Monte Carlo estimations of delta ray emission in the proposed proton edm storage ring
Creators: name: Καρέτσος, Παναγιώτης Αναστασίου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2022
Subjects: Ηλεκτρική διπολική ροπή πρωτονίου
Δακτύλιος αποθήκευσης
Ακτινοβολία δέλτα
Proton electric dipole moment
Geant4 simulation
Delta ray

description: Στη σύγχρονη φυσική στοιχειωδών σωματιδίων, το Καθιερωμένο Πρότυπο (Standard Model) κατέχει μια πολύ σημαντική θέση, καθώς είναι η φυσική θεωρία η οποία εξηγεί τρεις από τις τέσσερις θεμελιώδεις δυνάμεις στη φυσική. Παρόλη την επιτυχία του στην πρόβλεψη πειραματικών μεγεθών, δεν μπορεί να εξηγήσει κάποια φαινόμενα ή μπορεί να εξηγήσει μερικώς κάποια από αυτά, όπως για παράδειγμα, τη βαρυονική ασυμμετρία. Για την επίλυση αυτού του προβλήματος οι θεωρητικοί φυσικοί στράφηκαν σε άλλα μοντέλα, πέρα από το Καθιερωμένο Πρότυπο, που θα μπορούσαν να εξηγήσουν πλήρως τη βαρυονική ασυμμετρία, η οποία θα μπορούσε να εκφραστεί τελικά και ως μια μόνιμη, μη-μηδενική ηλεκτρική διπολική ροπή (Electric Dipole Moment - EDM). Η σύμπραξη για τη μέτρηση της Ηλεκτρικής Διπολικής Ροπής του πρωτονίου σχεδίασε και πρότεινε μια πειραματική διάταξη προκειμένου να γίνει μια απόπειρα μέτρησης της Ηλεκτρικής Διπολικής Ροπής του πρωτονίου. Στην πρόταση αυτή, χρησιμοποιείται ένας δακτύλιος αποθήκευσης (Storage Ring) με ένα Υβριδικό-Συμμετρικό πλέγμα (Hybrid-Symmetric lattice). Μέσα σε αυτόν τον δακτύλιο, δύο δέσμες πρωτονίων κινούνται σε κυκλική τροχιά, προς αντίθετες κατευθύνσεις μεταξύ τους. Η μέτρηση της Ηλεκτρικής Διπολικής Ροπής θα γίνει μετρώντας την πόλωση της δέσμης των πρωτονίων κάτω από πολύ συγκεκριμένες συνθήκες. Πειραματικά, αρκεί να παρατηρήσουμε την ασυμμετρία στην ελαστική σκέδαση των πρωτονίων από κάποιο ελαφρύ στόχο. Πολλά από τα πρωτόνια της δέσμης αναμένεται να χαθούν, έπειτα από την ανίχνευσή τους από το πολωσίμετρο και κάποια από αυτά ίσως χτυπήσουν στην πορεία τους κάποια από τις πλάκες που βρίσκεται σε υψηλό δυναμικό. Στην παρούσα διπλωματική εργασία, μελετήσαμε την εκπομπή δέλτα ακτινοβολίας από την πλάκες που βρίσκονται σε υψηλό δυναμικό. Πιο συγκεκριμένα, μελετήσαμε λεπτομερώς τη συμπεριφορά των δέλτα ηλεκτρονίων μέσα στην πλάκα υπό υψηλό δυναμικό, την οποία ένα πρωτόνιο της δέσμης θα χτυπήσει πρώτη, χρησιμοποιώντας το ευρέως διαδεδομένο πακέτο προσομοίωσης Geant4. Η γεωμετρία της προσομοίωσης αποτελείται από δύο παράλληλες πλάκες, ανάμεσα στις οποίες υπάρχει ένα ομογενές ηλεκτρικό πεδίο, κάθετα σε αυτές. Το πρωτογενές σωματίδιο είναι ένα πρωτόνιο, το οποίο πέφτει πάνω σε μια από τις δύο πλάκες υπό υψηλό δυναμικό, σε μία σταθερή γωνία. Καθώς η ανάπτυξη του δακτυλίου που θα φιλοξενήσει το πείραμα συνεχίζεται ακόμη και σήμερα, πολλά από τα βασικά στοιχεία της διάταξης μπορεί να αλλάξουν. Για το λόγο αυτό, μελετήσαμε δύο διαφορετικά υλικά, σαν υλικά των υπό-υψηλή-τάση πλακών, τέσσερις διαφορετικές τιμές του ηλεκτρικού πεδίου και δύο διαφορετικές κατευθύνσεις του - συνολικά δεκαέξι διαφορετικά σενάρια. Τα αποτελέσματα παρουσιάζονται για κάθε σενάριο ξεχωριστά. Παρόλα αυτά, γίνεται και μια συγκεντρωτική παρουσίαση, έτσι ώστε να είναι ευκολότερη η σύγκριση μεταξύ διαφορετικών σεναρίων, καθώς επίσης και για λόγους ευκολίας στην παρουσίαση και κατανόηση των αποτελεσμάτων
description: In contemporary elementary particle physics, Standard Model (SM) plays a crucial role, as it is the theoretical framework that explains three out of four forces in nature. It has demonstrated enormous success in providing experimental predictions, but it leaves some phenomena unexplained, for example, it does not fully explain baryon asymmetry. To get out of this conundrum, theoretical physicists turned to other models beyond the SM that could fully explain the baryon asymmetry, which might express itself as a nonzero permanent electric dipole model (EDM). The proton EDM collaboration has designed and proposed an experimental setup to attempt such a measurement. The proposal uses a Hybrid-Symmetric lattice in a storage ring, while bunches of protons travel clockwise and counter-clockwise inside the ring. Measuring the EDM of the protons, will most likely involve measuring the polarization of the proton beam under very specific conditions. This is done by observing the asymmetry in the elastic scattering of protons from a light mass target. After the stored protons hit the polarimeter detector, most of the scattered protons will eventually get lost and perhaps hit a high voltage plate. In the present dissertation, we studied the delta ray emission from the high voltage plates. More precisely, we studied in detail the behavior of delta electrons inside the high voltage plate that a proton from one of the two counter rotating beams hits first, under various conditions, using the widely known and accepted simulation toolkit Geant4. The simulated geometry consists of two parallel plates with a local uniform electric field in between and vertically to them, whereas the primary particle is a proton shot towards one of the plates at a fixed angle. As the development of the proton EDM continues, some components and specifications might change. For this reason, we have tested two different plate materials, four different field values and two different directions of the electric field, thus sixteen different scenarios in total. The results are given for each scenario separately, although a summary is also given, for a better point of view and comparison of the different scenarios