"Spintransport am International Linear Collider und der Einfluss auf die Messung der Polarisation"

"Spin Transport at the International Linear Collider and its Impact on the Measurement of Polarization"

Kurzfassung

Am geplanten International Linear Collider (ILC) soll die longitudinale Polarisation der kollidierenden Leptonstrahlen mit einer bisher unerreichten Präzision bestimmt werden. Dafür sind zwei Laser-Compton-Polarimeter pro Strahlzuführungssystem (beam delivery system, BDS) vorgesehen, die die longitudinale Polarisation mit einem systematischen Fehler ≤ 0,25 % messen sollen. Die beiden Polarimeter befinden sich 1,6 km vor bzw. 150 m hinter dem Kollisionspunkt (interaction point, IP). Die entscheidende Größe für die Experimente, die mittlere luminositätsgewichtete longitudinale Polarisation P^z_lumi, soll aus diesen Messungen so genau wie möglich bestimmt werden. Um abschätzen zu können, wie genau sich die longitudinale Polarisation am IP aus den Messungen der Polarimeter bestimmen lässt, ist ein detailliertes Verständnis des Spintransports im BDS erforderlich. Die angestrebte Genauigkeit für die Propagation des Messwertes beträgt ≤ 0,1 %.

Die vorliegende Arbeit betrachtet den Spintransport im Hinblick auf die erzielbare Genauigkeit. Zu diesem Zweck ist eine detaillierte Strahlsimulation entwickelt worden, die auch die Simulation der Strahlkollisionen am IP beinhaltet. Eine mögliche Begrenzung der erzielbaren Genauigkeit durch folgende Faktoren wird untersucht: eine Variation der Strahlparameter, die Genauigkeit der Strahlausrichtung an den Polarimetern und am IP, die Drehung der Teilchenpakete am IP, die Detektormagnete, die Kollisionen der Strahlen, die Emission von Synchrotronstrahlung und Fehlstellungen der Strahlrohrelemente.

Finden keine Kollisionen statt, lässt sich eine Genauigkeit von 0,085 % für die Propagation des Messwertes erreichen. Dieses Ergebnis beruht jedoch hauptsächlich auf den Annahmen über die erreichbare Genauigkeit für die parallele Ausrichtung des Strahls an den Polarimetern und für die Ausrichtung des Polarisationsvektors. Finden Kollisionen statt, hängt die hinter dem IP gemessene longitudinale Polarisation stark von der Intensität der Kollisionen und der Fokussierung des Laserstrahls des Polarimeters ab. Daher ist in diesem Fall für eine quantitative Aussage noch eine detailliertere Untersuchung der Wechselwirkung des Lasers mit dem Teilchenpaket erforderlich.

Titel

Kurzfassung

Summary

At the planned International Linear Collider (ILC), the longitudinal beam polarization needs to be determined with an unprecedented precision. For that purpose, the beam delivery systems (BDS) are equipped with two laser Compton polarimeters each, which are foreseen to achieve a systematic uncertainty of ≤ 0.25 %. The polarimeters are located 1.6 km upstream and 150 m downstream of the e⁺e^- interaction point (IP). The average luminosity-weighted longitudinal polarization P^z_lumi, which is the decisive quantity for the experiments, has to be determined from these measurements with the best possible precision. Therefore, a detailed understanding of the spin transport in the BDS is mandatory to estimate how precise the longitudinal polarization at the IP is known from the polarimeter measurements. The envisaged precision for the propagation of the measurement value is ≤ 0.1 %.

This thesis scrutinizes the spin transport in view of the achievable precision. A detailed beamline simulation for the BDS has been developed, including the simulation of the beam-beam collisions at the IP. The following factors which might limit the achievable precision are investigated: a variation of the beam parameters, the beam alignment precision at the polarimeters and the IP, the bunch rotation at the IP, the detector magnets, the beam-beam collisions, the emission of synchrotron radiation and misalignments of the beamline elements.

In absence of collisions, a precision of 0.085 % on the propagation of the measured longitudinal polarization has been found achievable. This result however depends mainly on the presumed precisions for the parallel alignment of the beam at the polarimeters and for the alignment of polarization vector. In presence of collisions, the measurement at the downstream polarimeter depends strongly on the intensity of the collision and the size of the polarimeter laser spot. Therefore, a more detailed study of the laser-bunch interaction is required for a quantitative statement.