Stabilisation der Strahlparameter für das P2-Experiment an MESA
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Stabilisation der Strahlparameter für das P2-Experiment an
MESA
Am neuen Elektronenbeschleuniger Mainz Energy-recovering Superconducting Accelerator (MESA) am Institut für Kernphysik in Mainz soll mit dem P2-Experiment der
elektroschwache Mischungswinkel sin²θ_W, auch Weinbergwinkel genannt, mit extremer
Präzision von 0,14% anhand elastischer Elektron-Proton-Streuung mit longitudinal polarisierten Elektronen bestimmt werden. Der Weinbergwinkel ist ein Parameter der elektroschwachen Wechselwirkung und kann anhand der paritätsverletzenden Asymmetrie
gemessen werden. Diese ergibt sich aus den unterschiedlichen Wirkungsquerschnitten für
Elektronen positiver und negativer Helizität.
Die Elektronenenergie wurde mit 140 MeV so gewählt, dass der Untergrund aus Boxgraphen mit dem Austausch jeweils zweier Bosonen unterdrückt wird. Allerdings ist aufgrund der geringen Strahlenergie die Differenz der Wirkungsquerschnitte extrem klein und die erwartete Asymmetrie von 30-40 ppb etwa eine Größenordnung
kleiner als die kleinste jemals gemessene Asymmetrie bei polarisierter Elektron-Proton-
Streuung. Die kleinen zu messenden Asymmetrien haben zur Folge, dass jede nicht-
physikalische Asymmetrie, die von helizitätskorrelierten Schwankungen der Strahlparameter stammen, extrem präzise gemessen und stabilisiert werden muss.
Eine präzise Messung der Parameterschwankungen und deren Stabilisierung hin zu
einer gesamten apparativen Asymmetrie von wenigen ppb mit einer Unsicherheit von
0,1 ppb nach 10.000 Stunden Messzeit ist die Forderung der P2-Experimentatoren. Die
Ergebnisse des P2-Experiments hängen damit maßgeblich von der Qualität des erzeugten
Strahls ab.
In dieser Arbeit wird ein Feedbacksystem vorgestellt, das in der Lage ist, mithilfe
geeigneter Messinstrumente sowie digitaler Datenerfassung und Regelung, die Strahlpa-
rameter Lage und Winkel so zu messen und zu stabilisieren, dass die geforderte Genau-
igkeit erreicht werden kann. Die erfolgreich verlaufenen Testmessungen hierfür wurden
am Mainzer Mikrotron (MAMI) mit einer Elektronenenergie von 180 MeV durchgeführt.
Lage und Winkel des Strahls werden bei MESA genau wie bei MAMI mit einem
minimal-invasiven Hohlraumresonator gemessen. Für MESA wird im zweiten Teil dieser Arbeit ein neues Design eines solchen Monitors vorgestellt und die Funktion eines
Prototyps bei Messungen am MESA-Testaufbau MESA Low-energy Beam Apparatus
(MELBA) überprüft.