Development of a chamber for compression and cooling of the muon beam

diplomski rad

• Naslov (hrvatski): Razvoj komore za kompresiju i hlađenje snopa miona
• Autor: Ivana Belošević
• Mentor: Mihael Makek (mentor)
• Član povjerenstva: Mihael Makek (predsjednik povjerenstva)
• Član povjerenstva: Damir Bosnar (član povjerenstva)
• Član povjerenstva: Nenad Pavin (član povjerenstva)
• Član povjerenstva: Mihael Grbić (član povjerenstva)
• Član povjerenstva: Tomislav Marketin (član povjerenstva)
• Ustanova koja je dodijelila akademski / stručni stupanj: Sveučilište u Zagrebu; Prirodoslovno-matematički fakultet; (Fizički odsjek); Zagreb
• Datum i država obrane: 2014-09-29, Hrvatska
• Znanstveno / umjetničko područje, polje i grana: PRIRODNE ZNANOSTI; Fizika

Sažetak

High-brightness ultra-cold muon beams have many applications in particle and solid state physics. One way to produce such beam from the secondary surface muon beam is by using a combination of crossed electric and magnetic fields and a gas density gradient. This thesis was concerned with the development of the transversal compression stage for that beam. It was done at ETH Ziirich, in the group for Precision physics at Low Energy. The simulations of the electric fields and muon drift in the cell for transverse compression were done and it was shown that it is possible to compress the muon beam with combination of the vertical temperature gradient and crossed electric and magnetic fields. Furthermore, various experimental tests were done to investigate the mechanical stability of the materials used for the construction of the cell at low temperatures. It was found that Kapton foil, 3D printed plastic and quartz are suitable for this purpose. The permeability of helium through a Kapton foil used to enclose the cell was measured. The obtained value for room temperature is (2.55 ± 0.02) barrer, which is in good agreement with literature. It was demonstrated that the permeability constant obeys Arrhenius' law for temperatures ranging from 155 K to 300 K. Thus, the leak rate of helium will be sufficiently low at low temperatures. F inally, the performance of the scintillators read out with wavelength shifting fibers and Geiger-mode avalanche photodiodes for positron detection was studied. The light yield of such detector setup was found to be too low to clearly distinguish signal from the noise, which means that this still needs to be improved. However, it should be possible to test the feasibility of the transverse muon compression during the beam time in December 2014, since the remaining challenges are only of a technical nature.

Sažetak (hrvatski)

Snopovi ultrahladnih miona visokog intenziteta imaju mnogo primjena u fizici elementarnih čestica i fizici čvrstog stanja. Jedan od načina na koji se takav snop miona može stvoriti iz snopa površinskih miona je kombinacijom električnih i magnetskih polja te gradijenta gustoće plina. Ovaj diplomski rad se bavio razvojem komore za transverzalnu kompresiju miona. Diplomski rad je odrađen na ETH Zürich, u grupi Precision Physics at Low Energy. Napravljene su simulacije električnih polja i putanja miona u komori za transverzalnu kompresiju te je pokazano da je moguće postići kompresiju miona koristeći ukrštena električna i magnetska polja i vertikalni temperaturni gradijent. Osim toga, testirana je mehanička stabilnost materijala upotrebljenih za izradu komore te je potvrđeno da su kaptonska folija, 3D printana plastika i kvarc pogodni materijali za primjenu na niskim temperaturama. Izmjerena je i konstanta permeabilnosti helija kroz kaptonsku foliju. Dobivena vrijednost od (2:55 ± 0:02) barrer na sobnoj temperaturi je u dobrom slaganju s vrijednostima iz literature. Također je demonstrirano da Arrheniusov zakon vrijedi za permeabilnost helija kroz kaptonsku foliju za temperature od 155 K do 300 K. To znači da će propuštanje helija kroz kapton biti dovoljno nisko na niskim temperaturama. Na kraju, istraženo je da li su scintilatori s vlaknima koja pomiču valnu duljinu i lavinskim fotodiodama u Geiger načinu rada prikladni za detekciju pozitrona iz raspada miona. Količina svjetla proizvedena u takvom detektoru nije dovoljna da bi se moglo jasno razlučiti signal od šuma, što znači da ove detekore treba još poboljšati. Međutim, testiranje mogućnosti transverzalne kompresije miona bi trebalo biti moguće u prosincu 2014., jer su preostali problemi samo tehničke prirode.

• Ključne riječi: muons; transversal compression
• Ključne riječi (hrvatski): mioni; transverzalna kompresija
• Jezik: engleski
• URN:NBN: urn:nbn:hr:217:668341
• Studijski program: Naziv: Fizika; smjerovi: istraživački; Smjer: istraživački; Vrsta studija: sveučilišni; Stupanj studija: integrirani preddiplomski i diplomski; Akademski / stručni naziv: magistar/magistra fizike (mag. phys.)
• Vrsta resursa: Tekst
• Način izrade datoteke: Izvorno digitalna
• Prava pristupa: Pristup korisnicima matične ustanove
• Datum i vrijeme pohrane: 2017-06-14 14:03:42