Электромагнитный калориметр для больших углов детектора Clas тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М. В. ЛОМОНОСОВА

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ имени Д. В. СКОБЕЛЬЦЫНА

На правах рукописи

Сапуненко Владимир Викторович

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ КАЛОРИМЕТР ДЛЯ БОЛЬШИХ УГЛОВ ДЕТЕКТОРА

СLAS

Специальность 01.04.16 - физика атомного ядра и элементарных частиц

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва - 2004

Работа выполнена в отделе электромагнитных процессов и взаимодействий атомных ядер Научно-исследовательского института ядерной физики им. Д. В Скобельцына.

Научные руководители:

доктор физико-математических наук, профессор физического факультета МГУ Ишханов Б. С.

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник ОЭПВАЯ НИИЯФ МГУ Мокеев В. И.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор ОЯКИ НИИЯФ МГУ Зеленская Н. С.

доктор физико-математических наук, научный сотрудник ЛТФ ОИЯИ (г. Дубна) Малое Л. А.

Ведущая организация:

Институт Ядерных Исследований Российской Академии Наук

Защита состоится _2004 года в 15 час

на заседании Диссертационного" совета К 501.001.06 в Московском государственном университете им. М. В. Ломоносова. Адрес: 119992, Москва, Ленинские горы, НИИЯФ МГУ, 19-й корпус, аудитория 2-15.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИЯФ МГУ. Автореферат разослан

«О» _ _2004 года.

Ученый секретарь

Диссертационного совета К501.001.06 кандидат физико-математических наук

Чуманова О. В.

2004-4 26701

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Электромагнитный калориметр для больших углов рассеяния (LAC -Large Angle Calorimeter) является составной частью Спектрометра Большого Аксептанса (СLAS - CEBAF Large Acceptence Spectrometer), установленного в экспериментальном зале "В" лаборатории им. Томаса Джефферсона (TJNAF -Thomas Jefferson National Accelerator Facility).

Спектрометр CLAS, в силу своих характеристик, является уникальным инструментом для исследования структуры адронов, динамики сильных взаимодействий в существенно непертурбативной области. Актуальными задачами этих исследований является изучение структуры возбуждений нуклона, поиск не наблюдавшихся ранее экспериментально барионных состояний, экзотических адронных конфигураций с содержанием глюонной и многокварковых компонент. В области энергий выше возбуждения нуклонных резонансов эти исследования позволяют получить данные о конкуренции жестких и мягких процессов в непертурбативной КХД, в частности, изучить механизмы взаимодействия кварков и глюонов, формирующих обмен Реддже траекториями в рождении векторных мезонов, а также получить данные о волновой функции мезонов Новым направлением является изучение трехмерных кварковых распределений амплитуд переходов между различными кварковыми распределениями в нуклоне в рамках новой концепции обобщенных партонных распределений (GPD).

Для реконструкции фотонов и нейтронов конечного состояния, вылетающих из мишени на большие (>45°) углы, в состав детектора CLAS входит электромагнитный калориметр для больших углов, расширяющий покрытие по углу в от 45° до 75° в двух из шести секторах спектрометра CLAS.

Диссертация посвящена исследованию характеристик электромагнитного калориметра для больших углов в создании, тестировании, установке и обеспечении функционирования которого в составе спектрометра CLAS автор принимал непосредственное участие.

Актуальность изучаемых задач

Наличие в JLAB непрерывного пучка электронов с рекордными параметрами и детектора большого аксептанса CLAS, построенного при тесной кооперации ученых из 16-ти стран, открыло качественно новые возможности для исследования непертурбативных сильных взаимодействий в полной совокупности эксклюзивных каналов реакций с фотонами и электронами. Центральной задачей обширной программы экспериментов, выполняемой на детекторе CLAS международной коллаборацией, является изучение структуры адронов, динамики сильных взаимодействий и их эволюции с расстоянием в области перехода от конфаймента к асимптотической свободе кварков. Это новое и приоритетное направление в современной физике сильных взаимодействий. Отличительной особенностью экспериментов на детекторе CLAS является использование в качестве частиц-зондов реальных и виртуальных фотонов, являющихся калибровочными частицами КЭД. Динамика их формирования и взаимодействие во входном * канале реакции хорошо известна и описывается рамках КЭД Эти обстоятельства обеспечивают преимущество в интерпретации данных реакции с реальными и виртуальными

#

фотонами. Фоновые условия эксперимента также обеспечивают преимущества сравнительно с пучками адронов.

Программа физических экспериментов требовала создания детектора, способного одновременно измерять все кинематически открытые каналы реакции под действием реальных и виртуальных фотонов на нуклоне и атомных ядрах. Детектор должен позволять регистрировать все частицы конечного адронного состояния в диапазоне углов близкому к 4я.

Цель диссертационной работы

Целью данной работы является детальное исследование свойств калориметра больших углов, сравнение полученных результатов с данными моделирования методом Монте-Карло. Основные пункты исследования

• Разработка метода и программного обеспечения для энергетической и временной калибровки калориметра с использованием физических данных, полученных на пучке;

• Разработка метода и программного обеспечения для мониторинга калориметра в режиме реального времени;

• Измерение эффективности регистрации заряженных (пионов и протонов) и нейтральных (у-квантов и нейтронов) частиц;

• Оценка энергетической и координатной разрешающих способностей.

Научная новизна и практическая ценность работы

Калориметр для больших углов был введен в строй в 1997 году как часть детектора СLAS, и с тех пор успешно функционирует в продвижении экспериментальных программ зала В с использованием электронных и фотонных пучков.

В данной работе было проведено детальное исследование внутренней функции отклика калориметра больших углов, являющегося частью детектора СLAS, и обеспечивающего регистрацию рассеянных электронов, фотонов и нейтронов, испущенных на углы больше 45Ов лабораторной системе.

Проведена оценка и параметризация зависимости энергетического разрешения калориметра для электромагнитных ливней от энергии налетающей частицы.

Показано, что калориметр- обладает временной разрешающей способностью, отвечающей требованиям программы экспериментов, что является необходимым условием для реконструкции нейтронных событий методом времени пролёта. Для эффективности детектирования нейтронов выше 30% получено временное разрешение в 260 пс для импульса выше 0.5 ГэВ/с. Разделение нейтронных и фотонных событий производится по р<0.95.

На защиту выносятся

• Разработанный метод и пакет программного обеспечения для энергетической и временной калибровки калориметра с использованием данных о высокоэнергетических пионах, испускаемых на большие углы и получаемых в ходе физических сеансов с использованием электронного или фотонного пучка;

• Разработанный метод и пакет программного обеспечения для мониторинга калориметра в режиме реального времени;

Результаты измерения эффективности регистрации заряженных (пионов и протонов) и нейтральных (у-квантов и нейтронов) частиц;

• Результаты измерения энергетической и координатной разрешающей способности.

Аппробация работы

Результаты работы докладывались на VI международной конференции "Calorimetry in High-Energy Physics" [1], опубликованы в четырех статьях в журнале N1M [2,3,4,5], и еще одна направлена на публикацию, докладывались на собраниях и рабочих совещаниях коллаборации CLAS, опубликованы в виде электронного руководства.

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Объем диссертации составляет 116 страниц текста, включает 67 рисунков и список литературы из 44 наименований.

Содержание работы

Во введении описываются особенности сильных взаимодействий в области расстояний между конфайнментом и пертурбативной КХД, рассматриваются исследования нуклонных резонансов в реакциях с фотонами. Делается вывод, что исследования эксклюзивных каналов взаимодействия фотонов с протоном в экспериментах на непрерывных пучках и 4л детекторах открывают новые возможности для изучения нуклонных резонансов и непертурбативной динамики сильного взаимодействия. Ставится задача, выполняемая в диссертации, и обосновывается ее актуальность.

В первой главе подробно описывается экспериментальная установка.

Ускоритель. Основным элементом ускорителя электронов непрерывного действия- CEBAF (Continues Electron Beam Accelerator Facility) являются сверхпроводящие ускоряющие структуры. Основные характеристики ускорителя приведены в таблице 1.

Электроны, испущенные инжектором с энергией 45 МэВ, ускоряются в двух линейных ускорителях, соединенных с обоих концов пятью поворотными арками радиусом . 80 м. Ускорение в каждом из линейных ускорителей обеспечивается с помощью 20 криогенных модулей, охлаждаемых жидким гелием, каждый из которых содержит 8 ниобиевых ускоряющих структур. Ускоряющие структуры имеют минимальный градиент ускорения 7.5 МэВ на метр и рабочую частоту 1.497 ГГц. На каждом витке электроны получают ускорение около 1.1 ГэВ, что при практическом отсутствии синхротронного излучения позволяет достичь максимальной энергии пучка в 5.6 ГэВ после пяти оборотов

Таблица 1. Характеристики ускорителя CEBAF

Макс. Энергия электронного пучка

5.71 ГэВ

Уровень поляризации

>75 %

Макс. Ток

200 мкА

Средний ток (залы А и С)

Средний ток (зал В)

1-150 мкА

Заряд в одном банче

10-100 нА

<0.3 пКл

Частота повторения

499 МГц/зал

Поперечный размер пучка

-80 мкм

Длина банча ДЕ/Е

~300 фс. 90 мкм

г.б^о5

Пучок электронов, доставляемый одновременно в три экспериментальных зала А, В и С, состоит из микробанчей, разделённых промежутками - приблизительно в 0.67 нс, которые могут быть ускорены до различных энергий, проходя различное количество оборотов в ускорителе. Таким образом, экспериментальные залы могут одновременно получать пучки с различными величинами энергии, кратными энергии, получаемой за один оборот. Кроме того, банчи электронов могут иметь различную плотность, что даёт возможность доставлять в экспериментальные залы пучки с различными значениями тока - от 10 нА до 100 мкА. Из-за отсутствия синхротронного излучения размывание энергии пучка очень мало и составляет порядка 10-5.

К настоящему моменту характеристики ускорителя значительно улучшены, и по сравнению с заложенной в проект максимальной энергией пучка в 4 ГэВ CEBAF, начиная с 2001 года, способен обеспечивать непрерывный пучок с током до 200 мкА и энергией до 6 ГэВ.

Детектор. Детектор CLAS, находящийся в зале В, был спроектирован для экспериментов, в которых конечное адронное состояние характеризуется несколькими некоррелированными частицами, или светимость в которых ограничена током пучка, плотностью мишени или случайным фоном. Геометрия детектора CLAS основана на тороидальном магнитном поле (см. Рис. 1).

Основными требованиями, определившими этот выбор, были возможности регистрации заряженных частиц с хорошим энергетическим разрешением, обеспечение геометрического покрытия близкого к 4л в лабораторной системе отсчёта, и сохранение при этом области, свободной от магнитного поля непосредственно вокруг мишени для возможности использования динамически поляризованных мишеней.

Система регистрации частиц состоит из Дрейфовых Камер фф для реконструкции треков заряженных частиц, Черенковских Счётчиков (СС) для идентификации электронов, сцинтилляционных счётчиков (SC - система времени пролёта) для триггера и измерения времени пролёта частиц и электромагнитных ливневых калориметров для регистрации фотонов и нейтронов и улучшения электрон-пионного разделения. Шесть секторов детектора, расположенные сферически симметрично вокруг линии пучка, работают фактически независимо друг от друга с общей мишенью, триггером и системой сбора данных, обеспечивая покрытие практически всего азимутального угла.

Рис. 1. Схема детектора СLAS, в разрезе по линии пучка

Описываются составляющие детектора

• Тороидальный магнит

• Дрейфовые камеры

• Черенковский счетчик

• Электромагнитный калориметр

• Система времени пролёта

• Система сбора данных Обработка данных

Описываются реконструкция событий, идентификация нейтральных и заряженных частиц-

Калибровка детектора Первый этап обработки данных представляет собой калибровку детектора. На этой предварительной фазе выбранные случайным образом образцы данных (обычно не более 10% от полной статистики) обрабатываются для того, чтобы проверить временную стабильность и отклик детектора на хорошо известные процессы. В качестве примера таких процессов можно привести восстановление прямолинейных треков заряженных частиц при измерениях с нулевым магнитным полем для дрейфовых камер и измерение положения пика энергии минимально ионизирующих частиц для калориметров. Проверяется энергетическая и временная калибровки каждой составляющей части детектора, и соответствующие калибровочные константы подбираются таким образом, чтобы результаты совпали с ожидаемыми. Эта процедура применяется для каждого периода набора данных (сеанса) для того, чтобы учесть разницу в установках детектора, модификации оборудования и изменение функции отклика детектора со временем. Полученные результаты проверяются с помощью мониторинга наиболее важных величин. Когда реконструкция достигает необходимой точности, калибровочные константы фиксируются, и начинается окончательный процесс реконструкции

Реконструкция событий

Программа реконструкции событий на детекторе СLAS состоит из нескольких пакетов, функцией которых является анализ информации, полученной из каждой подсистемы детектора и объединение их в одно физическое событие. Из-за сложности детектора процесс реконструкции разделён на несколько этапов.

Реконструкция треков заряженных частиц является наиболее сложной частью программы реконструкции. Она проходит через две стадии. На первой стадии индивидуальные треки фитируются только по пространственным координатам зарегистрированных точек пролёта частицы. В этой части данные трекинга собираются в сегменты внутри каждого слоя, и далее эти сегменты соединяются таким образом, чтобы сформировать трек через все три области дрейфовых камер внутри одного сектора.

Процедура поиска сегментов использует набор известных сегментов, которые были получены путем численного моделирования. Такая же процедура используется для соединения сегментов в трек, но в этом случае используется набор треков. Комбинация сегментов отождествляется с треком, если подходящие сегменты были найдены хотя бы в пяти из шести слоев дрейфовой камеры.

Трек-кандидат затем интерполируется, используя центры ячеек дрейфовых камер как точки пролёта частицы, и из этого трека вычисляется импульс частицы. Из-за довольно малого размера ячеек дрейфовых камер и большого числа слоев с проволоками уже на этой стадии импульс может быть восстановлен с разрешением 3%+5%. Дополнительная информация об этих треках, получаемая из Черенковского счётчика, системы времени пролёта и электромагнитного калориметра, позволяет идентифицировать заряженную частицу и измерить её скорость.

Реконструкция времени старта. В экспериментах по электронному рассеянию не осуществляется прямого измерения времени начала события -времени старта, т.е. времени, когда произошло взаимодействие между рассеиваемым электроном и мишенью. Такая информация получается косвенным путём, идентифицируя первичный рассеянный электрон в событии и реконструируя время старта из измеренного времени пролёта первичного электрона. Определение времени старта может быть улучшено путём использования информации о высокочастотной модуляции электронного пучка. Сигнал, синхронный с приходом электронных банчей, записывается в поток данных. Этот сигнал имеет период -2 не, соответствующий времени задержки между следующими друг за другом банчами.

Сопоставление данных из разных подсистем. После завершения реконструкции треков, экстраполированные траектории сопоставляются с сигналами остальных подсистем детектора. Сигналы, найденные в остальных детекторах и расположенные вблизи экстраполированной траектории, ассоциируются с частицей, проходящей по этому треку.

Идентификация заряженных частиц. Заряженные адроны идентифицируются по информации, полученной из дрейфовых камер и систем времени пролёта. Эти два детектора позволяют вычислить р частицы с помощью измеренной длины траектории и времени пролёта.

Идентификация нейтральных частиц. Регистрация нейтральных частиц в детекторе CLAS производится с помощью электромагнитного калориметра, наличие сигнала в котором, при отсутствии подходящего трека в дрейфовых

камерах, представляет собой возможную нейтральную частицу. Такой сигнал анализируется с помощью программы реконструкции для извлечения параметра Р этой частицы. Поскольку траектория нейтральной частицы, очевидно, не изменяется под воздействием магнитного поля, то длина траектории может быть просто посчитана как расстояние между мишенью и местоположением сигнала, зарегистрированного в калориметре.

Процесс окончательной обработки. После окончания процесса калибровки детектора начинается процесс окончательный реконструкции всего массива набранных данных. Время, необходимое для реконструкции одного события, составляет приблизительно 50-100 мс на процессоре с тактовой частотой 600 МГц, что приводит к времени обработки всех собранных данных в ~100 раз больше, чем время сбора этих данных. Это прямое следствие чрезвычайной сложности детектора CLAS. Из-за огромного количества данных и сложности программы реконструкции особое внимание уделяется контролю процесса обработки данных с тем, чтобы определить возможные сбои программы или другие проблемы, могущие повлиять на качество окончательных результатов.

Во второй главе описывается электромагнитный калориметр для больших углов. В начале обсуждаются требования, предъявляемые к калориметру и задание его проектных характеристик исходя из стоящих перед ним задач:

а) Участие в конфигурации триггера первого уровня;

б) Детектирование- короткоживущих нейтральных частиц (л°,Г|,п\Л'), путем измерения энергии и направления фотонов распада;

в) Регистрация нейтронов посредством измерения времени пролёта.

Эти требования определили конструктивные особенности детектора:

• Высокое энергетическое разрешение;

• • Эффективность регистрации нейтронов 20-40%;

• Временное разрешениеДМ < 1 не.

С помощью численного моделирования была выбрана начальная конфигурация калориметра, представляющая собой многослойную структуру, составленную из свинцовой фольги и блоков сцинтилляторов (Рис. 2).

Выбор и тестирование материалов. Моделирование методом Монте-Карло показывает, что для получения униформного, в пределах 10%, отклика на всей площади калориметра необходимо иметь сцинтилляторы с длиной поглощения не менее 300 см и флуктуациями свойств передачи света (неоднородность материала, флуктуации характеристик поверхности) не больше 5%. Чтобы удовлетворить этим требованиям, Шотландской компанией "Nuclear Enterprise" (Эдинбург) был разработан новый тип пластикового сцинтиллятора - NE110A. Для проверки заданных характеристик была проведена серия тестов по измерению излучения света и его распространению внутри сцинтиллятора непосредственно на заводе производителя для каждого блока, использованного при строительстве LAC. Описывается экспериментальная установка для проведения тестов.

Приводятся результаты измерения длины поглощения и оценка количества фотоэлектронов. Показано, что неопределенность в калориметрии электромагнитных ливней определяется различными источниками. Наиболее важные из них: флуктуации коэффициента конверсии; флуктуации утечек света; квантовые флуктуации (фотоэлектронный эффект); флуктуации длины поглощения.

Рис. 2. Электромагнитный калориметер для больших углов. Показана структура в деталях (а) и формирование стека сцинтилляторов (в).

Система сбора и передачи света Для снижения эффекта неоднородности фотокатода световоды были склеены прежде, чем они были подключены к фотоумножителю. Таким образом, исключалась привязка отдельных сцинцилляторов к определенным участкам входного окна ФЭУ и, следовательно, фотокатода. Для повышения пространственного разрешения сцинтилляторы, расположенные во внутренней и внешней частях, присоединены к различным фотоумножителям (Рис. 3)

Рис. 3 Система сбора и передачи света калориметра больших углов. Импульс излучения собирается на обоих концах сцинтиллятора и передаётся по оптическим световодам. Собранный - свет суммируется отдельно для каждого стека прежде, чем он доставляется в фотоумножитель.

Монте-Карло симуляции показали, что работоспособность калориметра больших углов сильно зависит от эффективности системы светосбора и передачи излучения в фотоумножитель. В этой связи особое внимание было обращено к подбору сцинтилляторов и световодов высокого качества. В частности, были выбраны сцинтилляторы с длиной ослабления света больше чем 300 см и световоды, которые, будучи подключенными к фотоумножителю EMI 9945A, обеспечивают около 5 фотоэлектронов/МэВ.

Фотоумножители. Обсуждаются требования, предъявляемые к умножителям, исходя из необходимости получения следующей информации:

1. о величине заряда электрического импульса для реконструкции энергии электромагнитного ливня и его форме, что полезно для улучшения электрон-пионного разрешения;

2. о времени прихода сигнала, необходимое для разделения сигналов от двух или более частиц, попавших в калориметр, а также для отделения нейтронов от Y-квантов на основе времени пролета и измерения импульсов нейтронов

3. о полной сумме импульсов со всех стеков для определения полной энергии, оставленной частицей в калориметре. Эта энергия, превосходящая определенный порог, может использоваться в качестве триггера первого уровня в экспериментах электронного рассеяния.

По результатам тестов, подробно описанных в работе [3], в качестве ФЭУ для калориметра был выбран EMI 9954.

Тестирование калориметра в сборе. По завершении сборки первого модуля калориметра были проведены новые измерения времени распространения сигнала с использованием космических мюонов. Для этого в качестве триггера использовался сцинтилляционный счетчик с размерами 30x30x1 см, расположенный в фокусе модуля (т.е. в точке, соответствующей положению мишени в спектрометре CLAS), чтобы выбрать космические лучи, пронизывающие калориметр только через один стек. На Рис. 4 представлены средние величины оставленной энергии, измеренные с обеих сторон стека в зависимости от координаты взаимодействия. На рисунке также представлены средние величины, полученные для 8 сцинтилляторов одного стека во время предыдущей серии тестов/

Как видно из рисунка, согласие между двумя измерениями очень хорошее. Небольшое разхождение при х<15 см обусловлено различием в соединении ФЭУ и сцинтиллятора в этих двух измерениях: прямое соединение при первых тестах, и соединение через пластиковые световоды в окончательном варианте. Заполненными треугольниками на рисунке представлена полная энергия, оставленная в стеке и определяемая как спелнее геометрическое от измерений с двух сторон, умноженное на 2. {2^Е,Е1 ). Результат, как видно из рисунка, униформный в пределах 10%, как и требовалось. Непрерывная линия представляет собой подгонку функцией вида

где 1_ - длина сцинтиллятора, а - коэффициент отражения от противоположного конца, х - координата взаимодействия и X - длина поглощения.

(1).

position (cm)

Рис. 4. Экспериментальные значения положения пика MIP, полученные в ходе тестов с использованием космических мюонов, измеренные с обеих сторон одного стека (открытые треугольники и кружки) в зависимости от координаты взаимодействия вдоль сцинтиллятора. Заполненные треугольники показывают полную энергию, оставленную в стеке. Заполненные кружки - результаты, полученные во время тестов в Эдинбурге.

Третья глава посвящена описанию моделирования и реконструкции событий в калориметре больших углов.

Ранние расчеты методом Монте-Карло; использованные при разработке проекта и определения начальной конфигурации калориметра, не учитывали его связи с остальными системами детектора CLAS. Пакет программ, описывающий CLAS детектор как единое целое - GSIM (GEANT Simulation) -создавался и совершенствовался на протяжении нескольких лет. Библиотеки GEANT моделируют прохождение частиц через различные материалы, включая при этом все физические процессы, как, например, многократное рассеяние, потери энергии, рождение пар и ядерные взаимодействия. Используя эти библиотеки в качестве основы, было описано большое число геометрических объёмов для различных материалов, составляющих детектор CLAS, через которые затем моделировалось прохождение различных частиц. Заряженные частицы, кроме взаимодействия с веществом детектора, взаимодействуют также и с магнитным полем. Это магнитное поле описывается таким же образом, как и в программе реконструкции. Кроме очевидного требования, что описание активных объёмов детектора должны наиболее точно соответствовать реальным, для наиболее реалистичного воспроизведения свойств детектора оказалось необходимым включение описания также и целого ряда пассивных элементов поддерживающей структуры. Следует отметить следующие усовершенствования, внесенные в исходную версию программы:

• Учтено влияние амплитуды сигнала на время его регистрации (Time walk correction);

• Внесены поправки на длину поглощения;

• Внесены геометрические поправки, связанные с пространственным положением калориметра и наличием дополнительных пассивных объёмов;

• Введено определение коэффициента конверсии ДРО-энергия;

• • Введены эффекты фотоэлектронной статистики.

Для учёта эффектов поглощения и отражения света внутри сцинтилятора в соответствии с экспериментально обнаруженными зависимостями [2] к процессу, описывающему формирование выходного сигнала калориметра, был добавлен экспоненциальный коэффициент (1).

Использование такой коррекции с величиной а=0.45 и фиксированной длиной поглощения Я=350 см. помогло наиболее реалистично воспроизвести свойства калориметра.

Четвёртая глава посвящена описанию процедуры калибровки и мониторинга детектора.

Калибровка по энергии. Процедура калибровки калориметра с использованием космических лучей, использованная в процессе его сборки и стендовых испытаний и описанная выше, оказалась неприемлемой после установки калориметра в экспериментальном зале. Это связано с тем, что угловое распределение космических мюонов, достигающих земной поверхности, пропорционально С052(6), где 8 - азимутальный угол, измеряемый от вертикали, в то время, как модуль 1 калориметра больших углов расположен вертикально, и время набора необходимой для калибровки статистики оказывается неоправданно высоким. Описывается разработанный и реализованный автором альтернативный метод калибровки с использованием данных, полученных во время физических сеансов на пучке.

Калибровка по времени. Первый шаг заключается в выравнивании временного отклика каждой четвёрки ФЭУ, присоединённых к противоположным концам двух взаимно перпендикулярных стеков. Для этого используются сигналы от минимально ионизирующих частиц. Показано, что процесс выравнивания временного отклика калориметра эквивалентен нахождению величин 512-ти констант (по одной для каждого ФЭУ), которые обеспечивают

среднее значение распределений

равное нулю отдельно для внутреннего и внешнего модуля,

минимизируя при этом ширину этих распределений.

Для фиксации То используется время пролёта гамма квантов, образующихся в распаде я0., Фотоны-кандидаты выбирались в реакции ер-*е'рХ с недостающей массой, равной массе 71°, на совпадении с регистрацией нейтральной частицы в калориметре больших углов. Затем, оценивая величину Р=1/сН , где I - длина прямой траектории от центра мишени до реконструированной точки входа в калориметр, получаем величину То из условия, что среднее распределения /3 приходится на 1.

Мониторинг калориметра в реальном времени. При длительных и прецизионных измерениях большое значение имеет мониторинг различных параметров измерительной установки. В нашем случае это осуществляется на двух уровнях:

яу и № - АЮ, где II = +/,,,) и

1. посредством "медленного контроля" за высоким напряжением на каждом ФЭУ с использованием возможностей, предоставляемых управляемыми блоками питания CAEN, 2 посредством реконструкции и отображения в реальном времени на экране оператора таких характеристик детектора, как количество событий в единицу времени в каждой ячейке, энергетическое и временное распределение сигналов, зарегистрированных каждой ячейкой. Такой подход позволяет оперативно локализовать проблемные области и предпринять необходимые корректирующие действия.

В пятой главе описывается изучение эффективности калориметра на

пучке.

Отклик на ионизирующие частицы. Протоны, зарегистрированные детектором d_AS и используемые в описываемом методе анализа, образуются в процессах неупругого рассеяния электронов на мишени из жидкого водорода. Они отбираются по информации из системы времени пролета (SC) и дрейфовых камер (DC) сопоставлением скорости ß и импульса зарегистрированной частицы. На Рис. 5 представлены средние значения по интервалу импульса 50 МэВ, полученные из аналогичного распределения отдельно для внутренней и внешней зон калориметра. Как видно из рисунка, эти данные хорошо соотносятся с результатами Монте-Карло моделирования.

Protons In LAC

S 1(0

а

S

• 140

U

</!

t 120

®

O

100 80 60 40

OB •> 1 11 1.2 13

-p», Gey

Рис. 5. Энергия, оставленная протонами в Калориметре Больших Углов, как функция импульса, отдельно для внутренней (кружки) и внешней (квадраты) зон в сравнении с результатами Монте-Карло моделирования (треугольники и ромбы соответственно).

Протоны с моментом меньше 0.6 ГэВ/с полностью поглощаются либо в сцинтилляторах системы времени пролета, находящихся непосредственно перед калориметром, либо в лицевой части структуры поддержки самого калориметра, и, как следствие, им не детектируются. Протоны с моментами вплоть до 1 0 ГэВ/с полностью останавливаются (поглощаются) калориметром, в то время как протоны с более высокими импульсами оставляют в калориметре только часть своей энергии, которая при очень высоких энергиях приближается к своему асимптотическому значению в 106 МэВ. Эта величина

14

1 1 " ' ! ' " 1 " ■ ■

I о Е In ml [ О E'out its) '-----í— t_ii>

¡

' 5 1 О 1 b > 1 ■ 1

1 lü! ® [. 's

: I i b b o ! *

♦ : 1 ■ . .4 . 1 . . . . ...........

соответствует энерговыделению минимально ионизирующих частиц в Калориметре Больших Углов.

Форма зависимости энерговыделения от импульса, а также ширина этого распределения находятся в хорошем согласии с расчетами по методу Монте-Карло.

Оценка временного разрешения проведена исходя из ширины распределения ß для зарегистрированных у-квантов, которая принимается равной ширине гауссиана, наилучшим образом описывающим это распределение. Считая, что среднее расстояние до мишени составляет примерно 4 м и 00=2.6%, получаем, что эта величина соответствует временному разрешению ot =250 пс и находится в хорошем соответствии с результатами, полученными в ходе предварительных тестов с космическими лучами.

Регистрация у-квантов и реконструкция распада я°

Масса я0, реконструированная путём регистрации фотонов распада, позволяет количественно оценить качество калибровки и эквализации калориметра, поскольку любая неточность в калибровке будет проявляться как неправильное среднее значение и большая ширина распределения реконструированной массы Для того, чтобы убедиться в корректности процедуры калибровки, описанной в предыдущей главе, мы выбирали события из реакции- ер—*е'ууХ с одним фотоном, детектированным в переднем калориметре, и одним в калориметре больших углов. Нейтральные частицы определялись по отсутствию соответствующих им треков в дрейфовых камерах, у-кванты, регистрируемые калориметром больших углов, как правило, соответствуют низкоэнергетическим пионам, испускающим два фотона с большим углом разлёта в«; поэтому на события-кандидаты накладывалось требование наличия нейтрального события в LAC и второго нейтрального события - в другом модуле LAC или в любом модуле ЕС.

Масса я0 вычислялась по измеренным энергиям у-квантов Ei, Ег и углу между направлениями их разлёта в соответствии с формулой М% =2JT,£2(I-cos0b).

Реконструированная масса Мпо, как показано на Рис. 6, имеет пик при правильной энергии и ширину распределения о=28%, что находится в хорошем соответствии с результатами численного моделирования. Приведенные данные соответствуют пучку электронов с энергией 4 ГэВ на мишени из жидкого дейтерия.

Разделение у-квантов и нейтронов. Калориметр больших углов проектировался как инструмент, обеспечивающий высокую эффективность регистрации нейтронов. Монте-Карло моделирование предсказало ожидаемую эффективность >20% для нейтронов с импульсом больше, чем 0.7 ГэВ/с. Нейтроны в LAC распознаются также как и у-кванты по сигналу в калориметре при отсутствии трека в дрейфовых камерах и отделяются от у-квантов на основе измеренного времени пролёта с отсечкой по р<0.95.

I xVmtf 53ГТТГ

I Сими* 77.«* ; J.Kl

IN« • |,QM-tt

I ' IJW« >11 I.ISHI-O

ФУШш

/У. i____i____i____i____i____i. .. i.... i____i____

Рис. 6. Реконструированная инвариантная масса для двух фотонов из реакции ер-*е'ууХ с одним фотоном в модуле LAC.

Для изучения отклика калориметра нейтронные кандидаты выбирались из реакции фоторасщепления дейтрона yd—»pX при условии, что недостающая масса находится ниже порога рождения пионов, и направление импульса недостающей частицы соответствует геометрическому аксептансу двух модулей калориметра больших углов. Для этого использовались данные, полученные на пучке меченых фотонов с максимальной энергией 4 ГэВ на мишени из жидкого дейтерия. При таких энергиях нейтроны, регистрируемые калориметром, в основном образуются в эксклюзивной реакции yd—»pn. Нейтронный импульс при этом изменяется в пределах от 0.7 до 1.5 ГэВ/с. Проведено сравнение между импульсом нейтронов, восстановленным из времени пролёта, и недостающим импульсом нейтронных кандидатов.

Центр распределения относительной разности (?, - Рх )/Р„ попадает в ноль, что подтверждает корректность процедуры отбора нейтронных кандидатов, а ширина этого распределения имеет такую же зависимость, как и предсказанная в Монте-Карло расчётах (Рис. 7).

Эффективность регистрации нейтронов в калориметрах детектора CLAS измерялась посредством реакции ер—>еп*п, в которой регистрировались рассеянный электрон и пион, и недостающая масса соответствовала массе нейтрона.

Как видно из Рис. 8, эффективность калориметра больших углов по регистрации нейтронов идентична эффективности переднего калориметра в области нейтронных импульсов < 1 ГэВ/с. Выше этой энергии оценить эффективность калориметра больших углов таким методом не удаётся, поскольку диапазон измеренных импульсов для LAC меньше, чем для ЕС в силу того, что угловое распределения выбранной реакции направлено преимущественно вперёд.

-I '—1—1— —• 1 —Г ' 1 1—

О Experiment А Monto^arfo

< >

Л* *

. * * * • в 1 . 1 1 1

Neutron Momentign (GeV/c)

Рис. 7. Относительная ширина разности между нейтронным импульсом, восстановленным из времени пролёта (LAC) и недостающей массы в реакции yd-*pX, как функция импульса нейтрона. Светлые точки экспериментальные данные; темные точки: расчет по методу Монте-Карло.

Рис. 8. Эффективность регистрации нейтронов в калориметрах детектора CLAS. Диапазон измеренных импульсов для LAC меньше, чем для ЕС, в силу углового распределения выбранной реакции (е+р —» е+я'+п).

Чтобы оценить эффективность LAC для нейтронных импульсов выше 1 ГэВ/с, мы посчитали отношение числа нейтральных сигналов в LAC к числу нейтронных кандидатов, попадающих в тот же телесный угол. Экспериментальные данные и результаты Монте-Карло моделирования представлены на Рис. 9. Как видно из этого рисунка, мы имеем хорошее согласие расчета и эксперимента во всем исследованном интервале импульсов.

Рис. 9 Эффективность регистрации нейтронов как функция нейтронного импульса. Кресты: экспериментальные данные; темные точки: расчет по методу Монте-Карло.

В Заключении сформулированы основные результаты диссертации:

Разработаны методы и пакет программного обеспечения для проведения энергетической и временной калибровки калориметра с использованием данных о высокоэнергетических пионах, испускаемых на большие углы и получаемых в ходе физических сеансов с использованием электронного или фотонного пучков;

Разработаны метод и пакет программного обеспечения для мониторинга калориметра в режиме реального времени;

Измерены эффективности регистрации заряженных (пионов и протонов) и нейтральных (у-квантов и нейтронов) частиц. Показано, что измеренные величины находятся в хорошем соответствии с предсказанными в расчетах по методу Монте-Карло;

Измерены энергетическая и координатная разрешающие способности. Показано, что энергетическое разрешение для электромагнитных ливней может быть параметризовано как

<т(Е) _ (7.5 ±0.2)%

Показано, что количественная оценка энергетической калибровки калориметра может быть проведена путем восстановления инвариантной массы л° из двухфотонного распада;

Показано, что калориметр обладает временной разрешающей способностью, отвечающей требованиям программы экспериментов. Для нейтронов с импульсом • выше 0.7 ГэВ/с эффективность регистрации составляет 20% и выше, а временное разрешение - 260 пс, что обеспечивает надежное разделение нейтронных и фотонных событий.

Список литературы

[1] MAnghinolfi, H.Avakian, MBattaglieri, N.Bianchi, GP.Capitani, P.Corvisiero, A.Deppman, E.DeSanctis, V.Giourjian, P.LeviSandri, A.Longhi, S.Mansanta, V.LMokeev, VMuccifora, M.Olcese, E.Polli, A.R.Reolon, GRicco, M.Ripani, P.Rossi, M.Sanzone, V.Sapunenko, M.Taiuti, and A.Zucchiatti, THE CLAS LARGE ANGLE CALORIMETER // VI International Conference on "Calorimetry in High-Energy Physics", Laboratori Nazionale di Frascati - INFN June 814,1996, Frascati Physics Series vol.VI (1996) p.201

[2] P. Rossi, E. Polli, M. Albicocco, H. Avakian, N. Bianchi, GP. Capitani, A. Deppman, E. De Sanctis, V. Gyurdzhian, P. Levi Sandri, S. Mansanta, M. Mirazita, V. Muccifora, A.R. Reolon, M. Taiuti, A. Rottura, M. Anghinolfi, M. Battaglieri, P. Corvisiero, E. Golovach, A. Longhi, V.I. Mokeev, M. Olcese, G Ricco, M. Ripani, M. Sanzone, V. Sapunenko, R.Morandotti, PERFORMANCES OF THE LONG PLASTIC SCINTILLATOR BARS FOR THE CLAS LARGE ANGLE CALORIMETER// Nucl. Instr. and Meth. А381 (1996) 32-38

[3] M. Ripani, M. Anghinolfi, M. Battaglieri, M. Castoldi, P. Corvisiero, A. Longhi, A. Rottura, M. Taiuti, H. Avakian, A. Deppman, V. Giurdjian, F. Ronchetti, P. Rossi, E. Golovach, V. Mokeev, V. Sapunenko, E. Shirokov, CHOICE AND TEST OF THE PHOTOMULTIPLIERS FOR THE LARGE ANGLE ELECTROMAGNETIC SHOWER CALORIMETER ON THE CLAS DETECTOR AT CEBAF // Nucl. Instr. and Meth. A406 (1998)403-410

[4] M. M.Anghinolfi, M.Battaglieri, P.Corvisiero, R.De Vita, E.Golovach, A.Longhi, V.Mokeev, GRicco, M.Ripani, V.Sapunenko, M.Taiuti, ILAvakian, N.Bianchi, E. De Sanctis, V.Gyuriyan, V.Muccifora, M.Mirazita, E.Polli, A.R.ReoIon, F.Ronchetti, P.Rossi, RESPONSE TO COSMIC RAYS OF THE LARGE-ANGLE ELECTROMAGNETIC SHOWER CALORIMETER OF THE CLAS DETECTOR // Nucl. Instr. and Meth. A447 (2000) 424-431

[5] B.A. Mecking, G Adams, S. Ahmad, E. Anciant, M. Anghinolfi, B. Asavapibhop, G Asryan, G Audit, T. Auger, H. Avakian, J.P. Ball, F.J. Barbosa, S. Barrow, M. Battaglieri, K. Beard, B.L. Berman, N. Bianchi,

S. Boiarinov, P. Bonneau, WJ. Briscoe, W.K Brooks, V.D. Burkert, D.S. Carman, T. Carstens, C. Cetina, S.B; Christo, RL. Cole, A. Coleman, J. Connelly, D. Cords, P. Corvisiero, D. Crabb, H. Crannell, R.C. Cuevas, P.V Degtyarenko, L. Dennis, E. DeSanctis, R. DeVita, J. Distelbrink, GE. Dodge, W. Dodge, G Doolittle, D. Doughty, M. Dugger, W.S. Duncan, S. Dytman, H. Egiyan, K.S. Egiyan, L. Elouadrhiri, RJ. Feuerbach, J. Ficenec, V. Frolov, H. Funsten, GP. Gilfoyle, K.L. Giovanetti, E. Golovatch, J. Gram, M. Guidal, V. Gyujan, D. Heddle, P. Hemler, F.W. Hersman, K. Hicks, R.S. Hicks, M. Holtrop, C.E. Hyde-Wright, D. Insley, M.M. Ito, G Jacobs, D. Jenkins, K. Joo, D. Joyce, D. Kashy, M. Khandaker, W. Kim, A Klein, F.J. Klein, M. Klusman, M. Kossov, L. Kramer, V. Koubarovski, S.E. Kuhn, A. Lake, D. Lawrence, A. Longhi, K. Lukashin, J. Lachniet, R.A. Magahiz, W. Major, JJ. Manak, C. Marchand, C. Martin, S.K Matthews, M. McMullen, J.W.C. McNabb, M.D. Mestayer, R. Minehart, M. Mirazita, R. Miskimen, V. Muccifora, J. Mueller, L.Y. Murphy, GS. Mutchler, J. Napolitano, I. Niculescu, B.B. Niczyporuk, M. Nozar, J.T. O'Brien, A.K. Opper, J.E. O'Meara , E. Pasyuk, S.A. Philips, E. Polli, J.W. Price, S. Pozdniakov, L.M. Qin, B.A. Raue, G Riccardi, G Ricco, C. Riggs, M. Ripani, B.G Ritchie, J. Robb, F. Ronchetti, P. Rossi, F. Roudot, C. Salgado, V. Sapunenko, RA. Schumacher, V.S. Serov, Y.G Sharabian , E.E.S. Smith, L.C. Smith, T. Smith, D.I. Sober, A. Stavinsky, S. Stepanyan, P. Stoler, M. Taiuti, W.M. Taylor, S. Taylor, DJ. Tedeschi, U. Thoma, R. Thompson, D. Tilles, L. Todor, T.Y. Tung, W. Tuzel, M.F. Vineyard, A.V. Vlassov, L.B. Weinstein, RE. Welsh, D P. Weygand, GR. Wilkin, M. Witkowski, E. Wolin, A. Yegneswaran, P. Yergin , J. Yun, THE CEBAF LARGE ACCEPTANCE SPECTROMETER // Nucl. Instr. and Meth. A503 (2003) 513-553

Сапуненко Владимир Викторович

ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ КАЛОРИМЕТР ДЛЯ БОЛЬШИХ УГЛОВ ДЕТЕКТОРА

СLAS

Специальность 01.04.16 - физика атомного ядра и элементарных частиц

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Подписано в печать 12.01.2004 г. Формат 60x90, 1/16. Объем 1,25 п.л. Тираж 100 экз. Заказ № 4

Отпечатано в ООО "Фирма Блок" 107140, г. Москва, ул. Русаковская, д. 1. т. 264-30-73 \vww.blok01 centre.narod.ru Изготовление брошюр, авторефератов, переплет диссертаций,

-1 3 1 г

РНБ Русский фонд

2004-4 26701

Введение.

Программа физических экспериментов и детектор CLAS.

Основные характеристики детектора CLAS.

Постановка задачи.

Глава I Описание экспериментальной установки.

Ускоритель.

Детектор (Спектрометр CLAS).

Тороидальный магнит.

Дрейфовые камеры.

Черенковский счётчик.

Электромагнитные калориметры.

Система времени пролёта.

Система сбора данных.

Обработка данных.

Калибровка детектора.

Реконструкция событий.

Реконструкция треков заряженных частиц.

Реконструкция времени старта.

Сопоставление данных из разных подсистем.

Идентификация заряженных частиц.

Идентификация нейтральных частиц.

Процесс окончательной обработки.

Глава II Электромагнитный калориметр для больших углов.

Определение проектных характеристик.

Проектирование калориметра.

Выбор и тестирование материалов.

Измерение длины поглощения.

Оценка количества фотоэлектронов.

Время распространения светового импульса в блоке сцинтиллятора

Система сбора и передачи света.

Фотоумножители.

Электроника.

Тестирование калориметра в сборе.

Глава III Моделирование и реконструкция событий.

Коррекции времени.

Коррекции амплитуды.

Реконструкция событий.

Определение коэффициента конверсии ADC-энергия.

Оценка энергетического и временного разрешения.

Глава IV Калибровка и мониторинг детектора.

Калибровка по энергии.

Калибровка по времени.

Мониторинг калориметра в реальном времени.

Глава V Изучение эффективности калориметра на пучке.

Отклик на ионизирующие частицы.

Отклик на электромагнитные ливни.

Оценка временного разрешения.

Регистрация у-квантов и реконструкция распада к0.

Разделение у-квантов и нейтронов.

Эксперименты по электронному и фотонному рассеянию на адронных мишенях оказывали и оказывают определяющее влияние на развитие и расширение наших представлений о строении вещества. Обычно в таких экспериментах для регистрации рассеянного электрона используют магнитные спектрометры, покрывающие сравнительно небольшие телесные углы (порядка нескольких мер). Принципиальное преимущество таких спектрометров заключается в высокой разрешающей способности и относительно низкой чувствительности к побочным процессам, поскольку детектор в таких системах располагается, как правило, в зонах, хорошо защищенных от пучка. Однако очевидным недостатком таких аппаратов является низкий аксептанс как по телесному углу, так и по импульсу. Таким образом, на практике такие эксперименты ограничены одновременной • регистрацией двух (трёх в некоторых специальных случаях) частиц. Кроме того, случайные совпадения существенно ограничивают возможность выделения некоторых каналов в фазовом пространстве, где регистрируемые частицы не сильно коррелированны. Следует отметить, что для набора достаточной статистики из-за очень низкого аксептанса необходимо использование сильноточного пучка, что, в свою очередь, накладывает существенные ограничения на материал и свойства мишени. Высокая эффективность регистрации конечных продуктов электронного рассеяния также необходима в экспериментах с несколькими частицами в конечном состоянии, типичными примерами которых являются рождение возбужденных мезонов и барионов. Для получения более подробной информации о структуре нуклонов и ядер необходимо изучение эксклюзивных каналов. Например, исследование возбужденных состояний нуклонов требует надёжного определения спина, четности и изоспина, что может быть достигнуто путем изучения их каналов распада, для чего в свою очередь необходимо проведение эксклюзивных измерений.

Все перечисленные выше ограничения успешно преодолеваются при использовании так называемых 4тс-детекторов. Такого типа детекторы обычно используются в сочетании с пучками меченых фотонов - например TAGX [1], SAPHIR [2], и DAPHNE [3]. Мгновенная интенсивность пучка изп за случайных совпадений ограничена величиной в -10 меченых фотонов в секунду и приводит к сравнительно низкому фону при использовании 4л;-детекторов.

Таблица 1. Детекторы большого аксептанса в экспериментах электронного рассеяния

Установка Е (ГэВ) DW (ср) 5р/р (FWHM) L (cm'V)

DESY 7 «371 4-10'3 1.5-10"31

Cornell 12 «2.5тг 2-10"2 3.2-10"32

Bonn 2 0.5 3-Ю"2 1.8-10"34

В экспериментах электронного рассеяния на неподвижной мишени нет таких простых ограничений, однако светимость, приемлемая для 4тг-детекторов, будет ограничена другими факторами, например высоким электромагнитным фоном, который приводит к перегрузке элементов детектора. В качестве примеров 47г-детекторов (детекторов большого аксептанса), работающих с электронным пучком, можно привести детектор LAME, который работал на 12-ти ГэВ-ом синхротроне в Корнелл с мгновенной светимостью 3.2-1032 cm"V, а также детектор HERA,

31 2 1 работающий со светимостью в 5-10 см" с" на поляризованной мишени (ограничено практически достижимой плотностью мишени) и 4-1032 cm'V1 на неполяризованных мишенях.

Для решения этих задач необходимо совместно использовать детектор большого аксептанса и ускоритель непрерывного действия, обладающий большой интенсивностью пучка. Такая экспериментальная установка позволит изучать как эксклюзивные реакции, связанные с рождением многих частиц в конечном состоянии, так и инклюзивные и семиинклюзивные процессы, одновременно покрывая широкую кинематическую область в одном эксперименте.

В прошлом основными препятствиями в реализации детекторов большого аксептанса были технические и технологические проблемы, достаточно сложные для небольших научных групп, занимавшихся проблемами промежуточных энергий. Произошедшие за последние 20 лет значительные успехи в развитии электронных ускорителей непрерывного действия, технологии регистрации частиц привели к усилению интереса физического сообщества к физике промежуточных энергий и к формированию крупных интернациональных коллективов, способных реализовывать крупные проекты.

Введение в строй нового электронного ускорителя непрерывного действия, построенного в лаборатории им. Джефферсона (Jefferson Lab, USA) обладающего рекордными параметрами пучка (см. табл. 2), открыл качественно новые возможности для исследований в области физики

Таблица 2. Характеристики ускорителя CEBAF

Максимальная энергия 5.7 ГэВ

Максимальный ток 200 мкА

Степень поляризации 80%

Разброс по энергии ЛЕ/Е <10"4 сильных взаимодействий. Еще до экспериментов в JLAB в мире были накоплены обширные данные о динамике сильных взаимодействий при высоких энергиях (десятки-сотни ГэВ), соответствующих шкале расстояний

10"1:>см. Экспериментальные данные по глубоко неупругому рассеянию электронов, е+е" - аннигиляции с рождением адронов позволили в 70-80 годы создать фундаментальную калибровочную теорию сильных взаимодействий -калибровочную хромодинамику (КХД) [4]. Квантовая хромодинамика сводит всё многообразие сильных взаимодействий к фундаментальным процессам, в которых цветные кварки обмениваются калибровочными частицами -переносчиками сильного взаимодействия - глюонами (Рис. 1а). Амплитуда этого процесса пропорциональна "бегущей" константе сильного взаимодействия as, её пространственно-временная функция идентична электромагнитной. а) б) в)

Рис. 1. Фундаментальные механизмы сильного взаимодействия: а) взаимодействие кварков с глюонами, б) тройная глюонная вершина, в) четверная глюонная вершина.

Кардинальные отличия механизмов сильного взаимодействия от других фундаментальных взаимодействий определяется т.н. "самодействием" глюонов. Глюоны, в отличие от фотонов, обладают "зарядом" - цветом и взаимодействуют друг с другом как показано на Рис. 16,в. Амплитуды этих взаимодействий также пропорциональны бегущей константе сильного взаимодействия as. Наличие дополнительных вершин (Рис. 16,в) приводит к совершенно отличному поведению бегущей константы сильного взаимодействия as в зависимости от расстояния, по сравнению с эффективной константой электромагнитного взаимодействия еет. Константа as

2 13 1 уменьшается с расстоянием от единицы (А —10" см - размер нуклона) до 10"

2 IS

A ~ 10" см). Это явление получило название асимптотической свободы кварков на малых расстояниях (<10~15см), и конфаймента кварков на больших (~10"13см).

На малых расстояниях кварки и глюоны слабо взаимодействуют друг с другом. Амплитуды сильных процессов могут быть рассчитаны в рамках фундаментальных механизмов КХД в виде разложения по степеням (as)N и сопоставлены с экспериментом.

1.5 1

0.5

0 1,5 1

0.5 0 1.5 1

0.5 О х = хЗ.ооооэ г У x = g<6aoi3 г У .

X = 0.0005

I I I 111 il I I м I п

X = 0.0032 ""I■ .

J■ .I ■ ' И"

X = 0.0008,' uiiL

X = 0.005 mi.

X = 0.Р002 У nxiL

Х= 0.0013

X = 0.008 гI III mil.Ill

X = 0.00032 У

Mill

X = 0.002

I I ' Ml.llI I I mill С о ей О

XJ — о О

•HI 96-97 □QCD fit (H1) -P2(lnQ2) 1

10

10

10

Qz/GeV®

2 2 2 Рис. 2. Структурные функции протона F (x,Q ) , как функция Q для различных значений (интервалов) х (точки). Непрерывная линия

2 2 2 представляет подгонку полиномом Р (x,Q ) = а(х) + b(x) InQ +

2 2 c(x)(lnQ ) Пунктир - расчеты по КДХ (NLO QCD fit) данных HI для Q2 > 3.5 GeV2 )

На Рис. 2 сравниваются экспериментальные данные по структурным функциям глубоконеупругого инклюзивного рассеяния электронов Fa(x,(f) [5], полученных на ускорителе HERA, (Германия) с результатами расчетов этих функций в рамках фундаментальных механизмов КХД. Как следует из приведенного на Рис. 2 сравнения, КХД хорошо описывает инклюзивные данные по глубоконеупругому рассеянию в исключительно широкой области

2 15 малых расстояний (А <10" см), отвечающей изменению энергии виртуального фотона от 30 до 5000 ГэВ . Поскольку инклюзивный процесс является суммой всех возможных реакций, столь хорошее описание экспериментальных данных в столь большом диапазоне малых расстояний однозначно подтверждает статус КХД как фундаментальной теории сильных взаимодействий и блестяще иллюстрирует возможности КХД описывать сильные взаимодействия на малых расстояниях. см

Ll. О

К=0л0«и*-0.0см08 с,=4в Cj-35

-0.00013

10

1 Г

Н1 96-97 Н1 94-97 high Q* тс

10

10

QCD Fit (Н1) QCD Fit (H1+BCDMS) extrapolated Fits

10' о rs jra о О

Q/GeV

2 2

Рис. 3. Протонные структурные функции F (x,Q ) измеренные в HI и NMC экспериментах.

Иная ситуация имеет место в области расстояний, соответствующих переходу между конфайнментом и асимптотической свободой кварков (10"13

2 1S

A <10" см). Как отмечалось выше, бегущая константа as растёт с увеличением расстояния и в переходной области становится сравнимой с единицей. В результате оказывается невозможным выполнить расчеты амплитуд сильных процессов в пертурбативной теории возмущений, т.к. ряд по степеням (as)N быстро теряет сходимость. Это означает, что динамика сильного взаимодействия становится существенно непертурбативной. В нее даёт вклад множество механизмов, которые хотя и сводятся к фундаментальным КХД процессам, но не могут быть надежно предсказаны. Это означает, что для понимания природы непертурбативных сильных взаимодействий необходимо как можно более широкие экспериментальные данные по совокупности реакций, формирующих различные конечные адронные состояния.

Программа физических экспериментов и детектор CLAS

Наличие в JLAB непрерывного пучка электронов с рекордными параметрами и детектора большого аксептанса CLAS [6], построенного при тесной кооперации ученых из 16-ти стран, открыло качественно новые возможности для исследования непертурбативных сильных взаимодействий в полной совокупности эксклюзивных каналов реакций с фотонами и электронами. Центральной задачей обширной программы экспериментов, выполняемой на детекторе CLAS международной коллаборацией, является изучение структуры адронов, динамики сильных взаимодействий и их эволюции с расстоянием в области перехода от конфаймента к асимптотической свободе кварков [7]. Это новое и приоритетное направление в современной физике сильных взаимодействий. Отличительной особенностью экспериментов на детекторе CLAS является использование в качестве частиц-зондов реальных и виртуальных фотонов, являющихся калибровочными частицами КЭД. Динамика их формирования и взаимодействие во входном канале реакции хорошо известна и описывается рамках КЭД. Эти обстоятельства обеспечивают преимущество в интерпретации данных реакции с реальными и виртуальными фотонами. Фоновые условия эксперимента также обеспечивают преимущества сравнительно с пучками адронов.

Можно выделить следующие основные направления исследований структуры адронов и динамики сильных взаимодействий в экспериментах на детекторе CLAS:

• Исследование структуры возбужденных состояний нуклона N и её эволюция с расстоянием (10"13 <А2<10"15см);

• Исследование партонных распределений в нуклоне в области больших значений Бьёркеновской переменной х (х>0) и малых

2 2 виртуальностей фотона (Q <4.0 ГэВ ) в инклюзивных процессах и семиинклюзивном рождении мезонов;

• Исследование конкуренции жестких и мягких механизмов сильного взаимодействия в эксклюзивных каналах рождения мезонов;

• Исследование новых типов структурных функций нуклона GPD в эксклюзивных и семиинклюзивных реакциях.

Программа физических экспериментов требует создания детектора, способного одновременно измерять все кинематически открытые каналы реакции под действием реальных и виртуальных фотонов на нуклоне и атомных ядрах. Детектор должен позволять регистрировать все частицы конечного адронного состояния в диапазоне углов, близкому к 4л. Регистрация событий должна производиться в режиме событие-за-событием с определением типов частиц и их четырёх импульсов в каждом событии.

Это качественно новые требования, которым не удовлетворяют существующие в мире детекторы, используемые как в физике средних, так и в физике высоких энергий.

Ниже представлены отдельные результаты последних экспериментов, выполненных на детекторе CLAS. Все эти эксперименты требовали измерения различных многочастичных эксклюзивных каналов в области перекрываемых углов эмиссии конечных частиц, близкой к 4я. Поэтому, использование детектора CLAS обеспечивало либо преимущественные, либо единственные возможности исследования таких процессов.

Современные модели барионов в рамках общих принципов симметрии предсказывают наличие значительно большего числа возбужденных состояний нуклона N , чем обнаружено во всех выполненных экспериментах с пучками адронов, фотонов и электронов. Поиск таких необнаруженных состояний, названных "гш55/^"-резонансами, является приоритетной задачей адронной спектроскопии. Возможной причиной того, что "missing"-резонансы не были обнаружены, может быть малая вероятность их распада на конечные состояния с одиночным пионом. Современные данные по N* до экспериментов на детекторе CLAS были ограничены данными по жЫ рассеянию, фото- и электро- рождению одиночных пионов. В таких реакциях наблюдать нуклонные резонансы N, имеющие малую вероятностью распада на однопионные конечные состояния, достаточно сложно. Согласно кварковым моделям [8], вероятность распадов "гш55/>^"-резонансов на состояния с двумя пионами значительно больше вероятности однопионного распада. Электромагнитные формфакторы "missing" и обнаруженных возбуждений нуклона ожидаются сравнимыми. Это делает перспективным поиск "missing" состояний в реакциях рождения пар пионов реальными и виртуальными фотонами.

В последних экспериментах, проведенных коллаборацией CLAS [9], были выполнены детальные измерения сечений рождения виртуальными фотонами пар заряженных пионов на протоне. Данные получены для инвариантных масс конечной адронной системы с ^<2.1 ГэВ, 2 перекрывающей всю область энергий возбуждения N. Q виртуального фотона при этом изменялась от 0.5 до 1.5 ГэВ. Целью исследований являлся

12 поиск "m/jjmg"-pe30HaHC0B и измерение электромагнитных формфакторов высоколежащих возбуждений нуклона с массами более 1.6 ГэВ.

На Рис. 4 Приведены данные по Ж-зависимости интегрированных сечений реакции у„р-^>ж+ж~р при нескольких значениях Q2. Для каждой пары величин (W.Q2), показанных на рисунке 3, были получены наборы дифференциальных сечений, описывающих трёхчастичное конечное состояние; распределения по инвариантным массам систем (7г+ж~), (ж/?), dt dt — dt

-,-и угловые распределения для угла эмиссии ж мезона--. dM + dM dQ,

X X п* р "

Анализ этих данных был выполнен в рамках феноменологической модели описания рождения ж+ж~ пар реальными и виртуальными фотонами [10,11], развитой в коллаборации МГУ(Россия) - JLAB(CIUA) - ГГчГРТчГ(Италия). 30

7 25

20

15

10 5 0

1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 2.1

W Or.'

Рис. 4. W-зависимости интегрированных сечений реакции yvp—>я+71-р при нескольких значениях Q2.

В настоящее время этот подход является уникальным для исследования рождения пар пионов при W>1.6 ГэВ. Модель [10,11] связывает электромагнитные формфакторы N* с измеренными сечениями, позволяя извлечь формфакторы из условия наилучшего воспроизведения полной совокупности экспериментальных данных.

В Ж-зависимости интегральных сечений реакции yvp^niiip впервые наблюдалась структура при W около 1.7 ГэВ для всех значений виртуальностей фотона Q2. Эта структура не могла быть описана вкладом только известных возбуждённых состояний нуклона (пунктир на Рис. 4). В результате эта структура была идентифицирована как новое барионное состояние 3/2+(1720), представляющее собой не что иное, как "missing"-резонанс. Таким образом, последние эксперименты по изучению эксклюзивного ж к канала привели к обнаружению первого "missing"-резонанса.

Исследования многочастичных состояний каонов в реакциях с реальными фотонами позволили обнаружить сигнал от нового, не наблюдавшегося ранее состояния адронной материи - пятикваркового образования, названного "пентакварком" [12]. На Рис. 5 приведены экспериментальные данные спектру инвариантных масс системы пК со странностью S=+l, для двух реакций, изучавшихся в экспериментах на детекторе CLAS yd pK'NK УР —> А~7Г+ tC п

В обеих реакциях протекающих на разных мишенях и происходящих за счет совершенно различных механизмов, в спектрах инвариантных масс наблюдается узкий пик при массе около 1.542 ГэВ с шириной меньше 21 МэВ, определяемой аппаратным разрешением. Этот пик идентифицирован как образование и последующий распад по каналу пК новой частицы 0 (1542). Необычность этой частицы заключается в том, что измеренная ширина распада оказалась меньше ширины резонансов с аналогичным энерговыделением. Странность такой частицы S=+ 1, а значит, она не может быть составлена из трех кварков. В солитонной модели [13] было предсказано существование антидекуплета адронов с 5-кварковой

14 конфигурацией uudds . Предсказанная масса этих частиц составляет 1530 МэВ, что находится в хорошем соответствии с обнаруженными пиками в системе пК\

Рис. 5. Инвариантная масса системы пК+ со странностью S=+l имеет четкий пик при 1.542 ГэВ/с2

Сигнал о возможном новом состоянии адронной материи -пентакварке, - полученный коллаборацией CLAS, стал подтверждением наблюдавшегося ранее состояния 0 (1520), представленным коллаборацией SPRING [14] и ИТЭФ [15]. Впоследствии подтверждение об этом состоянии пришло также с ускорителя ELSA в Бонне.

Возможно, эти результаты открывают новую страницу в физике адронов. Например, природа нового барионного состояния 3/2+(1720), может быть интерпретирована как 5-кварковая конфигурация с нулевой странностью uuduu .

М(пК+) | GeYVc2 |

Основные характеристики детектора CLAS

Спектрометр Большого Аксептанса (CEBAF Large Acceptance Spectrometer - CLAS) в лаборатории имени Джефферсона в Виржинии (TJNAF - Thomas Jefferosn National Accelerator Facility - Jefferson Lab -JLAB), спроектирован для изучения многочастичных, - в конечном состоянии - реакций, под действием фотонов и электронов при светимостях вплоть до 1034см"2с"1. Основные требования, которые закладывались при разработке проекта детектора CLAS и необходимые для успешного решения поставленных экспериментальной программой задач, были следующими [16]:

1. Зона однородного покрытия в большом интервале углов и импульсов для заряженных частиц, нейтронов и фотонов:

• Угловой аксептанс регистрации частиц: 4° < © <140°

• Аксептанс по импульсу для заряженных частиц: р > 100 MeV/c

• Аксептанс по энергии для фотонов: Е > 50 MeV

2. Высокое разрешение по углу и импульсу:

• разрешение по импульсу (малые 0, большие р): 8р/р^0.5% (FWHM)

• разрешение по импульсу (большие 0, малые р): 8р/р»1.0% (FWHM)

• разрешение по углу: 50«l.Omrad

3. Способность идентификации различных частиц: разделение электронов и пионов, каонов, протонов, и дейтронов в интересующем интервале импульсов.

4. Высокая светимость и темп счета. Спектрометр должен быть в состоянии функционировать в условиях высокого фона, которым сопровождаются эксперименты по рассеянию электронов, при этом,

• Светимость электронного пучка: L = 1034 cm-2 sec^1

• Интенсивность фотонного пучка: N< 108 sec-1

В таких условиях высокий уровень сегментации детектора и использование быстрых компонент является неизбежным. Кроме того, для успешного функционирования спектрометра в условиях высокого фона магнитное поле детектора должно обладать следующими характеристиками:

• Отклонять заряженные частицы с малым импульсом на большие углы так, чтобы они не попадали и не засоряли трековые детекторы. Основным источником таких частиц являются мягкие упруго рассеянные электроны (Мёллеровское рассеяние);

• Не должно отклонять заряженные частицы, летящие вперёд (такие как тормозные электроны или конверсионные е+ е пары).

5. Спектрометр должен позволять использование поляризованных мишеней (в твердом и газообразном виде), которые требуют своего собственного магнитного поля, т.е. необходимо иметь достаточное пространство в районе мишени, а магнитное поле спектрометра должно обращаться в ноль в этой зоне, чтобы не интерферировать с полем поляризованной мишени.

6. Открытая геометрия для обеспечения возможности установки дополнительного оборудования.

Построенный и введенный в эксплуатацию в 1996 году спектрометр CLAS представляет собой уникальный 4л;-детектор, не имеющий аналогов в мире [17] (Рис. 6)

Треки заряженных частиц в этом детекторе анализируются при помощи азимутально-симметричного тороидального магнитного поля напряженностью 1 Тесла, которое генерируется шестью сверхпроводящими катушками, расположенными вокруг линии пучка. Каждый сектор,

разделённый двумя катушками, представляет собой отдельный спектрометр, состоящий из трех слоёв трековых камер (DC) для реконструкции треков заряженных частиц, одного слоя сцинтилляционных счётчиков (система времени пролёта) для триггера и измерения времени пролёта частиц (TOF), наполненного газом Черенковского счетчика (СС) и электромагнитного ливневого калориметра для регистрации фотонов и нейтронов и улучшения электрон-пионного разделения. Черенковские и сцинтилляционные счетчики

17 определяют зону чувствительности в диапазоне полярного угла 0 от 10° до 150°. Модули переднего калориметра покрывают область от 10° до 45° в каждом секторе, и два модуля калориметра для больших углов (Large Angle Calorimeter - LAC) расширяет зону покрытия по углу G до 75° в двух секторах спектрометра CLAS.

Рис. 6. Схема детектора CLAS.

Данная работа посвящена обсуждению основных свойств модулей LAC, их компонентов, структуры детектора, его чувствительности и разрешающей способности, а также моделированию, подбору материалов, особенностям электронной системы сбора данных, калибровки и реконструкции событий в системе спектрометра CLAS.

Постановка задачи

Калориметр больших углов, не являясь критическим элементом для детектора CLAS в целом, тем не менее, представляет уникальные возможности в прямой идентификации нейтральных частиц, рассеянных на большие углы, что представляет существенный интерес для целого ряда планируемых и уже проводимых экспериментов в зале В. Для надежной идентификации заряженных частиц калориметр больших углов должен обеспечивать хорошее энергетическое и пространственное разрешение. Поскольку LAC является единственным детектором, способным непосредственно регистрировать и идентифицировать нейтральные частицы и обеспечивать разделение нейтронов и у-квантов в диапазоне азимутальных углов от 55° до 75°, то для этого необходимо иметь также и высокое временное разрешение.

Целью данной работы является детальное исследование свойств калориметра больших углов, в создании которого автор принимал непосредственное участие, и сравнение полученных результатов с данными моделирования методом Монте-Карло. Основные пункты исследования:

• Разработка метода и программного обеспечения для энергетической и временной калибровки калориметра с использованием физических данных, полученных на пучке;

• Разработка метода и программного обеспечения для мониторинга калориметра в режиме реального времени;

• Измерение эффективности регистрации заряженных (пионов и протонов) и нейтральных (у-квантов и нейтронов) частиц;

• Оценка энергетической и координатной разрешающей способности.

Заключение

Калориметр для больших углов был введен в строй в 1997 году как часть детектора CLAS, и с тех пор успешно функционирует в продвижении экспериментальных программ зала В с использованием электронных и фотонных пучков.

В данной работе было проведено детальное исследование внутренней функции отклика калориметра больших углов, являющегося частью детектора CLAS, и обеспечивающего регистрацию рассеянных электронов, фотонов и нейтронов, испускаемых на углы больше 45° в лабораторной системе.

• Разработан метода и пакет программного обеспечения для проведения энергетической и временной калибровки калориметра с использованием данных о высокоэнергетических пионах, испускаемых на большие углы, и получаемых в ходе физических сеансов с использованием электронного или фотонного пучка;

• Разработан метод и пакет программного обеспечения для мониторинга калориметра в режиме реального времени;

• Измерены эффективности регистрации заряженных (пионов и протонов) и нейтральных (у-квантов и нейтронов) частиц. Показано, что измеренные величины находятся в хорошем соответствии с предсказанными в расчетах по методу Монте-Карло;

• Измерена энергетическая и координатная разрешающие способности. Показано, что энергетическое разрешение для электромагнитных ливней может быть параметризовано как сг(£) (7.5 ±0.2)% Е ~ ЩГэВ)

• Показано, что количественная оценка энергетической калибровки калориметра может быть проведена путем восстановления инвариантной массы я0 из двух фотонного распада;

108

Показано, что калориметр обладает временной разрешающей способностью отвечающей требованиям программы экспериментов. Для нейтронов с импульсом выше 0.7 ГэВ/с эффективность регистрации составляет 20% и выше, а временное разрешение - 260 пс, что обеспечивает надежное разделение нейтронных и фотонных событий.

Благодарности

Я искренне благодарен моим научным руководителям профессору Б.С. Ишханову и старшему научному сотруднику В.И. Мокееву за постоянную помощь, внимание и поддержку на всех этапах этой работы.

Хотелось бы также выразить особую благодарность профессору В. Буркерту (V. Burkert) - руководителю зала "В" за предоставленную возможность участия в экспериментальной программе, профессору Дж. Рикко (G. Ricco) - вице-президенту INFN, руководителям программы AIACE от Генуэзского филиала INFN - профессорам М. Таюти (М. Taiuti) и М. Рипани (М. Ripani) за приглашение к участию в коллаборации CLAS, предоставленную тему исследования, полезные обсуждения методов и результатов работы.

Считаю необходимым отдельно поблагодарить сотрудников НИИЯФ МГУ к.ф.-м.н. Е. Головача и к.ф.-м.н. Г. Федотова, сотрудника ЕрФИ к.ф.-м.н. А. Авакяна и сотрудника ИТЭФ к.ф.-м.н. С. Бояринова за полезные идеи и поддержку в работе, а также всех друзей и коллег из института Ядерной Физики им. Д.В. Скобельцина, Генуэзского филиала INFN и зала "В" лаборатории им. Джефферсона за оказанное содействие и плодотворное сотрудничество.

И конечно же я благодарен моей жене, Сапуненко Елене за ту заботу и моральную поддержку, без которой данная работа не могла бы иметь завершения.

1. К. Maruyama, et al., Nucl. 1.str. And Meth. A376 (1996) 335

2. W.J. Schwille, et al., Nucl. Instr. And Meth. A344 (1994) 470

3. G. Audit, et al., Nucl. Instr. And Meth. A301 (1991) 473

4. GAUGE THEORIES IN PARTICLE PHYSICS: A PRACTICAL INTRODUCTION. By I.J.R. Aitchison (Oxford U.), A.J.G. Hey (Southampton U.). 1989. BRISTOL, UK: HILGER(1989) 571p

5. C. Adloff et al., HI collaboration], Eur. Phys. J. C21 (2001) 33

6. V.D.Burkert, CEBAF and Barion Physics Programm, CEBAF-PR96-001

7. V.D.Burkert, ELECTROEXCITATION OF NUCLEON RESONANCES. 9th International Conference on the Structure of Baryons (Baryons 2002), Newport News 2002, Baryons 2002, 29-42

8. D. Strottman. Phys.Rev. D20 (1979) 748-767

9. A. Yegneswaran, J. Yun, OBSERVATION OF AN EXOTIC S = +1 BARYON IN EXCLUSIVE PHOTOPRODUCTION FROM THE DEUTERON. Jul 2003. hep-ex/0307018

10. D. Diakonov, V. Petrov, M.V. Polyakov, Z.Phys. A359 (1997) 305

11. T. Nakano et al., Phys.Rev.Lett. 91 (2003) 012002.

12. V.V.Barmin et al., Phys.Atom.Nucl. 66 (2003) 1715

13. Conceptual Design Report -Basic Experimental Equpment, CEBAF April 13, 1990.

14. C.W. Leemann, D.R. Douglas, and G.A. Krafft, Ann. Rev. Nucl. Part. Sci. 51 (2001)413-450

15. D.B. Anderson, et al., Nucl. Inst. And Meth. А (в печати)

16. O.K. Baker, et al., Nucl. Inst. And Meth. A367 (1995) 92.

17. M.D. Mestayer, et al., Nucl. Inst. And Meth. A449 (2000) 81.

18. D.S. Carman, et al., Nucl. Inst. And Meth. A419 (1998) 315.

19. L. M. Qin, et al., Nucl. Inst. And Meth. A411 (1998) 216.

20. G.Adams, et al., Nucl. Inst. And Meth., A465 (2001)414

21. E.S. Smith, et al., Nucl. Inst. And Meth. A432 (1999) 265.

22. M.Amarian, et al., Nucl. Inst. And Meth. A460 (2001) 239.

23. E. S. Smith et. al. Nucl. Instr. and Meth. A432 (1999)256.

24. V. Blobel et. al. The BOS system for the CLAS detector: Dynamic Memory Management 1995.31. http://www.jlab.org/claschef/

25. M. Taiuti, et al., THE LARGE ANGLE ELECTROMAGNETIC SHOWER CALORIMETER FOR CLAS: MODULE DESIGN AND OPTIMIZATION OF PERFORMANCES, INFN/BE- 95/03

26. Collaborazione AIACE, Rapporto di Attivita, Internal Note, INFN, 1993

27. V.I Mokeev, et al., MONTE CARLO CODE FOR SIMULATION OF THE LARGE ANGLE ELECTROMAGNETIC SHOWER CALORIMETER FOR THE CLAS DETECTOR, INFN/BE-95/02

28. M. Taiuti, et al., Nucl. Inst. And Meth. A370 (1996) 429-434

29. M.Tahiti, et al., Nucl. Instr. and Meth. A357 (1995) 344

30. R.Brun et al., CERN/DD/EE/84-l(1987)

31. GEANT 3.21, CERN Program Library Long Writeup W5013.

32. PDG,Phys. Rev. D66 (2001)183

33. P. Rossi et al.,CLAS-NOTE 2001-005, 200144. http://www.jlab.org/~vvsap/lacdoc.html