example, for an initial beam polarized longitudinally, EDM will induce a vertical polarization, and EDM measurement could be achieved for spin coherence time of around 1000 seconds. The Jülich laboratory started the studies in 2011: fundamental studies for future designs and experimental studies on the COSY synchrotron, in order to validate the concepts. For example, the average spin tune (number of spin rotations per machine turn) has been measured with a 10-10 accuracy. Proposal: The LPSC will contribute to the electrostatic dipole shape optimization. Due to the accuracy required, this study must take into account a very deep understanding of beam and spin dynamics in the electrical fields, connected to very accurate methods for electric field calculation. Spin tracking will be the final step to validate the design. This work requires a deep knowledge of accelerator physics (beam dynamics in storage ring, spin dynamics, non-linear dynamical systems) and applied mathematics (numerical simulations, numerical methods for field calculations). Some tools exists (spin tracking for example), some need to be developed (high accuracy field calculation). The participation to experiments on COSY is encouraged, to cover the whole accelerator spectra: theory, numerical models and simulations, experiments. The storage ring willl be made of magnetic and electrostatic deflectors, for beam energies (protons up to Helium) between 0.3 and 1 GeV. The objective of the thesis is to get high accuracy models of the electrostatic fringing fileds. The particle and spin transfer functions will be built from Hamiltonian description of these fields, as well from the spin evolution equations along these trajectories. These models, built to any arbitrary order, will be implemented in codes to simulate trajectories up to 10^9 turns. These transfer functions will also be used to develop the general formulations of optical functions in these machines (chromaticity, betatron tunes, length of trajectories, all being adjusted by sextupole families). In addition, a participation to the Jülich experiments will be encouraged, to provide to the candidate a good experimental and practical experience, in addition to the theoretical one.