Экспериментальное изучение нового метода адронной калориметрии - метода потоков частиц, на данных высокогранулярного калориметра CALICE тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.23 ВАК РФ

Федеральное государственное унитарное предприятие Государственный научный центр Российской Федерации Институт Теоретической и Экспериментальной Физики им. А.И. Алиханова

На правах рукописи

Маркин Олег Юрьевич

Экспериментальное изучение нового метода адронной калориметрии — метода потоков частиц, на данных высокогранулярного калориметра CALICE

Специальность: 01.04.23 — физика высоких энергий

1 7 МАЙ 2012

АВТОР ЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва — 2012

005044004

005044004

УДК 539.12

Работа выполнена в ВГУП ГНЦ РФ "Институт теоретической и экспериментальной физики"

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор физ.-мат. наук, член-корр. РАН М.В. Данилов (ИТЭФ, г. Москва)

доктор физ.-мат. наук В.Б. Гаврилов (ИТЭФ, г. Москва)

доктор физ.-мат. наук А.И. Болоздыня (МИФИ, г. Москва)

НИИ Ядерной Физики им. Д.В. Скобельцын: (МГУ, г. Москва)

Защита диссертации состоится 29 мая 2012 г. в 11 часов на заседании диссертационного совета Д.201.002.01 в ФГУП ГНЦ РФ ИТЭФ по адресу: г. Москва, ул. Б. Черемушкинская, д. 25, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИТЭФ.

Автореферат разослан апреля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физ.-мат. наук

Васильев В. В.

Общая характеристика работы

В диссертации изложены результаты экспериментального изучения перспективного метода повышения энергетического разрешения детектора — алгоритма потока частиц. Для изучения метода были использованы данные, полученные в процессе испытаний прототипа высокогранулярного адронно-го калориметра, разработанного и построенного при активнейшем участии ИТЭФ. В прототипе калориметра используется революционно новая система считывания сигнала, благодаря которой достигнута беспрецедентная гранулярность.

Актуальность, цели и задачи работы

Предметом изучения является возможность достижения высокого энергетического разрешения, необходимого для реализации физической программы международного линейного е+е~ коллайдера (англоязычная аббревиатура 1ЬС). 1ЬС разрабатывается для продолжения программы исследований, начатых на Большом Адронном Коллайдере (БАК), а также для изучения круга вопросов, недоступных для адронгюго коллайдера. Предполагаемая максимальная энергия коллайдера составит 500 ГэВ с последующим увеличением до 1000 ГэВ. В пределах этих величин, энергия ускорителя может быть выбрана любой начиная с 200 ГэВ.

Основной целью экспериментов на 1ЬС является детальное изучение новой физики, которое оказывается возможным благодаря полностью определённому начальному состоянию и сравнительно высокой чистоте конечных состояний на лептонных ускорителях. Физические задачи для 1ЬС требуют создания детектора нового поколения с беспрецедентно высоким энергетическим разрешением. Наиболее развитым и многообещающим способом добиться высокого разрешения является использование для реконструкции энергии, так называемого, алгоритма потока частиц (англоязычная аббревиатура РЕА), ранее (в зачаточной форме) успешно использованного на ЬЕР.

РРА представляет из себя такую процедуру реконструкции энергии в детекторе, при которой адронный калориметр используется только для реконструкции энергии нейтральных долгоживущих адронов, а энергия остальных частиц реконструируется с помощью информации трекера и электромагнит-

ного калориметра, где разрешение значительно лучше. Для эффективной работы алгоритма потока частиц требуется высокая гранулярность калориметров детектора. Данная работа внесла вклад в решение двух важные задач, поставленных разработкой высокогранулированного калориметра:

• Использование новой системы считывания сигнала адронного калориметра, которая обеспечит требуемую гранулярность и будет использована в адронном калориметре детектора ILC.

• Эффективность работы PFA с тестовыми экспериментальными данными, полученными с использованием прототипа высокогранулярного калориметра.

Научная новизна, значимость и полезность работы

Эксперименты на ILC могут ответить на ряд вопросов, поставленных в результате исследований на БАК. В случае обнаружения новых частиц, возникнет вопрос, являются ли они суперпартнёрами известных частиц, и позволяют ли их свойства объяснить невидимую массу Вселенной. В случае открытия претендентов на суперсимметричные частицы, потребуется уточнить, насколько их характеристики (спин, константы взаимодействия) соответствуют предсказаниям теории. Кроме того, точные измерения на лептонном коллай-дере могут выявить явления, скрытые от БАК.

Физическая программа для ILC включает детальное изучение свойств хиггсова бозона (хиггса), а именно измерение его массы, констант взаимодействия и относительных вероятностей распадов. Планируется детальное изучение свойств í-кварка и прецизионное измерение характеристик распадов т-лептона с целью поиска эффектов, не описываемых Стандартной Моделью (СМ). Кроме того, планируются поиски суперсимметричных частиц, изучение возможности сценария нарушения электрослабой симметрии в результате „сильного" взаимодействия калибровочных бозонов (SEWSB), и, наконец, поиск слабо взаимодействующих массивных частиц (WIMP) — возможных кандидатов на роль невидимой материи. Поскольку сечения изучаемых процессов очень малы, на ILC планируется достичь большую интегральную светимость: от 500 до 1000 фб-1.

Большинство процессов на ILC заканчиваются состояниями, состоящими из нескольких адронных струй в совокупности с заряженными лептонами и невидимой энергией. Точная реконструкция инвариантной массы одной или нескольких пар струй даёт возможность идентифицировать W- и Z-бозоны,

бозон Хиггса и í-кварк, искать новые состояния и моды распадов, а также различать состояния с близкими массами, например WW и ZZ. Кроме того, для целого ряда задач высокое разрешение даёт экономию необходимой интегральной светимости до 40 %, поскольку увеличивается эффективность отборов и уменьшается фон от других каналов.

Для точного восстановления инвариантной массы, в идеале желательно иметь разрешение детектора для пары адронных струй, сравнимое с естественной шириной распадающейся частицы. Если ширина составляет несколько ГэВ, то для пары струй с энергией порядка 100 ГэВ требуется относительное разрешение детектора не хуже 3 %. Это соответствует вкладу стохастических процессов в относительное разрешение около 30 %/у/Е/ГэВ, что в два раза лучше результата, достигнутого на LEP. Наиболее реалистичным способом добиться настолько высокого разрешения является PFA.

Алгоритм потока частиц базируется на высокой гранулярности калориметров детектора. Ранее PFA использовался только для калориметров с существенно более низкой гранулярностью, чем планируется для калориметров ILC. Разработкой и созданием высокогранулярных калориметров около десяти лет занимается международная коллаборация CALICE, в состав которой входит группа ИТЭФ. В рамках сотрудничества спроектированы, построены и испытаны несколько прототипов калориметра. В прототипе адронного калориметра была использована революционно новая считывающая система й изучены результаты её функционирования. Эффективная работа прототипа калориметра CALICE означает возможность использования реализованных в нём технологий для полномасштабного детектора.

Экспериментальные данные, полученные с помощью прототипов калориметра, впервые были использованы для изучения работы алгоритма потока частиц в условиях ILC. Эффективность использования PFA в полномасштабном эксперименте на ILC была ранее показана только на моделированных событиях. Доверие к предсказаниям моделирования для эффективности PFA имеет критическую важность, т.к. на основе моделирования производится оптимизация характеристик детектора для ILC. Диссертация посвящена сравнению результатов работы PFA с реальными событиями и с событиями, смоделированными по методу Монте-Карло. Сравнение продемонстрировало как хорошую работу прототипа калориметра, так и достаточно высокую предсказательную силу компьютерного моделирования работы PFA. Таким образом, PFA и прототип адронного калориметра прошли проверку экспериментом.

Вопросы, выносимые на защиту

1. Методика мониторирования и изучения стабильности считывающей системы прототипа высокогранулярного адронного калориметра, основанной на использовании новых фотодетекторов — кремниевых фотоумножителей, по итогам двухлетних испытаний прототипа калориметра.

2. Методика анализа эффективности работы PFA по разделению двух близко расположенных адронных ливней, полученных в прототипе адронного калориметра в диапазоне энергий от 10 ГэВ до 50 ГэВ.

3. Оценка эффективности использования PFA в полномасштабном эксперименте путём сопоставления результатов работы PFA по разделению двух реальных адронных ливней с результатами разделения двух моделированных ливней.

Апробация работы

Результаты, вошедшие в диссертацию, докладывались на международной конференции по калориметрии в физике высоких энергий CALOR (Пекин, 2010 год), на международном семинаре по линейным ускорителям IWLC (Женева, 2010 год), на итоговой конференции российско-германского общества им. Гельмгольца (Москва, 2010 год), и на научной сессии-конференции секции ЯФ ОФН РАН (ИТЭФ, 2011 год). По теме диссертации опубликовано пять работ, список которых приведен в конце автореферата.

Объем и структура диссертации

Диссертация состоит из введения, семи глав и заключения, содержащих 96 страниц, 54 рисунка и четыре таблицы. Список цитированной литературы содержит 89 наименований.

Содержание работы

Глава 1 посвящена физическим задачам, стоящим перед экспериментальной программой на 1ЬС, а также требованиям к энергетическому разрешению детектора. Рассмотрено влияние разрешения детектора на точность измерений и на необходимую интегральную светимость. Коротко описаны наиболее важные ситуации, в которых высокое разрешение существенно улучшит ре-

зультаты измерений:

1) измерение массы (лёгкого) бозона Хиггса в процессе е+е~ -» ZH —> qqbb с четырьмя адронными струями в конечном состоянии;

2) измерение константы тройного самодействия бозона Хиггса в процессе е+е~ —► ZHH —> qqbbbb, сопровождающемся значительным количеством фоновых событий;

3) измерение относительной вероятности процесса е+е~ —> ZII —> ZWW* —> qqqqlu, где реконструкция затруднена наличием нейтрино среди частиц конечного состояния;

4) изучение WW-рассеяния в случае необнаружения бозона Хиггса на БАК. При этом, помимо возможности различать адронные распады W- и Z-бозонов, высокое энергетическое разрешение необходимо, чтобы различать события с образованием пар ZZ и WW;

5) возможное наблюдение на ILC распадов суперсимметричных частиц, когда энергетическое разрешение важнб как для их идентификации, так и для оценки их массы.

В первых трёх ситуациях, погрешность соответствующих измерении уменьшится примерно в 1.2 раза при улучшении относительного разрешения детектора от 60%/л/Б/ГэВ до 30%/л/Е/ГэВ, что соответствует выигрышу в интегральной светимости около 40 %.

С точки зрения изучения в экспериментах на ILC, рассмотрены свойства хиггсова бозона Стандартной Модели, находящегося в центре экспериментальной программы. О писаны возможные процессы его образования, а также основные каналы распадов. Более детально обсуждены процессы, в которых могут быть определены его квантовые числа и измерены его масса, константа тройного самодействия, константы взаимодействия и относительные вероятности распадов. Указана роль энергетического разрешения в соответствующих измерениях.

В Главе 2 обсуждается большой международный детектор (англоязычная аббревиатура ILD), разрабатываемый для экспериментов на ILC. Описаны устройство и характеристики его субдетекторов: вершинного детектора, трековой системы, электромагнитного (ECAL) и адронного (HCAL) калориметров, пяти вспомогательных детекторов и детектора мюонов. В основу архитектуры ILD положены два главных ориентира: PFA и высокое разрешение вершинного детектора.

Разрешение вершинного детектора ILD должно обеспечивать эффективную идентификацию ароматов, что критически важно для реконструкции процессов с несколькими адронными струями в конечном состоянии. Эффек-

тивная работа вершинного детектора также полезна и для PFA, поскольку информация о вершине может привлекаться для реконструкции треков. Плат нируемая точность определения прицельного параметра составляет crifmact — а © Ъ/р ■ sin3/2 в, где а и Ь должны быть меньше 5 мкм и 10 мкм-ГэВ/с соответственно, a в — полярный угол.

PFA подразумевает высокоточное измерение импульса заряженных частиц в трекере детектора, и последующую реконструкцию энергии нейтральных адронов в калориметрах. Трековая система состоит из время-проекционной камеры (ТРС) и четырёх дополнительных детекторов, обеспечивающих согласование ТРС с вершинным детектором с одной стороны, и электромагнитным калориметром с другой. В совокупности, трековая система будет давать беспрецедентное разрешение: (т^/рт ~ 2 ■ 10~5рг/(ГэВ/с).

Для HCAL разрабатывается два варианта: с цифровым (DHCAL) и аналоговым (AHCAL) считыванием сигнала. Конструкция HCAL сориентирована на PFA, что подразумевает в первую очередь высокую гранулярность. Однако значительное внимание уделено также и энергетическому разрешению калориметра. HCAL представляет из себя сэндвич из 48 слоев стального абсорбера, между которыми проложены активные слои сцинтиллятора и платы со считывающей электроникой. Полная глубина HCAL составляет более одного метра или около шести длин ядерного взаимодействия (А/), в дополнение к одной X/ электромагнитного калориметра.

Вспомогательные детекторы ILD измеряют характеристики пучка и улучшают герметичность всего детектора. Коротко обсуждаются юстировка субдетекторов и мобильная система установки детектора в рабочее положение и замены его на альтернативный детектор.

В Главе 3 описывается устройство прототипа AHCAL CALICE, а так же его новой системы считывания, основанной на использовании кремниевых фотоумножителей (SiPM). Прототип AHCAL был построен совместно группами ИТЭФ, МИФИ и ДЭЗИ. В этом прототипе была опробована революционно-новая схема считывания сигнала и изучена долговременная стабильность её элементов. Все чувствительные элементы прототипа калориметра были созданы ИТЭФ и МИФИ. В прототипе реализована высокая гранулярность, необходимая для работы PFA. Число каналов в прототипе сравнимо с числом каналов в калориметрах, используемых на БАК.

Прототип калориметра имеет глубину около пяти А/. Он является калориметром типа сэндвич, состоящим из 38 слоёв стального абсорбера и сцинтиллятора. Слои сцинтиллятора разбиты на квадратные ячейки, свет каждой из которых собирается спектросмещающим волокном и индивидуально

считывается с помощью Б1РМ (см. фото слева на рис. 1). Прототип калориметра содержит 7608 ячеек, что обеспечивает высочайшую гранулярность. Размер прототипа достаточен для того, чтобы регистрировать большинство адронных ливней, что (в совокупности с высокой гранулярностью) делает возможным беспрецедентно детальное изучение структуры ливня.

Кремниевые фотоумножители являются новыми фотодетекторами, разработанными и производимыми в России. 81РМ для прототипа адронного калориметра были изготовлены в МИФИ-Пульсар и детально исследованы в ИТЭФ. Они представляют собой многопиксельный фотодетектор площадью всего около 1 мм2 (см. фото справа на рис. 1). Каждый из 1156 пикселей Б1РМ представляет собой диод, работающий под обратным напряжением в гейгеровской моде, с усилением около 10е. Большое количество пикселей обеспечивает широкий динамический диапазон фотодетектора. Маленькие габариты и нечувствительность к магнитному полю позволяют разместить 81РМ непосредственно в ячейке калориметра, без чего трудноосуществимо считывание огромного количества каналов калориметра.

Рис. 1. Слева: пластинка сцинтиллятора размером 3x3 см2 со спектросме-щающим волокном и SiPM (в верхнем левом углу). Справа: один из 7608 SiPM, использованных в считывающей системе прототипа адронного калориметра CALICE.

В Главе 4 описываются испытания прототипа калориметра в 2007 и 2008 годах, а также обработка, собранных данных и их компьютерное моделирование. Программное обеспечение для обработки данных и моделирования построено на общей основе с программным обеспечением, разрабатываемым для полномасштабных экспериментов на ILC. Кроме того, в этой главе описана процедура калибровки калориметра,.

Прототип АНСАЬ испытывался в ЦЕРН и ФНАЛ в широком диапазоне энергий с использованием пучков протонов, пионов, электронов, позитронов и мюонов. Помимо АНСАЬ, экспериментальная установка включала прототип электромагнитного калориметра, мюонный трекер (ТСМТ), а также несколько дополнительных детекторов. С использованием сигналов мюонов, электронов и встроенной системы светодиодов, для каждой ячейки калориметра были получены калибровочные константы, переводящие величину сигнала считывающей системы в величину энергии, выделившейся в калориметре. Было получены достаточно хорошее (для использования РЕА) энергетическое разрешение как для электронов, так и для адронов. Линейность отклика прототипа АНСАЬ является адекватной даже для электронов и заведомо достаточной для адронов, в ливнях которых плотность частиц меньше, см. рис. 2.

Ebeam[GeV]

Рис. 2. Линейность отклика системы AHCAL + ТСМТ CALICE на пионные ливни (кружки), стартовавшие в первых пяти слоях АНСАЬ Квадратами показаны предсказания набора физических моделей QGSPBERT.

В Главе 5 излагаются процедура и результаты изучения долговременной стабильности кремниевых фотоумножителей. С целью прогнозирования эффективности работы фотодетекторов в полномасштабном эксперименте, были изучены эволюция шума и калибруемость, а также радиационная стойкость кремниевых фотоумножителей.

В ходе испытаний прототипа калориметра подавляющее большинство установленных в нём SiPM продемонстрировало стабильное поведение. Однако некоторые фотодетекторы потеряли контакт со считывающей электроникой. Это является тривиальной проблемой, которая будет решена в следующих прототипах адронного калориметра. Среди остальных фотодетекторов прототипа, только около 0.2 % вышли из строя и менее 0.3 % имели тенденцию к повышению шума, оставаясь при этом работоспособными в течении изучаемого периода времени. С целью предотвращения использования таких SiPM в следующем прототипе калориметра, существенно улучшена технология их изготовления и производится тщательный отбор экземпляров для комплектования прототипа.

Радиационная стойкость SiPM изучалась в прототипе калориметра и исследовалась путём облучения их на ускорителе ИТЭФ протонами с энергией (80-200) МэВ. При очень большой суммарной дозе облучения, темновой ток через кремниевый фотоумножитель возрастает настолько, что затрудняет калибровку фотодетектора. Однако на ILC настолько большая суммарная доза ожидается только вблизи линий пучков. Кроме того, в перерывах между интенсивным облучением, происходит восстановление величины темнового тока („отжиг"). Характерное время восстановления составляет несколько дней и зависит от накопленной дозы облучения. Относительная величина восстановления практически не зависит от накопленной дозы и от напряжения, приложенного к кремниевому фотоумножителю.

Глава 6 посвящена влиянию структуры адронного ливня на разрешение калориметра. Выделение энергии ливня в калориметре происходит посредством большого количества каскадных процессов. Совокупность этих процессов не поддаётся точному аналитическому описанию. В настоящее время существует только приблизительное полу-эмпирическое описание некоторых характеристик адронного ливня, таких как величина электромагнитной фракции, размер и энергетические профили ливня. Данные, полученные с помощью прототипа адронного калориметра CALICE, позволяют более детально изучить картину развития и характеристики ливня, опираясь на высокую гранулярность калориметра. Это даст возможность, в частности, существенно улучшить предсказательную силу физических моделей, используемых для компьютерной Монте-Карло оптимизации детекторов.

Энергетическое разрешение адронных калориметров определяется, главным образом, флуктуациями электромагнитной фракции ливня и выделенной энергией ливня, недоступной для регистрации, в частности, потерями энергии связи провзаимодействовавших ядер. На сегодняшний день, тради-

ционные способы компенсации этих флуктуаций не позволяют создать калориметр с разрешением, необходимым для экспериментов на ILC. С другой стороны, компенсация влечёт за собой значительное усложнение технологий, используемых в калориметре, а следовательно, увеличение затрат на его разработку и изготовление.

В Главе 7 описывается конкретная реализация алгоритма потока частиц для экспериментов на ILC, а также изложена процедура и результаты тестирование PFA с использованием данных, полученных на прототипе калориметра CALICE.

С целью использования PFA в экспериментах на ILC, в коллаборации CALICE была создана реконструирующая программа PandoraPFA. Программа была проверена на событиях, смоделированных с помощью нескольких стандартных наборов физических моделей. Относительное энергетическое разрешение, полученное в результате использования PandoraPFA, составило (3-4) % для адронных струй с энергией (45-250) ГэВ. Этот результат в два раза лучше достижений предшествующих детекторов и удовлетворяет требованиям, предъявляемым к разрешению детектора физической программой исследований.

В данной работе впервые была проведена экспериментальная проверка концепции PFA для линейного коллайдера. Эта концепция определяет всю архитектуру детектора, но до данной работы она разрабатывалась и проверялась только с помощью компьютерного моделирования по методу Монте-Карло, которое не может полностью адекватно описать характеристики ад-ронного ливня, существенные для PFA. К ним относятся продольный и поперечный профили ливней, величина электромагнитной фракции, количество фрагментов треков внутри ливня и др. Кроме того, моделирование использует идеализированную модель калориметра, где могут быть не полностью учтены все особенности и несовершенство реального калориметра, такие как погрешности калибровки, шум ячеек, неоднородность светового отклика пластинок сцинтиллятора и оптическая связь между ними.

Главным фактором, осложняющим работу PFA, является перекрытие ливней в адронных струях. В этом случае, сигналы ячеек калориметра, вызванные ливнем, созданным одной из частиц струи, могут быть ошибочно приписаны другой. Проверка предсказаний Монте-Карло моделирования для ошибочного приписывания сигналов была проведена на тестовых экспериментальных данных, полученных с использованием прототипа адронного калориметра CALICE.

Данные были предварительно подготовлены: события с пионами были от-

делены от фоновых событий, и отброшены события со значительной утечкой пионного ливня в ТСМТ. Программа PandoraPFA была адаптирована в связи с отсутствием магнитного поля в испытаниях прототипов CALICE. Объектом проверки PFA была эффективность разделения программой двух близко расположенных (наложенных) пионных ливней, один из которых являлся ливнем заряженного адрона, а другой (с убранным фрагментом трека в калориметрах) имитировал ливень нейтрального адрона.

Для изучения была использована наиболее чувствительная характеристика — разница между величиной энергии нейтрального ливня, реконструированной PandoraPFA, и изначально измеренной величиной. Эта разница отсутствует при большом расстояния между ливнями и возникает при малом расстоянии из-за ошибочного приписывания сигналов ячеек калориметра. Кроме того, изучалась вероятность реконструкции величины энергии нейтрального ливня в предела двух и трёх стандартных отклонений от изначально измеренной величины. Результат работы программы по разделению двух реальных ливней оказался в хорошем согласии с результатом разделения двух смоделированных ливней, см. рис. 3. Возможная разница между реальным прототипом калориметра и его смоделированным образом не оказала заметного негативного влияния на эффективность разделения ливней.

Сопоставление характеристик реальных и моделированных адронных ливней показывает, что энергетическое разрешение для реальных струй может отличаться от разрешения, полученного с использованием различных физических моделей Монте-Карло, не более чем на величину разброса между результатами этих моделей, т.е. не более десяти процентов. Поэтому, согласие между результатами работы PandoraPFA с реальными и с моделированными ливнями, в совокупности с эффективной работой программы с моделированными адронными струями, позволяет ожидать эффективной работы программы с реальными струями в полномасштабном эксперименте.

В Заключении сформулированы основные результаты диссертации.

1. Выбран критерий оценки работоспособности и долговременной стабильности SiPM — RMS сигнала ячейки в событиях со случайным триггером в физической моде усиления сигнала.

2. Создано программное обеспечение, позволяющее вести мониторинг работоспособности и величины шума SiPM как во время эксперимента, так и в процессе обработки собранных данных.

3. Проведён отбор 72-х серий набора данных (ранов), использованных для стастического анализа эволюции работоспособности SiPM в течении 20072008 годов.

> cd

О

■О <D

3 vi

tú ф

Е

тз ф

ф >

8

о §

ф

2 L ' 1 1 1 J 1 1 "I-1—|—Г" I 1 J 4 1 1 1 i 1 1 1 1 Í 1 ■ 1 1 i ' 1 _

; 10-GeV track -

1 • CALICE data Í",

— LHEP

0 - - QGSPBERT . __

TTT t

-1 —

- - - ' Va- ' *' =

-2 — > ► - * -

- —

-3 — 30-GeV track —

— + * A CAUCE data

-4 ----LHEP J

Ъ'' ----QGSP_BERT ;

-С Г i 1 t 1 I « t t í 1 , , , 1 . 1 " i í i < i i 1 l i i 1 1 i i ~

0 50 100 150 200 250 300

Distance between shower axes [mm]

Рис. 3. Среднее значение разницы между реконструированной с помощью PandoraPFA и изначально измеренной в калориметре величинами энергии 10 ГэВ-го „нейтрального" эдрона в зависимости от расстояния до заряженного пиона. Результат показан для двух энергий заряженного пиона (10 ГэВ и 30 ГэВ), для экспериментальных данных (точки) и для моделированных ливней (линии).

4. Изучена работоспособность всех 7608 каналов прототипа адронного калориметра. Выявлены около двухсот каналов прототипа калориметра, в которых был нарушен контакт SiPM со считывающей электроникой. Эти каналы приняты во внимание при обработке собранных тестовых экспериментальных данных.

5. Проведена классификация SiPM, установленных в прототипе калориметра, по эволюции их шума. Выявлены около 30 SiPM, которые продемонстрировали усиление шума. Изучены результаты MIP- и gain-калибровки наиболее шумящих экземпляров. Показано, что SiPM пригодны для использования в полномасштабном эксперименте.

6. Выработана методика сравнения эффективности работы PFA для реальных и моделированных событий, основанная на наложении ливней двух пионов и использующая для сравнения наиболее чувствительную характеристику эффективности PFA.

7. Реконструирующая программа PandoraPFA адаптирована и дополнена с учётом различия условий полномасштабного эксперимента и испытания

прототипа калориметра. Учтены различия в геометрических характеристиках, а также отсутствие в испытаниях магнитного поля и информации трекера.

8. Впервые с использованием тестовых экспериментальных данных, проанализирована работа PandoraPFA по разделению сигналов заряженного и нейтрального адронов в диапазоне энергий от 10 ГэВ до 50 ГэВ.

9. Проведено детальное сопоставление эффективности разделения реальных ливней и разделения ливней, смоделированных с помощью двух широко используемых наборов физических моделей: QGSP_BERT и LHEP. Сопоставление показало надёжность оценок физического потенциала ILC с помощью моделирования.

10. Выявлены и оценены физические факторы, обеспечивающие эффективность применения PFA для реконструкции энергии адронных струй. Показано, что результаты работы PFA при анализе реальных данных со всем их несовершенством полностью адекватны требованиям, предъявляемым физической программой ILC.

Публикации автора по теме диссертации

1. The CALICE collaboration, С. Adloff, ..., О. Markin et al., "Construction and commissioning of the CALICE analog hadron calorimeter prototype", JINST 5 (2010) P05004.

2. T. Buanes, M. Danilov, G. Eigen, P. Göttlicher, О. Markin, M. Reinecke and E. Tarkovsky, 'The CALICE hadron scintillator tile calorimeter prototype", Nucl. Instr. Meth. A623 (2010) 342.

3. O. Markin, on behalf of the CALICE collaboration, TandoraPFA Tests using Overlaid Charged Pion Test Beam Data", J. of Phys.: Conf. Ser. 293 (2011) 012033.

4. The CALICE collaboration, C. Adloff,..., O. Markin et al, "Electromagnetic response of a highly granular hadronic calorimeter", JINST 6 (2011) P04003.

5. The CALICE collaboration, C. Adloff, ..., O. Markin et al., 'Tests of a Particle Flow Algorithm with CALICE test beam data", JINST 6 (2011) P07005.

Подписано к печати 16.04.12 г. Формат 60x90 1/16

Усл. печ. л. 1,0 Уч.-изд. л. 0,7 Тираж 100 экз. Заказ 581

Отпечатано в ИТЭФ, 117218, Москва, Б. Черёмушкинская, 25

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ИНСТИТУТ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКИ

На правах рукописи

61 12-1/899

Маркин Олег Юрьевич

Экспериментальное изучение нового метода адронной калориметрии — метода потоков частиц, на данных высокогранулярного калориметра CALICE

Специальность: 01.04.23 — физика высоких энергий

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук член-корр. РАН М.В. Данилов

Москва — 2012

Оглавление

Введение 4

1. Физические задачи и требования к детектору линейного коллай-дера б

1.1. Значимость разрешения детектора......................................6

1.2. Свойства хиггсова бозона................................................8

1.2.1. Рождение хиггсова бозона........................................9

1.2.2. Распад хиггсова бозона..........................................10

1.3. Изучение хиггсова бозона на линейном коллайдере ..................11

1.3.1. Детектирование....................................................11

1.3.2. Масса и квантовые числа........................................13

1.3.3. Относительные вероятности и полная ширина распада ... 14

1.3.4. Константы взаимодействия......................................15

2. Детектор для линейного ко л лай дера 17

2.1. Вершинный детектор......................................................17

2.2. Трековая система..........................................................18

2.2.1. Кремниевый трекер ..............................................19

2.2.2. Время-проекционная камера....................................20

2.3. Калориметры..............................................................20

2.3.1. Электромагнитный калориметр..................................20

2.3.2. Адронный калориметр............................................21

2.3.3. Считывающая система калориметров..........................23

2.4. Передние детекторы......................................................24

2.5. Обмотка и возвратное ярмо..............................................25

2.6. Детектор мюонов..........................................................26

2.7. Юстировка детекторов....................................................26

2.7.1. Юстировка трековой системы....................................26

2.7.2. Юстировка время-проекционной камеры ......................27

2.7.3. Юстировка калориметров........................................27

2.8. Интерфейс ускоритель-детектор........................................28

2.9. Сбор и обработка данных................................................28

3. Устройство прототипа калориметра 30

3.1. Конструкция прототипа калориметра..................................30

3.2. Кремниевый фотоумножитель..........................................33

3.3. Итоги......................................................................35

4. Испытания прототипа калориметра 36

4.1. Тестирование на пучке и обработка данных............................36

4.2. Компьютерное моделирование событий................................39

4.3. Калибровка прототипа калориметра....................................41

4.4. Итоги......................................................................43

5. Долговременная стабильность фотодетекторов 45

5.1. Эволюция работоспособности кремниевых фотоумножителей .... 45

5.1.1. Ячейки с нарушением контакта..................................46

5.1.2. Аномально шумящие фотодетекторы ..........................47

5.2. Радиационная стойкость кремниевых фотоумножителей ............49

5.3. Выводы......................................................................52

6. Влияние структуры адронного ливня на разрешение калориметра 54

6.1. Развитие адронного ливня................................................54

6.1.1. Сектор частиц ....................................................54

6.1.2. Ядерный сектор ..................................................56

6.1.3. Профили ливня....................................................58

6.2. Энергетическое разрешение калориметра..............................60

6.2.1. Отклик калориметра..............................................61

6.2.2. Флуктуации отклика..............................................63

6.3. Выводы....................................................................69

7. Использование алгоритма потока частиц 71

7.1. Реализация алгоритма потока частиц для линейного коллайдера . . 72

7.1.1. Алгоритм программы Рапс1огаРЕА..............................72

7.1.2. Результаты использования алгоритма потока частиц для моделированных адронных струй..................................75

7.2. Тестирование алгоритма потока частиц с использованием данных, полученных на прототипе калориметра................................77

7.2.1. Подготовка событий для тестирования..........................79

7.2.2. Методика тестирования..........................................80

7.2.3. Результаты тестирования........................................81

7.2.4. Экстраполяция результатов на разрешение для адронных струй 84

7.3. Выводы....................................................................86

Заключение 88

Благодарности 90

Введение

Международный линейный коллайдер (англоязычная аббревиатура ILC) разрабатывается для продолжения программы исследований, начатых на Большом Адронном Коллайдере, а также для изучения круга вопросов, недоступных для адронного коллайдера. Предполагаемая максимальная энергия ускорителя составит 500 ГэВ с последующим увеличением до 1000 ГэВ. В пределах этих величин, энергия ускорителя может быть выбрана любой начиная с 200 ГэВ. Кроме того, предполагается набор данных на пике Z-бозона, предназначенных для калибровки детектора. Если потребуется, может быть проведена модификация ускорителя для долговременной работы на Z-пике (вариант GigaZ), или для конвертации одного или обоих пучков в пучок 7-квантов (вариант 77-коллайдера).

Основной целью экспериментов на ILC является детальное изучение новой физики, которое оказывается возможным благодаря сравнительно высокой чистоте начальных и конечных состояний на лептонных ускорителях. Физические задачи для ILC требуют создания детектора нового поколения с беспрецедентно высоким энергетическим разрешением. Наиболее развитым и многообещающим способом добиться высокого разрешения является использование для реконструкции энергии так называемого алгоритма потока частиц (англоязычная аббревиатура PFA), ранее (в зачаточной форме) успешно использованного на LEP. Алгоритм базируется на высокой гранулярности калориметров детектора.

Разработкой и созданием высокогранулярных калориметров около десяти лет занимается международная коллаборация CALICE, в состав которой входят группы ИТЭФ, МИФИ и другие российские научные организации. Коллаборацией спроектированы, построены и испытаны несколько прототипов калориметра. Экспериментальные данные, полученные с помощью прототипов, были использованы для изучения работы алгоритма потока частиц в условиях ILC. Диссертация посвящена сравнению результатов работы PFA с реальными событиями и с событиями, смоделированными по методу Монте-Карло. Сравнение продемонстрировало как хорошую работу прототипа калориметра, так и достаточно высокую предсказательную силу компьютерного моделирования эффективности PFA.

Диссертация состоит из семи глав. В первых двух главах коротко рассмотрены задачи экспериментов на ILC, требования к энергетическому разрешению и устройство детектора, проектируемого для ILC. В главах с третьей по пятую описаны конструкция и испытания прототипа адронного калориметра CALICE и его принципиально новой системы считывания сигнала. В последних двух главах рассмотрено улучшение энергетического разрешения детектора с помощью PFA,

и изложена процедура использования тестовых данных, полученных с помощью прототипа адронного калориметра, для проверки работоспособности РЕА в полномасштабных экспериментах на 1ЬС.

Глава 1.

Физические задачи и требования к детектору линейного коллайдера

Эксперименты на планируемом линейном е+е~-коллайдере могут ответить на ряд вопросов, поставленных в результате исследований на Большом Адронном Коллайдере (БАК). В случае обнаружения новых частиц, возникнет вопрос, являются ли они суперпартнёрами известных частиц, и позволяют ли их свойства объяснить невидимую массу Вселенной. В случае открытия претендентов на суперсимметричные частицы, потребуется уточнить, насколько их характеристики (спин, константы взаимодействия) соответствуют предсказаниям теории. Кроме того, точные измерения на лептонном коллайдере могут выявить явления, скрытые от БАК.

Физическая программа для ILC включает детальное изучение свойств хигг-сова бозона (хиггса), а именно измерение его массы, констант взаимодействия и относительных вероятностей распадов. Планируется изучение свойств t-кварка и прецизионное измерение характеристик распадов т-лептона с целью поиска эффектов, не описываемых Стандартной Моделью (СМ). Кроме того, планируются поиски суперсимметричных частиц, изучение возможности сценария нарушения электрослабой симметрии в результате „сильного" взаимодействия калибровочных бозонов (SEWSB), и, наконец, поиск слабо взаимодействующих массивных частиц (WIMP) — возможных кандидатов на роль невидимой материи. Поскольку сечения изучаемых процессов очень малы, на ILC планируется достичь большую интегральную светимость: от 500 до 1000 фб-1.

1.1. Значимость разрешения детектора

Большинство процессов на ILC заканчиваются состояниями, состоящими из нескольких адронных струй в совокупности с заряженными лептонами и невидимой энергией. Точная реконструкция инвариантной массы одной или нескольких пар струй даёт возможность идентифицировать W- и Z-бозоны, бозон Хиггса и t-кварк, а также различать состояния с близкими массами, например WW и ZZ, а также искать новые состояния и моды распадов. Кроме того, высокое разрешение даёт экономию необходимой интегральной светимости, поскольку увеличивается эффективность отборов и уменьшается фон от других каналов.

Для точного восстановления инвариантной массы в идеале желательно иметь разрешение детектора для пары адронных струй, сравнимое с естественной шириной распадающейся частицы. Если ширина составляет несколько ГэВ, то для пары струй с энергией порядка 100 ГэВ требуется относительное разрешение детектора не хуже 3 %. Это соответствует вкладу стохастических процессов в относительное разрешение около что в два раза лучше результата, достигнутого

на ЬЕР. Ниже приведены несколько примеров влияния разрешения детектора на результаты реконструкции.

Измерение массы хиггса с использованием лептонного распада ^-бозона на пару заряженных лептонов является удобным, но ограничено малой вероятностью распада, составляющей всего 7% всех распадов Z. Гораздо больше статистики можно использовать в канале адронного распада Z. Если масса хиггса достаточно мала, так что вероятность рождения пары ЬЬ велика, то можно использовать процесс е+е~ —> ZH —> дфЬ, имеющий в конечном состоянии четыре адронные струи. Погрешность измерения массы уменьшается 1.2 раза при улучшении относительного разрешения детектора с 60%/л/-Е'/ГэВ до 30%/-\/.Ё/ГэВ, что соответствует 40%-процентному выигрышу в светимости [1].

Измерение сечения е+е~ ЕНН позволит определить величину константы самодействия Хннн, которая вместе с измерением массы хиггса даст информацию о его потенциале. Измерения константы самодействия может быть проведено в реакции е+е~ —> ZHH —> дфЬЬЬ, уникальной для 1ЪС. Полное сечение е+е~ ZHH составляет всего 0.18 фб. Основным фоновыми процессами являются е+е~ —» и —»• ЬЬ]М\¥ —» ЬЬсзсв и е+е~ —ZZZ: ZZH —>■ дфЬЬЬ. Из-за низкого сечения, значительного фона и большого количества адронных струй, эта реакция трудна для изучения и требует чёткой идентификации IV-, Z-) и Я-бозонов среди массы треков шести струй [2]. Верхняя оценка относительной погрешности определения Хннн уменьшается с 0.38 до 0.32 при улучшении разрешения от 60%/у/Е/ГэВ до 30%/\/Е/ГэВ, что соответствует 40 %-му выигрышу в светимости [3].

Важным применением высокого энергетического разрешения детектора является возможность различать адронные распады и ^-бозонов в событиях с 6-8 фермионами в конечном состоянии, когда использование сохранения энергии-импульса затруднительно или невозможно. Примером является измерение относительной вероятности распада \¥\У* в реакции е+е~ —ZH —>• ZWW* —> дддд/гл где в конечном состоянии часть энергии уносится нейтрино. Погрешность измерения относительной вероятности этого распада улучшается в 1.2 раза при изменении разрешения от 60%/у/Е/ГэВ до 30%/у^Е/ТэВ, также давая 40% выигрыш в интегральной светимости [4].

В случае, если хиггс не обнаруживается на БАК, на первый план выходит изучение И^УК-рассеяния. Для этого требуется отделять процессы е+е~ —> иГ>]¥+\¥~, см. верхние диаграммы на рис.1.1, от е+е~ —>■ pйZZ, реконструкция которых полностью определяется разрешением детектора из-за невидимости нейтрино. Кроме того, эти процессы необходимо отделять от таких, как е+е~ -» ]¥\Уе+е~ (при

потере электрона/позитрона в конечном состоянии из-за малого угла вылета), е+е" WZve и е+е~ —>• \tyWZ —» см. нижние диаграммы на рис.

1.1 [5]. Исследование показало, что достигается 30-40% выигрыш в интегральной светимости при улучшении разрешения от 60%/у/£'/ГэВ до 30%/-у/#/ГэВ [6]. Эффективность разделения ZZ и пар для различного разрешения детектора продемонстрирована на рисунке 1.2.

W

Рис. 1.1. Вверху: диаграммы, дающие вклад в рассеяние IV-бозонов в случае их „сильного" взаимодействия. Внизу: диаграммы процессов, составляющих фон к сигналу рассеяния W-бозонов в случае их „сильного" взаимодействия.

Наконец, возможность различать W- и Z-бозоны критически важна в изучении SUSY на ILC. Например, распад чаржино и нейтралино приводит к конечным состояния с двумя VK-бозонами плюс невидимая энергия и двумя Z-бозонами плюс невидимая энергия соответственно, которые требуют идентификации на основе реконструкции энергии адронных струй. Кроме того, улучшение разрешения делает более чёткой границу краёв спектра массы УК-бозона, которые используются в вычислении массы чаржино [7].

1.2. Свойства хиггсова бозона

Физическая программа для линейного коллайдера охватывает широкий круг вопросов. В центре программы исследований находится один из самых изящных аспектов физики частиц — спонтанное нарушение электрослабой симметрии, происходящее благодаря возможному существованию одного или нескольких хиггсо-вых полей. При изучения свойств хиггсова бозона Стандартной Модели проявляется большая часть требований к детектору для ILC. Поэтому, ниже в этой главе коротко описаны основные каналы рождения и распада хиггса на е+е~-

К""

V

110

№

100

95

90

SS

SO

75

70

6S

а)"- :

a i ■ • о

• ................

. ......... »B»»*DQDI>oi

............ *I*BQBBBRI

..............................n«• ■

........ив1паВЩЗНВИРВ'■ ■

...... . ид ngiDDO□3«Г]рЁР0 I D ■

........ ■■»пиааамТД-ЕРии^»

......................о о■i

.....их. ..«..■ анаа»""«°•

>*■■ ......«им iioDBIiai >i

■ • IIID'IC-IKIIIIDIIIDI

■ l ■ • а «В В" В................

В ■ a IQ iQQBl I...................••

в • • «иВНИнВ"»«.....В ...... ■

В авЯОЕрЛЛЛПВв.............

■ ' оВЦ'П'ИИННи | | • • » • • I - • •«

в I ■ ■ВШТгПВИио............

•... iDQQBDBl"-.......... • ■

в.ВВП BDDBBH0B« » »»..»..»«.» • ••»■■■ODQBlia« .......

I vv ZZ

I vv WW-

60

О №

110

60

70

SO

so

100 110 m x (Ge V)

106

100

95

90

85

80

75

70

65

60

T-1, I. I ,1,—I .1 ,1, .1, .1.

■ •"•c--a*in вявлаш'

....... ian■IQ■В

■•■i" ■вПП5О0Н0ПЭп»а>■о i >■■ ■ в о нв инрр вдЕОЭ па■■«■ I ввавсВаввBLMJBSBВ■ "Dа■ с

ПЕЛ ; 31

ШВПпвпав-

|^3DBDDQa> * а а 1СЖИ □ к □ Со* iEEBBD.nn-оч 08 ВПавво"

оввинШвЕЕ

■ даи81вавНнг

■ она по»lEEl

вире ■ SBIIgll

■ в I D ■ в а ДВ1ИЕ1 в овочоповвяввнвЯаи п.ооп В в ввВиРвоИДВВИИЙВДВВВррd во в

■ °1в|дВарЦ>в°1>ВаПВД«Вава>В

■ ввмшввВввиавапаВ.вавв • • пи.идашзвавиив.шврвввв • о

■ в> ■■ oaaoaiai0®DHmDiaBi..o. ■ ПВВВВВВваВРВВВ [13ВВ BD В D D BBB

___[Ш1ШЧЧ

ms в в В В ООвшО^ШОВ в в в в в ■ ■ мв

»овоавЁШизЕшаЕШ»» nn<i

• ■■ВСБШОвШЭвввво

• вавСвВОШВПвОЦа' ■•■B.DOCО0В."В ■bdobbBDQbBBI*

□■•■вара ■ IIB""

I vv ZZ ,

I vv WW- ■

60

70

S»

100 110 m, (Ge V)

Рис. 1.2. Масса У^- и ^-бозонов, реконструированная в процессах е+е —»■ ш>\¥+\¥ и е+е —>■ иРЕЕ для разрешения детектора а) сте = 30% • ^/Е/ГэВ и Ь) <уе = 60% • у/Е/ГэВ.

коллайдере, а также рассмотрено их использование для поиска и исследования свойств хиггса.

1.2.1. Рождение хиггсова бозона

Наиболее вероятные процессы образования хиггса на ILC, это так называемое хиггс-излучение е+е~ —> ZH —)■ ffH, и VFVF-синтез е+е~ —> veVeH, соответственно левая и правая диаграммы на рис. 1.3 а. Процесс ZZ-синтеза е+е~ —> е+е~Н аналогичен И^И^-синтезу, но имеет на порядок меньшее сечение, поскольку идёт через нейтральные токи. Однако в этом процессе конечное состояние реконструируется полностью. Если масса хиггсова бозона М# < 300 ГэВ, сечение этого канала оказывается больше сечения хиггс-излучения при л/s > 1 ТеВ.

Другие, менее вероятные каналы рождения хиггса, это совместное рождение с ¿-кварком е+е~ —> ttH (левая диаграмма на рис. 1.3Ь) и процессы двойного хиггс-излучения е+е~ —» ZHH и синтеза е+е~ —> vvHH (соответсвенно средняя и правая диаграмма на рис.1.3Ь). Несмотря на малые вероятности, эти каналы полезны для изучения фундаментальных свойств хиггса. Ещё менее вероятны другие процессы, такие как совместное рождение с фотоном е+е~ —> 7Н или идущий через петлевые диаграммы процесс е+е~ —У НН.

Зависимость величины сечения рождения хиггса от его массы показана слева на рис. 1.4 для л/s = 500 ГэВ. Сечение хиггс-излучения меняется как 1/s и, по-

Рис. 1.3. Основные процессы рождения хиггсова бозона на ILC.

этому, превосходит при низких энергиях сечение WW-синтезу которое меняется как log(s/Mjy). При y/s ~ 500 ГэВ эти два процесса имеют примерно одинаковое сечение около 50 фб для актуальной области 115 ГэВ < Мн < 200 ГэВ. Для ожидаемой на ILC интегральной светимости С ~ 500 фб-1 и Мн ~ 120 ГэВ, в каналах е+е~ —> HZ и е+е~ vvH может быть собрано 30000 и 4000 событий соответственно. Этого достаточно для детальног�