Исследование характеристик мюонного детектора в условиях высоких интенсивностей частиц в эксперименте ГЕРА-Б тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.23 ВАК РФ

Введение

1 Описание эксперимента HERA-B

1.1 Триггер.

1.2 Основные компоненты спектрометра.

1.2.1 Вершинный детектор.

1.2.2 Трековая система.

1.2.3 Триггерные камеры на большой поперечный импульс.

1.2.4 Детектор черенковского излучения.

1.2.5 ' Системы идентификации электронов.

1.2.6 Мюонный детектор.

1.3 Физика эксперимента HERA-B.

2 Экспериментальное исследование характеристик мю-онных камер.

2.1 Критерии для выбора »газовой смеси.

2.2 Анализ экспериментальных данных.

2.2.1 • Измерения на космических частицах.

2.2.2 Измерения с использованием пучка электронов.

3 Исследование процессов старения.

3.1 Основные характеристики процессов старения.

3.2 Обзор экспериментальных результатов с газовых детекторов.

3.3 Исследование старения в лабораторных условиях.

3.4 Исследование старения на 100 МэВ а-частицах.

3.5 Исследование старения в условиях интенсивных потоков частиц эксперимента HERA-B.

3.6 Основные результаты исследований.

4 Результаты моделирования и анализ экспериментальных данных с мюонного детектора.

4.1 Моделирование мюонного детектора.

4.1.1 Характеристики источников фона.

4.1.2 Мюонный претриггер.

4.1.3 Идентификация мюонов и режекция адронов.

4.2 Анализ экспериментальных данных.

4.2.1 Сравнения экспериментальных данных с результатами моделирования.

4.2.2 Отбор событий с распадом <7/ф —• . •

Развитие физики высоких энергий привело к созданию ускорителей элементарных частиц, на которых сегодня достижимы энергии порядка ~ ТэВ, что позволяет производить исследования на уровне кварков и глюонов, проникая в глубь ядра на расстояния до Ю-16 см. Характерной особенностью условий, в которых должны функционировать физические детекторы на современных коллайдерах, являются экстремально высокие интенсивности потоков вторичных частиц (из двух типов коллайдеров электрон-позитронных и адронных ситуация особенно драматична в экспериментах на последних). Поэтому, чтобы информация о вторичных частицах была максимально подробной, создаются спектрометры, состоящие из десятка детекторов, каждый из которых использует определённую технологию и выполняет свои специфические задачи. При этом, сотни тысяч каналов электронных систем требуются для преобразования к цифровому виду аналоговой и временной информации, поступающей из спектрометра. Более того, редкие процессы (которые обычно представляют наибольший интерес), в конечном итоге отбираются путём последовательного анализа исходных данных, которые могут содержать в миллионы раз больше событий других типов.

Для решения проблемы выделения редких процессов в условиях высокой плотности частиц и характерного времени между столкновениями порядка десятков наносекунд, используются как высокоточные трековые детекторы, способные эффективно разделять частицы, так и системы дающие информацию для их идентификации. Помимо требований к эффективной регистрации и идентификации частиц, ключевой характеристикой детекторов, работающих в условиях высоких плотностей потоков частиц, является их радиационная стойкость при длительном и интенсивном облучении.

Эксперименты в области физики элементарных частиц можно разделить на две основные группы: эксперименты с неподвижной мишенью и эксперименты на коллайдерах. В экспериментах с неподвижными мишенями необходимо регистрировать частицы высоких энергий, летящие вперед, для чего требуются длинные магнитные спектрометры с хорошим разделением двух частиц, обеспечивающие высокоточное измерение импульсов заряженных частиц по отклонению в магнитном поле.

Эксперимент HERA-B на протонном накопительном кольце HERA в DESY (Гамбург) использует столкновения 920 ГэВ протонов с неподвижной мишенью, расположенной в гало пучка [1, 2]. Областью физики является изучение процессов квантовой хромодинамики (КХД), механизмов рождения тяжёлых кварков и распадов частиц, содержащих с- и Ь-кварки [3]. Отличительной особенностью эксперимента HERA-B являются большие множественности вторичных частиц, возникающих в одном протон-нуклонном взаимодействии, которые приводят к тяжёлым радиационным условиям работы для детекторов, входящих в состав спектрометра HERA-B. Кроме этого, высокая частота следования событий и огромные объёмы данных выдвигают новые требования к методам триггерования и способам хранения информации.

The Hera-B Spectrometer

Magnet

Vértex Wir»

920GeV lambers

Tracking Chambers (Inner+Outer) High l*-r Chambers

Рис. 1: Схематическое расположение детекторов спектрометра HERA-B.

Конфигурация детектора HERA-B с открытой геометрией и длиной порядка 20 м типична для экспериментов с фиксированной мишенью. Угловой аксептанс спектрометра составляет от 9 мрад (вокруг протонной трубы) до 160 мрад в вертикальном направлении (у-проекция) и до 250 мрад в горизонтальном направлении (плоскость магнитного поля, х-проекция). Схематическое расположение элементов спектрометра представлено на рис. 1. Вершинный детектор реконструирует треки и обеспечивает нахождение вершин распадов вторичных частиц на протяжении первых двух метров после мишени. Центр дипольного магнита с интегралом поля 2.1 Тм и радиусом 2.5 м, расположен на расстоянии 4.5 м от мишени. В области от z ~ 2 м до z ~ 13м, расположены 13 суперслоёв внутреннего и внешнего трекера, из которых 7 находятся в магнитном поле. Технология и гранулярность детектирующих элементов трековой системы изменяются с расстоянием от оси протонного пучка, обеспечивая требуемое пространственное разрешение и высокоточные измерения импульсов заряженных частиц. Три плоскости камер ('high-pt' камер), состоящие из газовых пиксельных камер (во внутренней области) и цилиндрических пропорциональных камер с падовым считыванием (во внешней области), также расположены в магните и обеспечивают формирование триггера на адроны и леп-тоны с большими поперечными импульсами. Детектор черенков-ского излучения, с радиатором расположенным от 8.5 м до 11.5 м, используется для идентификации каонов в диапазоне импульсов от 5 ГэВ до 50 ГэВ. Детектор переходного излучения и расположенный за ним электромагнитный калориметр образуют систему идентификации электронов в эксперименте HERA-В.

Мюонная система идентифицирует мюонные кандидаты как те треки, которые были реконструированы трековой системой и которым соответствуют сигналы в 4 суперслоях мюонных камер, расположенных на разных глубинах в абсорбере. Эффективная идентификация мюонов является одним из принципиальных требований в эксперименте HERA-B и играет ключевую роль при реконструкции полулептонных распадов очарованных и прелестных кварков и распадов на мюонные пары. Пары мюонов разных знаков с инвариантной массой в области J/ф мезона и мюоны с большим поперечным импульсом формируют триггер первого уровня в эксперименте. Использование мюонного детектора позволяет достичь требуемой ре-жекции адронов от мюонов во всём импульсном диапазоне при сохранении высокой эффективности идентификации мюонов.

Данная работа выполнена в рамках создания мюонного детектора в эксперименте HERA-В.

Актуальность темы диссертации.

Развитие физики высоких энергий привело к созданию ускорителей элементарных частиц (Fermilab, HERA, LHC), на которых сегодня достижимы энергии порядка ~ ТэВ. Составной частью проектируемых и создаваемых спектрометров на ускорителях нового поколения являются высокоточные трековые детекторы, выполненные на основе газовых пропорциональных камер с эффективной площадью 103 — 105 м2, способные функционировать в условиях экстремально высоких интенсивностей частиц. Большие радиационные загрузки, при характерном времени между столкновениями порядка десятков наносекунд, предъявляет жёсткие требования к эксплуатации газовых детекторов. Чрезвычайно важным и актуальным представляется создание и исследование характеристик детектора, способного разделять с высокой эффективностью мюоны и адроны в широком диапазоне импульсов в условиях большой множественности заряженных и нейтральных частиц.

Цели и задачи исследования.

Настоящая работа посвящена исследованию характеристик мюон-ного детектора в условиях высоких интенсивностей потоков частиц эксперимента HERA-B. При создании детектора ставились задачи поиска и экспериментального исследования характеристик газовых смесей, позволяющих обеспечить высокую эффективность регистрации минимально ионизирующих частиц, а также изучения возможности её использования в радиационных условиях эксперимента.

Целью диссертации также является математическое моделирование методов идентификации мюонов, анализ источников фоновых процессов в мюонном детекторе, экспериментальное измерение потоков заряженных и нейтральных частиц в эксперименте HERA-B и их сравнение с результатами расчётов.

Научная новизна и значимость работы.

Представлен анализ характеристик мюонного детектора, основанного на газовых пропорциональных камерах. Показана возможность работы мюонной системы в условиях высоких интенсивностей потоков частиц эксперимента HERA-B и получены экспериментальные данные с применением созданного детектора. Приведены экспериментальные результаты демонстрирующие, что скорость старения определяется не только полным аккумулированным зарядом, но также зависит от режима работы пропорциональной камеры и области облучения.

Автор защищает:

1. Результаты поиска и экспериментального исследования характеристик газовых смесей для пропорциональных камер, полученные на основе анализа измерений с использованием космических частиц и электронного ускорителя DESY-2 с энергией 3 ГэВ.

2. Экспериментальные результаты исследования процессов старения пропорциональных камер, проведённые на пучке а-частиц с энергией 100 МэВ и в условиях интенсивных потоков частиц эксперимента HERA-B.

3. Оптимизацию алгоритма мюонного претриггера и анализ результатов моделирования для выбранной схемы претриггера.

4. Результаты математического моделирования и оптимизацию методов идентификации мюонов с импульсами больше 5 ГэВ/с.

5. Экспериментальные результаты и анализ данных с мюонного детектора эксперимента HERA-B на протонном накопительном кольце HERA (920 ГэВ) в условиях реальных потоков частиц.

Практическая полезность.

Работа выполнена в рамках эксперимента HERA-B на ускорителе HERA в DES Y (Гамбург).

Результаты исследования были использованы при создании полномасштабного мюонного детектора для эксперимента HERA-B. Созданный мюонный детектор обеспечивает идентификацию мюонов в эксперименте HERA-B и помогает отбирать события, являясь как анализатором взаимодействий, так и элементом триггера всей установки.

Полученные результаты исследования процессов старения могут быть использованы при создании новых газовых детекторов, работающих в условиях высоких интенсивностей потоков частиц.

Апробация и публикации.

Материалы, изложенные в диссертационной работе, докладывались на конференциях:

1. Beauty'99 (Блед, Словения, Май 1999);

2. XIV Recontres de Physique de la Vallee dAoste (La Thuille, Италия, Февраль 2000);

3. IEEE'2000 (Лион, Франция, Октябрь 2000); и на научных семинарах в ИТЭФ (г.Москва, Россия) и DES Y (г.Гамбург, Германия).

Опубликованы в следующих работах: [4, 5, 6, 7, 8, 9, 10].

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации 140 страниц, 52 рисунка, 176 наименований цитированной литературы. Работа построена следующим образом:

Заключение