Энергетическая калибровка калориметра детектора СНД тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

. ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ Г.И.Будкера СО РАН

#

На правах рукописи

АЧАСОВ Михаил Николаевич

ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ КАЛИБРОВКА КАЛОРИМЕТРА ДЕТЕКТОРА СНД

01.04.16 - физика ядра и элементарных частиц

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

НОВОСИБИРСК -

1998

Работа выполнена в Институте ядерной физики им. Г.И.Будкера < РАН.

НАУЧНЫЕ РУКОВОДИТЕЛИ:

Букин — доктор физ.-мат. наук,

Александр Дмитриевич Институт ядерной физи

им. Г.И.Будкера СО РА г.Новосибирск. — кандидат физ.-мат. нау! старший научный сотр) Институт ядерной физж им. Г.И.Будкера СО РА г.Новосибирск.

Голубев

Владимир Борисович

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ: Стибунов

Виктор Николаевич

Смахтин

Владимир Петрович

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ: Защита диссертации состоится

" " часов на заседании диссертационного совета Д.002.24.01 в Институте ядерной физики им Г.И.Будкера СО РАН.

- доктор физ.-мат. наук, Институт ядерной физи; Томскою политехничеа университета, г.Томск.

- кандидат физ.-мат. нау! старший научный сотр;у Институт ядерной физи им. Г.И.Будкера СО РА г .Новосибирск.

- ГНЦ РФ "Институт физ высрких энергий'

на

'/ ' < <?

г. Пр " 199$

Адрес: 630090, г. Новосибирск-90, проспект академика Лаврентьева, 1 С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЯФ им. Г.И.Бy^ СО РАН. % ^ -

Автореферат разослан " ^ ^ " -'■-'^а _" 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор физ.-мат. наук, профессор

В.С.Фаш

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Сферический нейтральный детектор работает на накопителе ВЭПП-!М с 1995 года. Детектор оптимизирован для изучения нейтральных провесов. Его физическая программа включает в себя изучение радиационных распадов легких векторных мезонов, изучение распадов, подавленных ю 021 и С-четности, изучение электромагнитных распадов, изучение аннигиляции е+е~ адроны, проверку квантовой электродинамики в процессах высших порядков, поиск редких распадов Кд и г) мезонов, поиск 3-четных реакций.

Решение этих задач требует высокой точности измерения энергии ротонов в диапазоне от 50 до 700 МэВ. Это необходимо для регистраг оти фотона, испущенного при переходе между различными кварковыми юстояниями, и для уменьшения комбинаторного фона при реконструкции промежуточных 7г° и г) мезонов. Для измерения энергий и углов вы-тета фотонов в детекторе СНД используется трехслойный сферический )лектромагнитный калориметр на основе сцинтилляционных кристаллов Уа1(Т1), состоящий из 1632 отдельных счетчиков. Энергетическая кали-эровка такого калориметра является задачей, решение которой чрезвычайно важно для проведения экспериментов с детектором СНД на ВЭПП-2М.

На элекгрон-позитронных накопителях кроме процессов, связанных ; е+е~ столкновениями, идут реакции, обусловленные взаимодействием пучков с ядрами остаточного газа в вакуумной камере, в частности, процесс электророждения изобары Д(1232). Этот процесс еЛГ -+ еД, Д -» 7гN может ограничивать точность измерений сечений в области энергий будущих ^-фабрик, основной задачей которых является изучение СР-нарушения в распадах .ЙГ-мезонов.

Цель работы состояла в создании процедуры энергетической кали-эровки калориметра детектора СНД и в изучении процесса еЫ —» еД, Д 7гЛГ.

Научная новизна работы.

1. Разработана процедура энергетической калибровки многослойных электромагнитных калориметров на основе сцинтилляционных счетчиков с использованием космических мюонов и электронов от событий упругого рассеяния е+е~ -+ е+е~.

2. Впервые явно выделен процесс электророждения изобары Д(1232)

с регистрацией всех конечных частиц при взаимодействии е+,е' пучков с ядрами остаточного газа в вакуумной камере коллайдерг

Научная и практическая ценность работы.

1. Создана процедура калибровки калориметра детектора СНД по кос мическим мюонам и е+е~ —+ е+е~ событиям, которая используете в эксперименте на коллайдере ВЭПП-2М с 1996 года.

2. Изучена временная стабильность счетчиков калориметра.

3. Изучены амплитудные спектры калориметра при регистрации ц, и е в широком диапазоне энергий. Определена зависимость энер гетического разрешения калориметра от энергии фотонов ав/Е -4,2%/#эВ).

4. Осуществлено моделирование процесса еЫ еД, Д —> жN методо Монте-Карло.

5. Выделено 80 ± 9(стат.) ± 10(сист.) событий процесса электророжд» ния Д+ на протонах ядер остаточного газа с последующим расп< дом Д+ —> ж°р. Полученные данные позволили оценить ожидаемс число событий реакции еЛГ -* еД, Д жЫ на ^-фабриках, чг составило ~ 4Гц/м.

Структура работы

Диссертация состоит из шести разделов, включающих в себя введени основное содержание в четырех главах, заключение, и списка литерат; ры.

Апробация работы

Материалы диссертации докладывались на международной конференвд по методике экспериментов на встречных электрон-позитронных пучкг в Новосибирске в 1996 году и на международной конференции по адро: ной спектроскопии в Брукхейвене ( США ) в 1997 году, на семинар, экспериментальных лабораторий ИЯФ СО РАН и опубликованы в мез дународных научных журналах и препринтах ИЯФ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведена физическая программа детектора СНД и об снована актуальность работы.

Второй раздел посвящен описанию экспериментальной установи Приведена схема электрон-позитронного накопителя ВЭПП-2М и е:

' I ' ' I ......

О 20 40 60 80 ЮОст

Рис. 1: Детектор СНД - сечение вдоль оси пучков; 1 - вакуумная камера, 2 - дрейфовые камеры, 3 - цилиндрический спинтилляггаонный счетчик, 4 - световоды, 5 - ФЭУ, 6 - кристаллы Ма1(Т1), 7 - вакуумные фототриояы, 8-желёзный поглотитель, 9 - стри-мерные трубки, 10 - 1 см железные пластаны, 11 - сцинтияляпиоиные счетчики, 12 -магнитные линзы, 13 - поворотные магниты .

основные параметры. Описаны системы детектора СНД (рис.1): координатная система, мюонная система и система сбора данных. Особое внимание уделено описанию трехслойного сферического калориметра на основе кристаллов Ка1(Т1). Приведена схема электронного канала калориметра и ее основные параметры. Обсуждаются задачи, стоящие перед калориметром: измерение энергии фотонов и электронов, измерение углов вылета фотонов, разделение разных типов частиц (-у/Кз,е/ж). Приведена общая схема калибровки калориметра, состоящая из двух этапов:

1. предварительная калибровка с использованием космических мкх> нов, проводимая во время эксперимента,

2. калибровка по событиям процесса е+е~ е+е~, проводимая при обработке набранной статистики.

Третий раздел посвящен энергетической калибровке калориметра детектора СНД по космическим мюонам. В нем сформулированы задачи, стоящие перец процедурой калибровки, и требования к ней. Основу

со

£ 1200 ш

1000 800 600 400 200 0

0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3 1.4

е/е0

Рис. 2: Энергетичесхий спектр для фотонов с энергией Во = 500МэВ. Е - измерен® энергия.

калибровки составляет сравнение экспериментальных данных по энерг выделениям в кристаллах с результатами моделирования методом Монт Карло. Для уменьшения влияния различий в угловых распределениях ко мических мкюнов в эксперименте и моделировании среднее энерговыд ление в счетчике нормировалось на среднюю длину пробега в нем.

Описаны алгоритмы процедуры калибровки и обработки калиброво ных событий. Проведено сравнение угловых распределений и спектр! энерговыделения космических мюонов в калориметре в эксперименте моделировании. В качестве результата использования описанной проп дуры приведены энергетические спектры фотонов, электронов и мюонот энергией 500 МэВ. Энергетическое разрешение для 7-квантов с энерг» 500 МэВ составило 5,5% (рис.2). Проанализирована временная стабил ность полученных калибровочных коэффициентов.

Четвертый раздел посвящен калибровке калориметра по собьп ям процесса е+е~ —► е+е-. Для улучшения энергетического разрешен

Ь ю

1x1

\

ы _

ь 8 6

4 2 0

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

ЕДСеУ)

Рис. 3: Зависимость энергетического разрешения калориметра от энергии фотона по экспериментальным -> 77 (точки) и е+е"~ -> е+е_7 (кружки) событиям.

детектора необходимо увеличение точности калибровки, которое можно достичь, используя экспериментальные события, зарегистрированные во время набора статистики. Сформулированы требования к калибровочному процессу. Описан метод калибровки калориметра по событиям е+е~ -4 е+е~, основанный на сравнении коэффициентов, полученных путем минимизации ширины спектра энерговыделения электронов одинаковой энергии в моделировании и эксперименте. Приведены результаты калибровки. Удалось на 10% улучшить разрешение калориметра для фотонов и электронов с энергией 500 МэВ. Был оценен систематический разброс в коэффициентах калибровки калориметра по космическим мюо-нам и событиям е^е- -»• е+е~, который составил ~ 4% для счетчиков 1 и 2 слоев. Проанализировано энергетическое разрешение калориметра и амплитудные спектры калориметра при регистрации д, 7 и е в широком диапазоне энергий. Показано, что основным эффектом, препятствующим достижению предельного разрешения, является неоднородность светосо-

рания по объему кристаллов. Получена зависимость энергетического зрешения от энергии фотонов: се/Е(%) = 4,2%/ЩГЩ (рис.3). )иведены распределения по инвариантной массе двух фотонов в экс-риментальных ф -4 г/у, ф тг+п~тг° событиях (рис.4 и 5). Разрешение массе 77-мезона составило 25 МэВ, 7Г°-мезона 11 МэВ. Пятый раздел лосвягцен электророждению изобары Д (1232) при вза-годействии е+е~ пучков с ядрами остаточного газа. Изучение электро-ждения Д-изобары с детектором СНД было проведено не случайно. Ин-рес к этому процессу появился еще во время экспериментов с Нейтраль-гм Детектором (НД) на ВЭПП-2М (1982 - 1987 г.г.). В экспериментах детектором СНД было предложено изучить этот процесс. Он может пяться фоновым как в прецизионных экспериментах на (^-фабриках, к и в экспериментах при более высоких энергиях. Приведены свойства ектророждения и распада Д-изобары в сложных ядрах. Приведен рас-т сечения электророждения изобары Д(1232) на отдельном нуклоне, шсан алгоритм моделирования процесса еЛГ еД, Д 7гЛГ, и приведе-I характерные для него распределения: по полярному углу рассеянных ектронов, пионов и по массе Д-изобары. Обсуждаемый процесс изучал-в канале ер еД"1", Д+ —> ртг°, т.к. здесь возможна регистрация всех стиц: двух фотонов от распада пиона и двух треков от электрона и ютона. Кроме того, в этом случае измеряются энергии и инвариантная 1сса пары фотонов, а протоны и электроны разделяются по ионизации дрейфовой камере (рис.6). Описаны условия отбора, использованные ся выделения обсуждаемого процесса. Всего в эксперименте после об-^ботки данных, соответствующих интегральной светимости ~ 500нб-1, .бранных в районе ^-мезона в эксперименте 1996 года, было найдено 80 бытий, удовлетворяющих условиям отбора. Проведены анализ и сравне-[е экспериментальных распределений с ожидаемыми по моделированию ис.7). Проведена оценка систематической ошибки. Исходя из получение данных, был проведен расчет давления остаточного газа, результате которого согласуются с данными прямых измерений. Проведена оцен-1 числа событий обсуждаемого процесса на ^-фабрике, что составило 4Гц/м. Эта величина сравнима с числом событий редких распадов ф-гзона, ЛГ-мезона и двухфотонного рождения 7Г° мезона. За эффективный д ~ 107с, число событий процесса eN -> еД на ^-фабрике составит 4 • ДО7 на одном метре взаимодействия , что дает возможность прово-гть исследования в области ядерной физики.

сл -*->

'с

Г5 ^

р

X!

V.

О

X

х> \ ш

"О

8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0

; □ к/ с

: х :хр а *

: * е ХР О * Рг ^опб

- О а *

- о 0 0 * ..........К? * за а о а а ★ *

: Е1 ее 1г0п5 а С * о (Л о П о о о о о о в о с» □ о о во а □ОоПв о □ с □ □ в р о жа оао г * аа оЦ ы* **

I . - х; * III, 3 ОЙ0! о □ о О . в д»^ а □ ЕЧН^П^С . я «тааПсшаЯ Да^гаГТЗДдд I о о * о па о о ? а П С а а □ □ ожО 11(1 т 1 1

: - 1111 1 1 ■ , ■ 1 III'

0 100 200 300 400 500 600

МотепЫт ( М

Рис. 6: Зависимость ионизационных потерь ¿Е/йх для протонов (звездочки) и эл тронов (крестики) в зависимости от их импульса для отобранных событий.

■Л 40 2 35 ^ 30 25 20 15 10 5 0

900 1000 1100 1200 1300 1400 1500

т ( МеУ )

I

Ё. ★ ЕХР

Е .. ; .1 г

Е - мс; ; г

Е ..............;...........1"

Е

Е .......: т 4-' ..... ; 1

, , , : 1 1. 1 1 1 • 1 1 111.1

ас. 7: Распределение по инвариантной массе пионов и прогонов т для отобранных >бытий в эксперименте и моделировании.

В заключении приведены основные результаты, полученные в ра-оте:

1. Создана процедура предварительной калибровки калориметра детектора СНД по космическим мюонам. Статистическая точность определения калибровочных коэффициентов составляет ~ 1% для всех слоев калориметра. Время проведения калибровки не превышает 5 часов. Достигнуто энергетическое разрешение 5,5% для фотонов с энергией 500 МэВ. Данная процедура используется для калибровки калориметра с 1996 года.

2. Изучена временная стабильность счетчиков калориметра. Средний сигнал со счетчиков 1 и 2 слоев уменьшается на величину ~ 1% в течение двух лет, для 3 слоя эта величина составляет ~ 3% за месяц, что связано с деградацией используемых на нем фототриодов.

3. Создана процедура калибровки калориметра по событиям е+е~ е+е~. С использованием полученных калибровочных коэффшдн тов удалось на 10% улучшить разрешение калориметра, кото{ составило <те[Е = 5% для фотонов с энергией 500 МэВ. Статист ческая точность определения калибровочных коэффициентов сос: вляет ~ 2 -г 3% для 1 и 2 слоев.

4. Изучены амплитудные спектры калориметра при регистрации 7 и е в широком диапазоне энергий. Показано, что главным факс ром, определяющим различие между ожидаемым по моделирован] разрешением и достигнутым в эксперименте, является неоднор« ноеть светособирания по объему кристаллов. Определена зави< мость энергетического разрешения калориметра от энергии фо: нов аБ/Е = 4,2%/УЩГэВ).

5. Осуществлено моделирование процесса eN еД, Д -> 7rN метод Монте-Карло.

6. Выделено 80 ± 9 ± 10 событий процесса электророждения Д+ протонах ядер остаточного газа с последующим распадом на тг° и

7. Полученные данные позволили оценить ожидаемое число событ реакции eN еД, Д 7гN на «^-фабриках, что составило ~ 4Гц/ За эффективный год 107с) работы ^-фабрики число ожидаем событий этого процесса составит ~ 4 • 107 на одном метре вз; мсиействия, что дает возможность дополнительно к эксперимент по е+е~ взаимодействию проводить исследования в области ядерв физики.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих pal тах:

1. V.M.Aulchenko, M.N.Achasov, T.V.Baler, et al., Beginning of 1 experiments with SND detector at ere~ collider VEPP-2M, Prepr INP 95-56, Novosibirsk, 1995

V.M.Aulchenko, M.N.Achasov, T.V.Baier, et al., Beginning of 1 experiments with SND detector at ere~ collider VEPP-2M Novosibirsk, in Proc.of the 6th international conference on hadi spectroscopy, the University of Manchester, July 10-14,1995.

2. M.N.Achasov, M.G.Beck, P.M.Beschastnov, et al., Status of i experiments with SND detector at e+e~ collider VEPP-2M Novosibirsk, Preprint INP 96-47, Novosibirsk, 1996

3. M.N.Achasov, A.D.Bukin, D.A.Bukin, et al., Absolute energy calibration of the SND detector calorimeter by cosmic muons, in Proc. of the Sixth international conference on instrumentation for experiments at e+e~ colliders, Novosibirsk, February 29 - March 6, 1996. Nucl. Instr. and Meth., V.A379 (1996), p.505-506.

4. M.N.Achasov, A.D.Bukin, D.A.Bukin, et al., Energy calibration of the NaI(Tl) calorimeter of the SND detector using cosmic muons. Nucl. Instr. and Meth., V.A401 (1997), p.179-186

5. М.Н.Ачасов, Н.Н.Ачасов, В.Б.Голубев, С.И.Середняков, Электророждение изобары как фон от взаимодействия пучков с остаточным газом на (^-фабриках. Письма в ЖЭТФ, т.65, вып.4, с.295-300 M.N.Achasov, N.N.Achasov, V.B.Golubev, S.I.Serednyakov, Isobar electroproduction as a background from interaction of beams with residual gas at «^factories. Physics Letters, V.B404 (1997), p.173-178.

6. M.N.Achasov, M.G.Beck, K.I.Beloborodov et al., First physical results from SND detector at VEPP-2M. Preprint Budker Institute of Nuclear Physics, 97-78, Novosibirsk, 1997

M.N.Achasov, M.G.Beck, K.I.Beloborodov, et al., Experiments with the SND detector at the e+e- collider VEPP-2M in Novosibirsk, in Proc. of the 7th international conference on hadron spectroscopy, Brookhaven (BNL), August 25-30, 1997.

7. M.N.Achasov, D.A.Bukin, T.V.Dimova, et al., Energy calibration of the Nal(Tl) calorimeter of the SND detector using e+e~ e+e~ events. Nucl. Instr. and Meth., V.A411 (1998), p.337-342

8. M.N.Achasov, A.V.Bozhenok, A.D.Bukin, et al., Study of Д(1232) isobar electroproduction at VEPP-2M e+e~ collider. Письма в ЖЭТФ, т.67, вып.10, c.737-740.

П/ / - з

* 1 *

АКАДЕМИЯ НАУК РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ Институт ядерной физики им. Г.И.Будкера

На правах рукописи

АЧАСОВ Михаил Николаевич

ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ КАЛИБРОВКА КАЛОРИМЕТРА

ДЕТЕКТОРА СНД.

01.04.16 - физика ядра и элементарные частиц Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научные руководители: доктор физ.-мат. наук А.Д.Букин, кандидат физ.-мат. наук старший научный сотрудник В.Б.Голубев

Новосибирск 1998

п I \

сЛЧ4<и

Содержание

1 Введение 4

2 Эксперимент. 8

2.1 Накопитель ВЭПП-2М.......................................8

2.2 Детектор СНД. .......................................................10

2.3 Калориметр детектора СНД..........................................14

2.4 Эксперименты с детектором СНД....................................19

3 Энергетическая калибровка калориметра детектора СНД по космическим мюонам. 21

3.1 Общие замечания.................. . . .............21

3.2 Алгоритм калибровки по космическим мюонам....................22

3.3 Описание алгоритма обработки событий. ......................25

3.4 Результаты обработки событий. Сравнение распределений в эксперименте и моделировании......................................29

3.5 Опыт использования калибровочной процедуры...............36

4 Энергетическая калибровка калориметра по событиям процесса е+е~ е+е~. 45

4.1 Общие замечания......................................................45

4.2 Метод калибровки калориметра по процессу

е+е~ —» е+е~............................................................46

4.3 Результаты обработки событий.............................48

4.4 Энергетическое разрешение калориметра..........................54

5 Электророждение изобары А(1232) при взаимодействии е+е~ пучков с ядрами остаточного газа. ТО

5.1 Постановка задачи.......................... 70

5.2 Изобара Д(1232)............................ 71

5.3 Сечение электророждения Д-изобары на отдельном нуклоне. . 72

5.4 Моделирование процесса еМ -»• еД, Д —¥ Мтт............ 77

5.5 Обработка экспериментальных данных.............. 78

5.6 Анализ отобранных событий..........................................87

6 Заключение. 102

Список литературы...... . . . . .............104

1 Введение

Метод встречных электрон-позитронных пучков в настоящее время является одним из основных способов исследования элементарных частиц, позволяющий проводить наиболее точные измерения их параметров. Сейчас в мире около десяти работающих или строящихся ускорителей этого типа в области энергий от 0,36 до 200 ГэВ.

Единственной электрон-позитронной машиной, работающей в области низких энергий, является накопитель ВЭПП-2М [1] в Новосибирске с предельной энергией 1,4 ГэВ и светимостью ¿о 10зосм-2с-1, которая может увеличиться до 1032см~2с-1 после осуществления идеи круглых пучков [2]. В настоящее время идет создание электрон-позитронных накопителей для данной области энергии со светимостью £0 ~ 1033см-2с-1, оптимизированных на энергию 1020 МэВ ( масса ^-мезона) так называемых ¿»-фабрик. Сооружение одной из таких установок ведется в рамках проекта ВЭПП-5 в Новосибирске [3], другая ^»-фабрика, БА<ШЕ [4, 5], должна начать работать в Национальной Лаборатории Фраскати в Италии в 1998 году.

Исследования легких векторных мезонов р,и,ф на электрон- позитронных накопителях ведутся уже более 30 лет. За это время для этих частиц с высокой точностью измерены основные каналы распадов [6]. Однако, редкие моды распадов легких векторных мезонов ж большая часть нерезонансных процессов в области энергии ~ 1ГэВ изучены еще недостаточно. Особенно важны для проверки теоретических предсказаний в этой области энергии величины вероятностей радиационных распадов мезонов. Они в меньшей степени, чем адронные распады, зависят от адронизации легких кварков, следовательно, несут прямую информацию о строении и свойствах легких мезонов.

Сферический нейтральный детектор работает на накопителе ВЭПП-2М с 1995 года [7, 8, 9,10,11]. Детектор оптимизирован для изучения нейтральных процессов. Его физическая программа включает в себя:

1. изучение радиационных распадов легких векторных мезонов р,ш,ф-> тг07, VI

ф —» Г) 7

ф а07, /о7,7Г7Г7; ^Т

Р, СО —» 7Г7Г7

2. изучение распадов, подавленных по 021 и С-четности,

ф —> ОЖ, 7Г7Г, 777Г7Г /5 —>• 37Г, со 2к

3. изучение электромагнитных распадов /?, о;, ф —» г}е+е~, 7г°е+е~

4. изучение аннигиляции е+е~ —> адроны е+е~ —> 2тт, Зтс, 4тг, 07г

е+е~ —о>7г, 777Г7Г, фж

е+е" К+К~,К8Кь, ККтт

5. проверку квантовой электродинамики

—>■ З7, е+е-7 е+е~ —> 47, е+е~77,4е е+е~ —07,37е+е_, 4е7

6. поиск редких распадов и г) мезонов К8 27,37Г°, 27Г°7, 7г°77, 7г°е+е~

г] —> З7, е+е~, 4е

7. поиск С-четных реакций е+е" -»• г] ¡2

Решение этих задач требует высокой точности измерения энергии фотонов в диапазоне от 50 до 700 МэВ. Это необходимо для регистрации фотона, испущенного при переходе между различными кварковыми состояниями

и для подавления фона при реконструкции промежуточных 7г° и ту мезонов. Для измерения энергий и углов вылета фотонов, в детекторе СНД, используется трехслойный сферический электромагнитный калориметр на основе сцинтилляционных кристаллов Nal(Tl). Таким образом энергетическая калибровка калориметра является задачей, решение которой чрезвычайно важно для проведения экспериментов с детектором СНД на ВЭПП-2М.

Электромагнитные калориметры на основе сцинтилляционных счетчиков являются важной частью многих современных детекторов элементарных частиц, например Crystal Ball [12], CLEO-II [13], L3 [14]. Методика калибровки таких установок хорошо развита, но ее нельзя непосредственно применить к многослойному калориметру детектора СНД. Для его энергетической калибровки была разработана процедура, позволившая получить хорошее разрешение в широком диапазоне энергии фотонов.

На электрон-позитронных накопителях кроме процессов связанных с е+е~ столкновениями идут реакции, обусловленные взаимодействием пучков с ядрами остаточного газа в вакуумной камере. Сюда относятся тормозное излучение и электророждение е+е~ пар в поле ядра, упругое и квазиупругое рассеяние электронов на протонах и процессы электророждения мезонов и барионов на нуклонах.

В экспериментах с детектором СНД при энергии пучка ~ 500 МэВ были выделены события процесса электророждения Д-изобары на ядрах остаточного газа с последующим распадом на пион и нуклон. Это не только показывает возможности детектора, но и позволяет оценить ожидаемое число событий этой реакции на ©-фабриках.

Основной задачей ^»-фабрик является изучение CP-нарушения в распадах /í-мезонов [15]. Кроме того, важными пунктами их физических программ являются исследования распадов ^-мезона, анигиляции е+е~ —> адроны и двухфотонной физики в области малых энергий [16]. Процесс eN —> еД, А —?• 7tN может ограничивать точность измерений сечений в этой области энергий.

Он также может служить фоном при более высоких энергиях.

В данной работе представлена процедура энергетической калибровки калориметра детектора СНД и результаты изучения процесса еАт —» еД, Д —> 7гЛГ, проведена оценка фона от этого процесса для строящихся е+е~ фабрик.

Основное содержание диссертации изложено в работах [17,18, 19, 20, 21, 9] и докладывалось на семинарах Института, на международной конференции по методике экспериментов на встречных электрон-позитронных пучках в Новосибирске в 1996 году [22] и на международной конференции по адронной спектроскопии в Брукхевене ( США ) в 1997 году [11].

2 Эксперимент

2.1 Накопитель ВЭПП-2М.

Электрон-позитронный накопитель ВЭПП-2М [23] работает в области энергии от 0,36 до 1,4 ГэВ. Он включает в себя следующие основные части ( рис.1 ):

® инжектор - импульсный линейный ускоритель ( ИЛУ ) на энергию 3

МэВ,

® электронный синхробетатрон ( Б-ЗМ ) на энергию 250 МэВ,

® промежуточный ускоритель электронов и позитронов ( БЭП ) на энергию до 900 МэВ,

© коллайдер ВЭПП-2М на энергию до 700 МэВ в одном пучке.

При работе комплекса электронный пучок ускоряется ИЛУ, инжектируется в Б-ЗМ, там ускоряется до энергии 250 МэВ и направляется в кольцо БЭП. Для формирования позитронного пучка электроны сбрасываются на вольфрамовый конвертор толщиной в одну радиационную единицу, расположенный в канале между Б-ЗМ и БЭП. Позитроны с энергией 120 МэВ, образующиеся при конверсии, накапливаются в БЭП. Такой цикл повторяется с частотой 1 Гц. Скорость накопления позитронов составляет ~ 1мА/мин. После накопления достаточного количества позитронов их энергия повышается до энергии эксперимента, и пучок перепускается в кольцо накопителя ВЭПП-2М.

Накопление электронов происходит аналогично. Отличие состоит в том, что конвертор выводится из канала, электроны в Б-ЗМ ускоряются до 120 МэВ, а магнитное поле в БЭП меняет знак. Такой режим позволяет вести эксперимент практически непрерывно, поддерживая циркулирующие токи электронов и позитронов на заданном уровне.

сошжгок.

Рис. 1: Комплекс ВЭПП-2М.

Коллайдер ВЭПП-2М состоит из восьми секций магнитной системы, четырех длинных и четырех коротких прямолинейных промежутков. Каждая секция включает в себя дипольный магнит и два дублета квадрупольных линз. В коротких промежутках установлены корректирующие линзы, впускные магниты, пластины инфлекторов, датчики положения пучка. В одном из длинных промежутков находится ускоряющий резонатор с рабочей частотой 200 МГц. В противоположном промежутке установлен сверхпроводящий ви-глеровский магнит с полем 75 кГс. Его включение обеспечивает повышение светимости ВЭПП-2М. В оставшихся промежутках установлены детекторы

максимальная энергия 1,4 ГэВ

светимость 3 • 1030см-1с_1 (Е0 = 0,5ГэВ)

время между соударениями 60 не

энергетический разброс 0,6 • 10~3ГэВ (Е0 = 0,5ГэВ)

число сгустков 1

Таблица 1: Основные параметры ВЭПП-2М. £о-энергия пучка.

СНД и КМД-2. Основные параметры ВЭПП-2М приведены в таблице 1. 2.2 Детектор СНД.

Детектор СНД ( рис. 2 и 3 ) состоит из координатной системы, калориметра и мюонной системы. Для описания детектора используется сферическая система координат с осью Z, направленной вдоль электронного пучка. Главная часть детектора — трехслойный сферический калориметр на основе кристаллов Nal(Tl). Его подробное описание будет приведено в следующем разделе.

Координатная система детектора ( рис.4 -)служит для регистрации треков заряженных частиц. Она состоит из двух дрейфовых камер, между которыми расположен цилиндрический сцинтилляционный счетчик толщиной 5 мм [24]. Счетчик разбит на пять частей по азимутальному углу, свет из каждой части собирается с помощью спектросмещающих волокон на два ФЭУ. Счетчик обеспечивает временную привязку событий к фазе прохождения пучка, и его сигналы могут быть использованы в триггере детектора.

Ближайшая к пучку дрейфовая камера покрывает 96% полного телесного угла. Ее длина составляет 40 см, внутрений и внешний диаметры 4 и 12 см соответственно. Соответствующие размеры внешней дрейфовой камеры составляют 25, 14 и 24 см. Обе камеры разбиты на 20 ячеек типа Jet по азимутальному углу. Каждая ячейка состоит из 5 чувствительных проволочек, которые через одну смещены на 150 мкм относительно оси симметрии ячейки для обеспечения решения лево-правой неоднозначности при восстановления трека. В обоих камерах используется газовая смесь Аг + 10%С02-Точность измерения координаты по времени дрейфа составляет 180 Ч- 200 мкм. Продольная координата измеряется с точностью около 3 мм методом деления заряда. Самый внутренний и самый внешний слои обеих дрейфовых камер оснащены системой катодных полосок, позволяющих повысить точность определения продольной координаты до 1,5 мм. Угловое разрешение

..........I

О 20 40 60 80 100 ст

Рис. 2: Детектор СНД - сечение вдоль оси пучков; 1 - вакуумная камера, 2 - дрейфовые камеры, 3 - цилиндрический сцинтилляционный счетчик, 4 -световоды, 5 - ФЭУ, 6 - кристаллы NaI(Tl), 7 - вакуумные фототриоды, 8-железный поглотитель, 9 - стримерные трубки, 10 -1 см железные пластины, 11 - сцинтилляционные счетчики, 12 - магнитные линзы, 13 - поворотные магниты .

Рис. 3: Детектор СНД - сечение поперек оси пучков; 1 - вакуумная камера, 2 - дрейфовые камеры, 3 - цилиндрический сцинтилляционный счетчик, 4 -кристаллы Ка1(Т1), 5 - вакуумные фототриоды, 6 - железный поглотитель, 7 - стримерные трубки, 8 - сцинтилляционные счетчики.

Рис. 4: Координатная система СНД - сечение поперек оси пучков; 1 - вакуумная камера ВЭПП-2М, 2 - цилиндрический сцинтилляционный счетчик, 3 -полевые проволочки, 4 - чувствительные проволочки, 5 - по деформирующие полоски.

дрейфовых камер составляет 2,2° по углу в и 0,7° по углу ф.

Снаружи калориметра находится железный поглотитель толщиной 12 см для поглощения остатков электромагнитных ливней. Далее располагается мюонная система, состоящая из двух слоев стримерных трубок, железного фильтра толщиной 1 см и сцинтилляционных счетчиков толщиной 1 см. Она обеспечивает подавление космических событий и используется для идентификации мюонов. Вероятность одновременного срабатывания трубок и счетчиков от событий е+е~ —> 77 при энергии фотонов ~ 700МэВ меньше 1%.

Первичный триггер детектора [25] использует сигналы со всех систем СНД. Триггер является программируемым, что обеспечивает гибкость в его настройке. В частности, это дает возможность изменять энергетические пороги в аргументах триггера калориметра, создавать новые аргументы калориметра и координатной системы.

Основа системы сбора данных детектора СНД [26] ( рис.5 ) — быстрые

Рис. 5: Система сбора данных детектора СНД.

электронные модули в стандарте КЛЮКВА [27], разработанные в ИЯФ СО РАН. Аналоговые сигналы с систем детектора поступают на предусилители и далее на формирователи ( front-end ). После формирования, сигналы по экранированным витым парам передаются на амплитудные и временные цифровые преобразователи. Логические сигналы с дискриминаторов в крейтах КЛЮКВА собираются в модули интерфейса первичного триггера ( IFLT ). В течение 1 мкс электронная схема первичного триггера ( FLT ) вырабатывает решение. После этого происходит аналого-цифровое преобразование в течение 10 мкс. Далее цифровая информация читается модулями вывода в стандарте КЛЮКВА в регистр вывода, что занимает еще 120 мкс. Каждый модуль вывода имеет два независимых регистра, что позволяет снизить мертвое время системы. Полное мертвое время в КЛЮКВЕ составляет 200 мкс.

Данные считываются в ЭВМ VAX-3300 через передающие модули, выполненные в стандарте КАМАК. Считанная информация преобразуется в соответствии с принятым для экспериментов СНД стандартом упаковки данных [28]. Далее проводится частичная реконструкция событий, и программный третичный триггер принимает решение о записи данного события в файл на диске. Записанные файлы затем переписываются на магнитные ленты типа EXABYTE с помощью программы ART [29].

2.3 Калориметр детектора СНД.

Главная часть детектора СНД — трехслойный сферический калориметр на основе кристаллов Nal(Tl) ( рис.6 ) общим весом 3,5 т. Счетчики первых двух слоев — толщиной 2,9Х0 и 4,8Х0, где Х0 = 2,6 см - радиационная длина, находятся в общем контейнере из алюминиевой фольги толщиной 0,1 мм. Они укреплены на несущей алюминиевой сфере толщиной 5 мм. За ней находится третий слой счетчиков (5,7Х0) ( рис.7 ). Зазор между кристалла-

ми счетчиков одного слоя составляет 0,5 мм. Полная толщина калориметра Nal(Tl) для частиц, летящих из центра, составляет 34,7 см (13.4Х0). Общее число счетчиков калориметра — 1632, число кристаллов в слое — 520 Ч- 560.

Угловые размеры калориметра составляют 18° < в < 162° и 0° < ф < 360°. Полный телесный угол калориметра составляет 90% от 47г. По углу в калориметр условно разбит на области "малых" углов 18° < 9 < 36° и 144° < в < 162° и "больших" углов 36° < в < 144°. Угловые размеры кристаллов составляют Аф - А9 = 9° в области "больших" углов и Аф = 18°, Ав = 9° в области "малых" углов. В каждом слое имеются восемь различных типов счетчиков.

Канал электроники калориметра (рис. 8) включает в себя:

1. фототриод со средним квантовым выходом ~ 15% в спектре излучения Nal(Tl) и коэффициентом усиления ~ 10 [30], коэффициент светосбора составляет 7 -г-15% в кристаллах разных слоев,

2. зарядо-чувствительный предусилитель ( ЗЧУ ) с коэффициентом преобразования 0,7 В/пКл,

3. 12-ти канальный усилитель-формирователь ( УФ ) с регулируемым коэффициентом усиления, относительные коэффициенты усиления УФ устанавливаются с помощью встроенных аттенюаторов в пределах от 0 до 1 с шагом 1/255,

4. 24-х канальный 12-ти разрядный аналого-цифровой преобразователь АЦП с максимальным входным сигналом Umax = 2В,

5. сигналы УФ используются в системе запуска детектора — первичном триггере. В частности, формируется сигнал, равный аналоговой сумме всех сигналов — "полное энерговыделение", который затем используется в запуске.

Рис. 6: Трехмерная схема калориметра детектора СНД.

Рис. 7: Вид кристаллов Ка1(Т1) в калориметре; 1 - кристаллы N81 (Т1), 2 -вакуумные фототриоды, 3 - алюминиевая полусфера.

Рис. 8: Схема электроники канала калориметра СНД; Nal - кристалл Nal(Tl), VPT - вакуумный фототриод, Preamp - зарядо-чувствительный пред усилитель, ADC - аналогово-цифровой преобразователь, Generator - калибровочный генератор, Shaper - усилитель-формирователь, Att - аттенюатор, Trigger - первичный триггер

Эквивалентный шум электроники составляет 150 4- 350кэВ для разных счетчиков. На ЗЧУ каждого канала может подаваться сигна