Studio delle proprietà di cristalli incurvati finalizzato ad applicazioni in fisica delle alte energie Crystal channeling

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1 Studio delle proprietà di cristalli incurvati finalizzato ad applicazioni in fisica delle alte energie Crystal channeling Cristalli curvati:- Channeling - Dechanneling - Volume capture - Volume reflection Possibile applicazione: collimazione di LHC Misure su linea H8 (CERN SPS) Apparato Misure angolari e di efficienza Doppia riflessione Un nuovo setup - Performance migliori - Misure con multi cristalli Said Hasan Università degli studi dell Insubria On behalf of the H8RD22 collaboration 1

2 Crystal channeling Gli urti di una particella carica con gli atomi di un solido amorfo non sono correlati In un cristallo le cose cambiano se la particella è allineata a Un piano o un asse Multiple scattering Scattering a grande angolo Perdita di energia per ionizazi Irraggiamento Confinamento nel canale Soppressioni urti ravvicinati Ridotta perdita di energia Radiazione di channeling allineata significa entro un angolo critico: 400GeV 2

3 Cristalli curvati Sfruttare il potenziale interplanare per deviare fasci di particelle relativistiche (1976 Tsyganov) Potenziale interplanare Potenziale interplanare + forza centrifuga Potenziale efficace Raggio limite raggio di Tsyganov ~ E [GeV] cm (silicio) 5 3

4 Emergono nuovi processi Se il cristallo è orientato opportunamente punto di tangenza al suo interno (volume) cattur a riflession e 4

5 Ricapitoliamo con l aiuto dei risultati sperimentali Angular profile (µrad) Angular Angular µrad profile µrad Angular profile µrad profile Volume Channeling Amorphous Reflection Rotation angle (µrad) 5

6 Un applicazione: la collimazione di LHC L attuale sistema di LHC ne limita la luminosità (40% del valore nominale): Problemi: 200 volte più d Tevatron/HERA Quenching dei magneti superconduttori Elevata impedenza Previsto un upgrade per raggiungere la luminosità nominale IDEA Usare i cristalli : bersaglio amorfo Courtesy of R. Assmann incurvati come collimatori primari Cristallo = collimatore intelligente Aumenta l efficienza di tutto il 6 sistema di collimazione

7 Setup sperimentale Schema base: Grande distanza si misurano µrad Nella pratica: un complesso di rivelatori per assicurare: Rapidità, precisione, ridondanza (affidabilità) Rivelatori A microstrip di silicio goniometro a1 b -4 s g 0 b s a2 68 s GC a3 72 Z (m) 7

8 Si distinguono per il metodo di curvatura I cristalli A strip Sfruttano la curvatura anticlastica Superficie regolare Sottili nella direzione del beam Quasimosaici Sfrutta le anisotropie del cristallo Superfici ampie ma irregolari Entrambi (di recente ideazione) permettono: curvature regolari e8 cristalli sottili

9 Misure angolari SCAN FIT GAUSSIANI ANDAMENTI Angolo di channeling: 162urad Angolo di riflessione: 13.8urad 9

10 Misure di efficienza Beam divergence (N.eventi entro 3σ)effetto Efficienza= (N.eventi entro 3σ)amorfo 3-sigma Crystal rotation Volume reflectio n 98% Channeling 51.1% 10

11 Effetti di disomogeneità 1.5mm Beam divergence Proton vertical position Un esempio: Beam divergence Rotazione relativa tra le slices ± 2.93 urad Crystal rotation 9.58 urad/mm Identificato come una torsione della strip 11

12 Due cristalli quasi mosaici in serie urad Doppia riflessione urad Angolo di riflessione 23.4 µrad efficienza = 96.7% 12

13 Nuova presa dati, nuovo setup onoscenze acquisite nel primo testbeam 1. misurare l angolo di ingresso richieste: 2. minimizzare il multiple scattering 3. maggiore risoluzione spaziale nuovo risposte: 1. Detector prima del cristallo 2. Minimizzare il numero rivelatori (3 doppia faccia) 3. Utilizzare telescopi al silicio (risoluzione ~7µm) 13

14 Performance del nuovo setup Uno scan con il nuovo setup: Confronto fra i 2 sistemi (stesso cristallo) nuovo vecchio σ ~ 10 urad σ ~ 3.5 urad Angolo di uscita Angolo di deflessione 14

15 Multi cristalli Double reflection risultato importante Angolo di deflessione grande +grande efficienza Buone prospettive per la collimazione Richiesta: realizzare dei multi riflettori Multiquasimosaico b m ea Multi strip beam 15

16 Il multi-quasimosaico: Un risultato molto incoraggiante! 5 riflessioni I dati sono in fase di analisi ma si può stimare: Angolo di riflessione 52 µrad efficienza > 90% 16

17 Studio delle proprietà di cristalli incurvati finalizzato ad applicazioni in fisica delle alte energie Conclusioni Risultati ottenuti Incoraggianti per la collimazione - Alte efficienze: channeling e volume reflection Di interesse scientifico -Studio della Volume reflection Per il futuro Nuovi test su H8 - Multi cristalli allineabili (in remoto) -Approfondimento volume reflection -Studi con particelle leggere Test su fascio circolante Said Hasan Università degli studi dell Insubria On behalf of the H8RD22 collaboration 17

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21 Angular profile reconstructio Measurements method Down stream detector = silicon chambers -alignment -reconstruction of a better beam profile Upstream detector = first module -The first module gives the proton position before the crystal Magnet crystal m. The angle of the incoming protons is computed as the differenc between the down-stream and upstream position beam profile angular profile 21

22 Volume reflection efficiency Beam divergence Procedure: - Equalization of the number of events of each goniometer step - Determination of the main peak mean and of the rms in the amorphous position andofinthe theevents reflection onen-sigma from - Counting within the main peak position for each goniometer step -The reflection efficiency is then: n-sigma Crystal rotation The ratio between the average number of the events below the amorphous peak and the reflection one Amorphous position rescaled to 100 Reflection position =98.19% Number of the events under the main peak 22 Crystal rotation angle

23 Reflection efficiency (QM2 and 110) The number of sigma that determinates the cut limits has been varied to explore the accuracy of the proposed method These are the results for crystals QM2 and 110: crystal QM2 #σ crystal 110 #σ % % % % % % % % 2.58 mean std 0.34 % mean std 0.27 % 23

24 Volume reflection efficiency 2 method A measurement of the reflection inefficiency Beam divergence Procedure: - Equalization of the number of events in each goniometer step - Determination of the average angle and of the rms values of the beam divergence in the amorphous and the reflection posit Crystal rotation Crystal rotation Volume capture + Non reflected particles Chan. + de-chan. inefficiency 24

25 Reflection efficiency 2 method (QM2 and 110) Inefficiency = ((event down event up)reflection down event up)amorphous has been varied to explore the accuracy of(event the proposed method The total number of events These are the results for crystals QM2 and 110: crystal QM2 #σ crystal 110 #σ 2.71 % % % % % % 3.02 mean std mean std % % % % statistical error of this second method is greater with respect to the firs ere 5 quantities are measured while in the first method only 2 are need There is a greater sensibility to the background events 25

26 Channeling efficiency Beam divergence Ratio between: -The events below the channeling peak (within n-sigma) -The average number of the events below the main peak in amorphous position (within n-sigma) The result is the channeling efficiency as function of the crystal rotation We focus on the maximum efficiency n-sigma crysta l Crystal rotation QM2 #σ % % % % 2.58 mean std 1.43 % 26

27 Crystals Vertical torsion position A vertical translation on the crystal surface corresponds to a rotation of the crystal, infact: Proton vertical position Beam divergence The channeling peak appears diagonal with respect to the vertical position The scans performed with different horizontal slices are shifted Beam divergence There is a crystal torsion Crystal rotation 27

28 The 110 crystal torsion he 110 crystal presents the same behaviour of the QM2 one 1.5mm Beam divergence Beam divergence Proton vertical position In this case the torsion has been measured: Crystal rotation The equivalent rotation between the two slices is ± 2.93 urad That means about 9.58 urad/mm 28

29 Beam divergence Proton vertical position The double crystal torsion + Crystal rotation the alignment is greater! The reflection efficiency has been 29 evaluated also for this beam slice

30 First method Reflection efficiency (double crystal) All beam Horizontal slice (better alignment) #σ #σ % % % % % % % % 2.58 mean std 0.24 % double crystal second method double crys. (slice) double crystal mean std 0.66 % #σ double crys. (slice) #σ 5.71 % % % % % % 3.02 mean std mean std % % % % 30

31 The torsion Channeling effect efficiency e channeling efficiency trend is shifted if evaluated in different horizontal slices All the beam Slice 2 Slice 1 Central slice The channeling efficiency trend evaluated without horizontal cuts is the sum of NON completely coherent 31 contributions

32 Channeling efficiency (crystal 110) This implies:the maximum efficiency reached considering the whole beam less than the one reached in a thin horizontal slice Slice 1 All the beam crystal 110 #σ crystal 110 (up) Slice 2 #σ crystal 110 (d.) #σ % % % % % % % % % % % % 2.58 mean std 1.61 % mean std 2.71 % mean std 3.84 % 32

33 Angular parameters Beam divergence The torsion affects other channeling parameters Channeling rms Channeling slope 33 Crystal

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