Исследование и оптимизация параметров катодно-стриповых камер для прецизионной мюонной станции установки "компактный мюонный соленоид" (CMS) на большом адронном коллайдере (LHC)

Моисенз, Петр Владимирович

Исследование и оптимизация параметров катодно-стриповых камер для прецизионной мюонной станции установки "компактный мюонный соленоид" (CMS) на большом адронном коллайдере (LHC) тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

Моисенз, Петр Владимирович АВТОР

доктора физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Дубна МЕСТО ЗАЩИТЫ

2010 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.01 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Исследование и оптимизация параметров катодно-стриповых камер для прецизионной мюонной станции установки "компактный мюонный соленоид" (CMS) на большом адронном коллайдере (LHC)»

Автореферат диссертации на тему "Исследование и оптимизация параметров катодно-стриповых камер для прецизионной мюонной станции установки "компактный мюонный соленоид" (CMS) на большом адронном коллайдере (LHC)"

п А ■(h

004607240

ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

ИССЛЕДОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ПАРАМЕТРОВ КАТОДНО-СТРИПОВЫХ КАМЕР ДЛЯ ПРЕЦИЗИОННОЙ МЮОННОЙ СТАНЦИИ УСТАНОВКИ «КОМПАКТНЫЙ МЮОННЫЙ СОЛЕНОИД» (CMS) НА БОЛЬШОМ АДРОННОМ КОЛЛАЙДЕРЕ (LHC)

Специальность: 01.04.01 — приборы и методы экспериментальной физики

13-2010-70 На правах рукописи УДК 539.1.074:621.382

МОИСЕНЗ Петр Владимирович

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

2 2 ИЮЛ 7010

Дубна 2010

004607240

Работа выполнена в Лаборатории физики высоких энергий Объединённого института ядерных исследований.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор

доктор физико-математических наук доктор физико-математических наук

Клименко Станислав Владимирович Семёнов Сергей Владимирович Тяпкин Игорь Алексеевич

Ведущая организация:

Физический институт имени П. Н. Лебедева Российской академии наук (ФИАН), г. Москва

Защита диссертации состоится " Р " 2010 г. в_ часов на заседании

диссертационного совета Д 720.001.02 в Лаборатории физики высоких энергий Объединённого института ядерных исследований, г. Дубна Московской области.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЛФВЭ ОИЯИ. Автореферат разослан Л»

Учёный секретарь

диссертационного совета ' Арефьев Валентин Александрович

Общая характеристика работы. Актуальность.

Согласно Стандартной модели (СМ) материя состоит из трёх поколений элементраных частиц — лептонов и кварков, участвующих в трёх типах фундаментальных взаимодействий — электромагнитном, слабом и сильном ядерном.

Стандартная модель была неоднократно проверена с высокой точностью во многих экспериментах, вплоть до максимальных энергий столкновений, доступных современным ускорителям частиц. Подвергалась она проверкам и в неускорительных (пассивных) экспериментах. Вместе с тем, несмотря на массу достоинств теоретического плана, мощную предсказательную силу и тщательную экспериментальную проверку, СМ обладает рядом недостатков и нерешенных проблем, что не позволяет считать ее окончательным вариантом теории:

1. В рамках самой СМ остается открытым вопрос приобретения массы частицами - стандартный механизм приобретения массы частицами (механизм Хиггса) все еще не подтвержден экспериментально - бозон Хиггса не обнаружен;

2. В описании присутствует большое число свободных параметров (а именно - 19), не фиксируемых в рамках самой СМ, как и число поколений фундаментальных частиц;

3. СМ определённо не может быть верной для всего диапазона энергий взаимодействия, вплоть до бесконечно больших значений. Это связано с наличием бесконечно больших поправок к массе хиггсовского бозона и требованием определенной подстройки теории, чтобы эти поправки сократить;

4. СМ не включает в себя гравитацию, четвертое из существующих фундаментальных взаимодействий.

Основные нерешенные проблемы СМ требуют привлечения более широких групп симметрий или других совершенно новых концепций (наподобие теории струн или сделанных "в духе" теории струн моделей с дополнительными пространственными измерениями). В настоящее время были сформулированы несколько теорий для того, чтобы ответить на вопросы, не охватываемые Стандартной Моделью. Наиболее популярна в настоящее время теория суперсимметрии (SUSY), основанная на гипотезе симметрии бозонов и фермионов. В рамках этой гипотезы предсказывается существование суперсимметричных партнеров всех обычных частиц СМ, а так же бозонов Хиггса, число которых больше по сравнению с СМ, например, 5 в наиболее популярной реализации SUSY - минимальном суперсимметричном расширении Стандартной Модели (MSSM). Другими возможными теоретическими предположениями, лежащими за рамками СМ, являются так называемые расширенные калибровочные модели теории великого объединения (ТВО), основанные на более широких группах калибровочных симметрий, чем СМ. В последний десятилетия широкое распространение получили гипотезы

многомерности нашего пространства и связанные с этим модели с дополнительными пространственными измерениями.

С помощью нового поколения физических установок на Большом Адронном Коллайдере (LHC), созданном в Европейском Центре Ядерных Исследований (CERN), может быть решён вопрос о существовании бозона Хиггса как одного из принципиальнейших вопросов Стандартной Модели, суперсимметричных частиц, дополнительных тяжелых калибровочных бозонов, возбужденных резонансных состояний гравитона и выполнена широкая программа физических исследований [С1].

Феноменология для различных вариантов сценариев за рамками СМ различна, однако есть общие черты, свойственные всем моделям, от самых простых до максимально изощрённых. Практически все модели за рамками СМ предсказывают существование новых частиц или явлений, которые могут быть обнаружены в каналах с мюонами в конечном состоянии. К настоящему времени в физике элементарных частиц выработалась устойчивая схема проведения исследований - сигналы "новой" физики ищутся по отклонениям от предсказаний стандартной модели (величина этих отклонений иногда не превышает нескольких процентов). Регистрация и анализ подобных событий невозможны без высокой точности и эффективности реконструкции мюонов, что налагает повышенные требования к характеристикам детекторов, поэтому в качестве базового детектора для торцевых мюонных систем эксперимента CMS [С2] выбрана многопроволочная пропорциональная камера с катодным считыванием информации со стрипов (катодно-стриповая камера, CSC). Катодно-стриповая камера сочетает в себе все необходимые для решения физической задачи свойства:

• определение координаты мюона с точностью лучше 50 мкм;

• высокое быстродействие, необходимое для формирования триггера первого уровня. Время сбора электронов первичной ионизации не превышает 100 не;

• возможность работы в условиях высоких фоновых загрузок порядка нескольких кГц/см2;

• возможность работы в магнитном поле порядка нескольких Тесла;

• приемлемая стоимость.

С точки зрения производства и стоимости детектора важным является наличие наработанных технологий изготовления.

Координатная точность камер мюонной станции ME 1/1 играет определяющую роль в обеспечении необходимого импульсного разрешения торцевой мюонной системы установки CMS. Необходимость объединения частей трека в мюонной системе и трекере, близкое расположение станции к внутреннему трекеру определяют высокие требования к эффективности и точности определения пространственных координат мюона. Большое количество каналов регистрации и ограниченное место для размещения детектора и элементов регистрации влекут за собой ряд особых требований к их разработке и эксплуатации.

Цель диссертационной работы.

Исследование применения катодно-стриповых камер для точной реконструкции координаты мюона в азимутальном направлении (не хуже 75 мкм [СЗ] в общей системе координат установки) и момента пролета (с точностью не хуже 4 не) в условиях неоднородного магнитного поля величиной 3 Тл и фоновых загрузок до 1 кГц/см2 в торцевых областях детекторов на Большом Адроном Коллайдере (LHC). Данное исследование предполагает:

1. Теоретическое и экспериментальное исследование методов перехода от сигналов к координате в катодно-стриповых камерах;

2. Теоретическое и экспериментальное исследование влияния неоднородного магнитного поля, электромагнитного сопровождения и некоррелированного фона на координатную точность и временные свойства катодно-стриповых камер. Анализ экспериментальных данных для исследования методов компенсации влияния магнитного поля на координатную точность;

3. Разработку и экспериментальное исследование методов, обеспечивающих состоятельность оценок параметров реконструированных траекторий мюонов;

4. Оптимизацию геометрических параметров катодно-стриповых камер для достижения требуемой точности, временных характеристик и эффективности реконструкции мюонного трека;

5. Разработку и создание программы моделирования координатного разрешения катодно-стриповой камеры учитывающей величину зазора анод-катод камеры, шаг анодных проволочек и их диаметр, свойства используемой газовой смеси, величину магнитного поля и величину газового усиления;

6. Теоретическое и экспериментальное исследование методов определения параметров локальных систем координат детекторов мюонных станций ME 1/1 в общей системе координат установки CMS;

7. Анализ экспериментальных данных для подтверждения соответствия параметров камеры требованиям эксперимента CMS в условиях, близких к реальным на LHC.

Научная новизна работы.

Впервые выполнено комплексное исследование и экспериментально показано, что катодно-стриповая камера обеспечивает точность регистрации координаты мюона в азимутальном направлении не хуже 75 мкм и времени пролета с точностью лучше 4нс в условиях неоднородного магнитного поля величиной 3 Тл и фоновых загрузок до 1 кГц/см2 в торцевых областях установки «Компактный мюонный соленоид».

В диссертационной работе разработаны оригинальные методы и приведены новые результаты теоретических и экспериментальных исследований характеристик катодно-стриповой камеры:

• впервые детально исследованы методы перехода от сигналов к координате частицы, получены аналитические выражения для координатной точности, зависимость точности от переполнения амплитудно-цифрового преобразователя, объяснено поведение точности поперёк и вдоль стрипа. Предложена и реализована процедура оптимизации геометрических параметров CSC для достижения требуемой координатной точности;

• впервые выполнено исследование и даны практические рекомендации по оптимизации временного шага считывания амплитуды выходного сигнала катодного тракта;

• для установок типа телескоп впервые выполнен оригинальный математический анализ задачи определения параметров локальных систем координат детектора в общей системе координат установки. Осуществлен выбор минимальных требований для однозначного решения задачи;

• впервые применён метод максимума правдоподобия для достижения оптимальных оценок параметров траекторий в CSC;

• впервые исследовано влияние магнитного поля CMS (3 Тл) на координатное разрешение камеры;

• впервые исследовано влияние электромагнитного сопровождения, индуцируемого мюонами высоких энергий в веществе, на координатное разрешение камеры и эффективность реконструкции мюонных треков в магнитном поле CMS;

• впервые исследовано влияние утечек адронного ливня на фоновую загрузку ME 1/1;

• впервые исследованы временные свойства CSC в условиях, близких к LHC.

Практическая ценность работы.

Данная работа содержит методы решения основных задач связанных с использованием катодно-стриповых камер в эксперименте.

На основе полученных результатов выполнена оптимизация геометрических параметров камеры для достижения требуемой точности, эффективности регистрации мюонов и момента пролёта мюонов.

Предложены и экспериментально реализованы оригинальные методы изучения характеристик камер мюонной станции ME 1/1 в условиях, приближенных к реальным в установке CMS.

Разработанные методы применены для разработки и легли в основу создания уникального детектора — мюонной станции ME 1/1. Полученные результаты применимы также для:

• газовых детекторов, принцип действия которых основан на анализе наведённого заряда на сегментированном катоде (Gas Electron Multiplier, micromegas, Time Projection Chamber,...);

• предливневых детекторов с сегментированной детектирующей частью;

• проективных калориметров для восстановления координат центра ливня;

• дрейфовых камер для восстановления передаточной функции.

Апробация работы.

Основные результаты диссертации изложены в 25 работах, список которых приведен в конце автореферата. К списку, рекомендованному ВАК РФ, относятся [3], [10], [12], [14], [15], [17], [18], [19], [20]. К докладам, опубликованным в материалах международных конференций, относятся [2], [5], [6], [16], [22], [24]. Результаты исследований неоднократно докладывались на общелабораторных семинарах в ЛФЧ, ЛФВЭ ОИЯИ, на семинарах коллаборации CMS в ЦЕРН (Женева, Швейцария), а также на следующих международных совещаниях и конференциях:

1. Proceedings of the 9th International Conference Computing in High Energy Physics 91, p.511-514, Tsucuba, Japan, 1991.

2. Proceedings of the 10th International Conference Computing in High Energy Physics 92, p.316-318, Annecy, France, 1992.

3. First Annual RDMS CMS Collaboration Meeting, CERN, Geneva, Switzerland, December 11-15,1995.

4. Second Annual RDMS CMS Collaboration Meeting, CERN, Geneva, Switzerland, December 16-17, 1996.

5. Third Annual RDMS CMS Collaboration Meeting, CERN, Geneva, Switzerland, December 16-17, 1997.

6. Fifth Annual RDMS CMS Collaboration Meeting, ITEP, Moscow, Russia, November 22-24, 2000.

7. CMS Endcap Muon Meeting, CERN, Geneva, Switzerland, June 14, 1998.

8. Proceedings of ME1/1 Engineering Design Review, CMS Document 99-047, CERN, Geneva, Switzerland, June 21-23, 1999.

9. Proceedings of the 7th International Conference on Advanced Technology @ Particle Physics (ICATPP-7), World Scientific, 2002, pp.347-351.

10.Proceedings of the 7th International Conference on Advanced Technology @ Particle Physics (ICATPP-7), World Scientific, 2002, pp.347-351.

1 l.Endcap Muon CSC-ME1/1 Meeting at CERN, Geneva, Switzerland, June 06, 2004.

12.Ninth Annual RDMS CMS Collaboration Meeting, NC PHEP, Minsk, Belarussia, November 29-December 01,2004.

13.Tenth Annual RDMS CMS Collaboration Meeting, PNPI, St. Petersburg, Russia, September 12-17, 2005.

14.Endcap Muon CSC-ME1/1 Meeting at CERN, Geneva, Switzerland, June 18, 2005.

15.CMS HCAL Software Preparedness Review, CERN, Geneva, Switzerland, February 23, 2006.

16.Eleventh Annual RDMS CMS Collaboration Meeting, Varna, Bulgaria, September 12-15,2006.

17.Endcap Muon CSC-ME1/1 Meeting at CERN, Geneva, Switzerland, February 26,2007.

18.Endcap Muon CSC-ME1/1 Meeting at CERN, Geneva, Switzerland, June 16, 2007.

Структура и объём диссертации. Диссертация объемом 253 страниц состоит из введения, четырёх глав и заключения. Содержит 11 таблиц, 167 рисунков и список цитируемой литературы из 106 ссылок.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 25 работ, в том числе в журналах «Письма в ЭЧАЯ», «JINR Rapid Communications», «Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section А» и материалах международных конференций («Computing in High Energy Physics 1991, 1992», «International Conference on Advanced Technology @ Particle Physics 2002», «International Conference in High Energy Energy Physics 1993», «International Conference on Calorimetry in High Energy Energy Physics 1994»).

Содержание диссертации.

Во введении рассмотрена актуальность исследований, сформулированы цели и задачи диссертационной работы.

В первой главе приведено краткое описание и основные характеристики «Большого Адронного Коллайдера» (LHC). Рассмотрено назначение создаваемых для работы на LHC экспериментальных установок. Дано краткое описание установки «Компактный мюонный соленоид» (CMS). Общий вид установки CMS показан на рис.1. Торцевая часть мюонного спектрометра состоит из 4 станций. Первая станция МЕ1 состоит из колец детекторов — МЕ1/1, МЕ1/2 и МЕ1/3. Передняя станция МЕ1/1 (являющаяся предметом исследования данной диссертации) — самое внутреннее кольцо детекторов — расположена на расстоянии 6 метров от точки взаимодействия пучков и на расстоянии 1 метр от оси пучков. Она находится непосредственно за адронным калориметром и перекрывает диапазон по псевдобыстротам от 1,6 до 2,4. В отличие от остальных станций ME 1/1 расположена в аксиальном магнитном поле соленоида 3 Тесла.

Для достижения требуемого разрешения по импульсу (AP/P ~ 10% для мюонов 1 ТэВ/с) всей торцевой мюонной системы, камеры мюонной станции ME 1/1 должны

обеспечивать координатное разрешение ст ~ 75 мкм. Эффективность восстановления треков мюонов должна быть близка к 100%. Для определения момента столкновения пучков

необходимо временное разрешение ~ 4 не. Камеры мюонной станции ME 1/1 должны работать в аксиальном магнитном поле соленоида величиной

~ 3 Тл с радиальной составляющей ~ 0,3 Тл. Станция должна обеспечить требуемые параметры при фоновых загрузках от заряженных частиц порядка 1 кГц/см2. В этой главе обсуждаются пропорциональные камеры с катодным считыванием информации со стрипов в качестве базового детектора для торцевых мюонных спектрометов эксперимента CMS. Сформулирована программа теоретических и экспериментальных исследований, обеспечивающих точную регистрацию мюонов станцией ME 1/1 в условиях неоднородного магнитного поля и больших фоновых загрузках.

Вторая глава посвящена оптимизации параметров CSC (для достижения требуемой координатной точности) и исследованию основных характеристик (точность, эффективность и временные свойства).

Координатная точность (ох) регистрирующего слоя CSC

2 2 2 2 2 2 о'х = ° meth+tf Br+O Bz+O diff+G rest >

где Gmeth - метод перехода от сигналов катодно-стриповой камеры к координате, аВг - влияние радиальной составляющей магнтного поля на точность, аВг -влияние нормальной составляющей магнитного поля на точность, adjff- влияние диффузии электронов точность и arest - влияние качества изготовления и точности положения детектора (alignment) в системе координат установки.

В данной главе детально исследованы метод отношений и метод фитирования [1,2] для перехода от информации со стрипов катодно-стриповой камеры к координате мюона (передаточная функция). На рис. 2 представлено типичное событие зарегистрированное шестислойной CSC в условиях отсутствия фона.

Рис.1 Общий вид установки «Компактный мюонный соленоид» (CMS)

IW0H CHAMERS I 1ШВШЮЕН I CRYSTAL ECAL 1

тчгтт

Ш.ЩМЕТЕВ

14,500 t _/

14.60 ffl | EUPEftCOWCUCTiNG COIL |

21.60 m

Рис. 2. Регистрация одиночного мюона CSC в условиях отсутствия фона. Слева-информация с шести катодных плоскостей , справа - сработавшие анодные группы, состоящие из набора анодных проволок

Мюоны, проходя через газ, рождают электроны первичной ионизации, которые дрейфуют к анодным проволокам вдоль силовых линий электрического поля. Вблизи анодных проволок исходные электроны порождают электронно-ионную лавину. В результате движения положительных ионов от анода к катодам на последних индуцируется заряд Qi (i- номер стрипа). На практике в качестве исходной информации мы располагаем не Qj, а Qi+P,+e, где Pj - пьедестал канала электроники, е - случайная ошибка (шум электроники). Pj+e - случайная величина, распределенная по нормальному закону. В условиях отсутствия регистрируемых частиц, анализируя плотность распределения Pj+e, легко найти значение величины Pj и дисперсию о2(е). После подстановки величины Pj, в качестве исходной информации мы располагаем Qj+e, в дальнейшем эту величину обозначим Qj.

Назовем кластером непрерывную последовательность стрипов с уровнем Q,>3g, ограниченную справа и слева парой стрипов с уровнем Qj<3a. Через Qc обозначим наибольший (центральный) Qj в кластере, а правый и левый соответственно Qr=Qi+i, Qi=Qm- Соотношение значений величин Qr и Q, характеризует положение мюона относительно центра стрипа с зарядом Qc. Суть различных вариантов метода отношений состоит в том, что конструируется некоторая величина а на основе величин Qr, Qi и Qc, и затем

восстанавливается передаточная функция х=Г(а), где х - координата мюона относительно центра стрипа с зарядом ()с. Например, рассмотрим а в виде

2& -а -о,

Значение параметра а не зависит от пропорционального или систематического изменения зарядов Qr, Q| и Qc и изменяется в интервале [-1,1], а передаточная функция f(a) — непрерывная, нечетная, монотонно возрастающая, изменяющаяся в интервале [-0,5 W, 0,5 W], где W - расстояние между центрами соседних стрипов. Задача восстановления f(cc) при условии, что х - известная величина традиционна и хорошо разработана. Рассмотрим случай, когда х -неизвестно. Пусть р(а) - плотность распределения а, Р(х) - плотность распределения х и а= ц/(х). Тогда, как это известно, из теории вероятностей,

Р(х) = р(у(х))-<у'(х).

Когда Р(х) - равномерна, для произвольного ах легко найти соответствующий х через функции распределения х и а

х = —— + W |p(a)da.

Таким образом, передаточная функция представляет собой функцию распределения а, умноженную на ширину стрипа и сдвинутую на половину стрипа для случая равномерной плотности распределения координат мюонов поперек стрипа. Последнее условие выполнимо для большинства экспериментов. На рис.3 представлены плотность распределения и функция распределения (ядро передаточной функции) а.

а Distribution ond ond Integral of « from CSC DUBNA Prototyp«

Рис. 3 Плотность распределения и функция распределения а

Для аппроксимации функции распределения а достаточно полинома седьмого порядка либо можно воспользоваться подходом [3-6].

Основные параметры CSC были исследованы на прототипах Р0-Р4 [7, 8]. С помощью прототипа РО была показана возможность точной реконструкции координат мюонов (рис. 4) в радиальном магнитном поле величиной 3 Тл. Прототип РО представлял собой 4-х слойную пропорциональную камеру прямоугольной формы размером 0,5x0,5 м2, т.е. состоял из 4 идентичных субкамер. Величина зазора анод-катод была равна 2,5 мм. Диаметр анодных проволочек — 30 мкм, шаг проволочек — 2,5 мм. Один из катодов в каждой плоскости был выполнен в виде параллельных стрипов с шагом считывания 5,08 мм. Механическая точность сборки камеры (несоосность стрипов для разных плоскостей камеры) была обеспечена на уровне не хуже 40 мкм. Использовалась быстрая рабочая газовая смесь с добавкой CF4 — Ar(300/o)+CF4(20%)+C02(50%).

Х{гаск - Хгесоп (тт)

Рис. 4 Координатное разрешение для одной плоскости прототипа РО

Точность определения координаты 0р> можно представить как

_ егЩ ~б,)2 + (6, -в,У + (Й <эж - а) - ат - а) - аса - а)'

где (2С, <3Г, С>| - измеренные на стрипах заряды, а а2 - дисперсия шума электроники. Рассмотрим два специальных случая, когда х = 0 и х = ±0,5 IV, т.е. мюон проходит через центр стрипа и между стрипами. В этих случаях

а сг

<Т"~ л/2-е;~~ л/г-е-^'

где Q - полный заряд, измеренный на катоде,

цг~ производная от доли индуцированного в правом стрипе заряда. Таким образом, координатная точность определяется отношением сигнала к шуму р/с? и величиной изменения доли заряда в боковом стрипе. С известной долей упрощения <3 определяется величиной высокого напряжения и газовым составом, цг - геометрией детектора, су - качеством исполнения ("шум") электронного канала. Рассмотрим подробнее поведение ц г. Например, на рис. 5 представлено распределение доли индуцированного в стрипе заряда в зависимости от расстояния между координатой мюона и центром стрипа (прототип Р4 [8], 1¥=5,6 мм).

Рис. 5 Зависимость доли измеренного в стрипе заряда q от расстояния между координатой

мюона и центром стрипа

Для случая х=0 необходимую производную следует взять в точке -5,6 мм, для х=2,8 мм в точке - 2,8 мм. Легко заметить, что производная в первом случае меньше чем во втором. Отсюда следует, что координатная точность поперек стрипа не постоянна, более того, точность в центре хуже точности между стрипами (рис. 6 (а)). Аналогично можно показать, что координатная точность не постоянна и вдоль радиуса (рис. 6 (б)). Моделирование, результаты которого представлены на рис. 6(6), выполнено автором с использованием программ GEANT3 [С4], HEED [С5], MAGBOLTZ [С6]. Оптимальная ширина стрипа (с точки зрения координатной точности) равна расстоянию анод-катод [1,2].

— 130 -

Е ^

•5 I г 120 [

04 SPATIAL RESOLUTION ACROSS STRIP

GASAr(40?:) + CFJtlOT.) + C01(50*;) . STRIP WIDTH 5 б mm ANODE-CATHOPE DISTANCE J.mm ANOOE-ANODE DISTANCE 2.54mm WACNETI FIELD 2.5T y-TRACK(225GeV) 0= 10°

HV=2.7lkV ■

0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7

TEST BEAU 04. HV=3kV SIMULATION. HV=3kV

Рис. 6 Изменение координатной точности: а) поперек стрипа для прототипа Р4 [8], б) вдоль радиуса для финальной версии камеры (испытания на пучке мюонов ЦЕРНа в 2004 году и

результаты моделирования)

В рамках метода фитирования [1,2] необходимая координата мюона (х) и заряд, измеренный на катоде (0, определяются из условия минимума где

п - число стрипов в кластере, принятых в рассмотрение,

г — номер стрипа в кластере,

(¿Г"' - измеренный заряд в стрипе,

- доля индуцированного на стрипе заряда. Поскольку ошибки измерения распределены по нормальному закону, то полученные оценки О VI х являются несмещенными. Точность восстановления координаты ста можно представить как

СГ

1>;2

1--

Œ ч.я:?

..I_

Для частного случая, когда мюон проходит через центр стрипа либо между стрипами

Далее, для п, равных 2 либо 3, получим

° V2-Q-q'/

Таким образом, для кластеров, шириной 2 либо 3 стрипа, координатные точности метода отношений и метода фитирования совпадают, если мюон проходит через центр стрипа либо между стрипами. Все основные замечания относительно точности метода отношений поперек стрипа качественно можно перенести на метод фитирования.

Предложенные методы восстановления передаточной фукции и оценки координатной точности применимы для любых газовых детекторов, принцип действия которых основан на анализе наведенного заряда на сегментированном катоде (Gas Electron Multiplier, micromegax, Time Projection Chamber,...). Более того, эти методы были автором успешно применены для анализа данных с предливневого детектора (ПД) прототипа электромагнитного калориметра типа «шашлык» [3-6]. ПД предназначен для подавления фона гамма квантов, образованных от распада л° и обеспечивает высокую координатную точность (= 300 мкм) определения центра ливня за счет применения кремниевых стриповых детекторов с шагом ~ 2 мм. Следует

заметить, что исследования поведения точности поперек и вдоль стрипа объясняют аналогичное поведение координатной точности в

проективных калориметрах [6, С7].

Далее во второй главе для случая переполнения амплитудно-цифрового преобразователя,

предложен метод восстановления координаты и показано, что в этом случае наилучшая точность достигается в центре стрипа, а наихудшая — между стрипами (рис. 7) [С2, 2, 9].

Исследовано влияние ёмкостных связей (кросс-токов) между стрипами, а так же анодом и катодом на форму выходного сигнала (рис. 8а) и координатную точность (рис. 86) [1, 2]. Предложены методы оценки

Рис. 7 Сравнение изменения координатной точности поперек стрипа для случая переполнения амплитудно-цифрового преобразователя (открытые окружности) со случаем без переполнения (закрашенные окружности)

TiuE sauplf.s

Рис. 8а Разложение реального сигнала со стрипа на теоретический сигнал и кросс-ток

« COORDINATES. Run4i

TRACK COOROINATeS(mm)

' v."-

Г. . ...,!,... ........

TRACK COORDINATES(mm)

Рис. 86 Корреляция между координатой трека мюона и ошибкой вычисления этой координаты до и после введения поправок из-за кросс-токов

параметров кросс-токов. Предложены методы восстановления теоретической формы выходного катодного сигнала как поперёк стрипов, так и во времени.

Предложена методика и исследовано влияние 5-электронов на регистрацию мюонов [10]. Показано, что вероятность образования 5-электронов в отдельном регистрирующем слое (субкамере) составляет

11,8%+1,2%, а вероятность поглощения 5-электронов в субкамере - 78,8%±12%. Из-за 8-электронов координатная точность ухудшается [11]. Негативное влияние 5-электронов

компенсируется увеличением числа субкамер. Аналитически показано, что минимальное число субкамер для условий ME 1/1 -шесть. С помощью прототипа Р2 было изучено влияние

электромагнитного сопровождения, генерируемого высокоэнергетичными мюонами проходящими через адронный калориметр, на эффективность реконструкции мюонных треков. Показано, что наличие 6 субкамер также наиболее оптимально с точки зрения эффективности реконструкции треков мюонов с электромагнитным сопровождением (рис. 9) [12] и стоимости детектора.

Далее во второй главе показано, что для достижения оптимальных оценок параметров треков в CSC наряду с методом робастного фитирования следует использовать метод максимального правдоподобия. Выполнены необходимые исследования практические рекомендации по применению (рис. 10) [1,2].

/'"¡с-** Tff

Number of layers

Рис.9 Зависимость эффективности реконструкции мюнных треков от количества плоскостей в камере

и даны

Особенность считывания данных с мюонных детекторов установки CMS состоит в том, что в специализированной аналоговой памяти хранится история развития сигнала, записанная через равные промежутки времени (25 не), позволяющая, в случае необходимости, разделять

наложившиеся сигналы от различных частиц, что повышает качество функционирования

детектора в условиях фона. Точности восстановления

координаты мюона и момента пересечения (временной

характеристики) им CSC зависят от количества и периода измерений Рис 10 распределение ошибок вычисления формы сигнала. Было выполнено координаты для метода наименьших

теоретическое исследование и квадратов (верхний рисунок) и метода получены аналитические оценки максимального правдоподобия (нижний точности для следующих задач [11]: рисунок)

• деградация точности восстановления координаты одиночного мюона для случая однократного измерения формы сигнала;

• зависимость точности восстановления координаты одиночного мюона от числа измерений формы сигнала;

• зависимость точности восстановления координаты мюона от числа измерений формы сигнала (случай двух частиц);

• зависимость точности восстановления координаты и временной характеристики одиночного мюона от числа измерений формы сигнала;

• зависимость точности восстановления координаты и временной характеристики мюона от числа измерений формы сигнала (случай двух частиц);

• зависимость точности восстановления координаты и временной характеристики одиночного мюона от числа измерений формы сигнала в условиях некоррелированного фона;

• зависимость точности восстановления ширины стрипа (радиуса), координаты и временной характеристики одиночного мюона от числа измерений формы сигнала в условиях некоррелированного фона.

По результатам выполненного исследования даны практические рекомендации по оптимизации временного шага считывания сигнала катодного тракта для различных условий [11]. Показано, что шаг считывания в 50 не не приводит к существенной деградации координатной точности, но позволяет сократить объём считываемой с CSC информации. На рис. 11 представлена зависимость относительной точности восстановления координаты мюона для случая двух

1'ЕГИ!. .L' [:f.Tri.:!Nn'IIFi l' L ; и I LH I'LTM ['■ I Ч/'<'1''

bzzfzzz :== [=: III ! .!<!')!.! Ll-Th-T........t..... .^.н-,; .i-ji!..........-¿шке-Ш.. II", 0.^,5

-...................'............. ...........t....................... ......... r~........

= 1

;•........-........I................ ::::: ....................i_______________

[_______________ . —/

частиц. Предполагалось, что ширина стрипа - 5 мм, расстояние между анодом и катодом - 3 мм, расстояние между анодными проволоками - 2,5 мм и радиус проволоки — 15 мкм. Хорошо видно, что координатная точность деградирует, если расстояние между соседними частицами меньше 5 мм, и они разнесены во времени менее, чем на 100 не.

Перейдем к исследованию влияния радиальной и нормальной составляющих магнитного поля на координатную точность (с>вг,овг)- Катодно-стриповая

камера является газовым детектором, в котором электроны ионизации, дрейфующие в электрическом поле к анодной проволоке, под действием магнитного поля сносятся, что приводит к потере точности восстанавливаемой координаты мюона. Поворот камеры либо анодной проволоки на соответствующий угол относительно оси камеры (центрального стрипа) позволяет в основном сохранить точность. Традиционные методы экспериментального определения необходимого угла поворота основаны на использовании специализированных детекторов (например, с механически поворачиваемой плоскостью анодных проволок и т. п.).

Предложена принципиально новая методика по экспериментальному вычислению угла наклона [С2, 13, 14]. Подробно исследовано влияние различных вариантов магнитного поля (нормальное, радиальное и комбинированное) на снос электронов. Отрицательное влияние радиального поля (вдоль стрипа) компенсируется поворотом детектора на угол, зависящий от величины магнитного поля. Для определения угла поворота исследовалась координатная точность детектора в зависимости от угла наклона трека и величины магнитного поля. Результаты оценки тангенса угла Лоренца для радиального поля представлены на рис. 12. Видно, что тангенс угла поворота линейно зависит от магнитного поля. Отрицательное влияние нормального (перпендикулярного плоскости детектора) поля на координатную точность компенсируется поворотом анодной проволоки. Для оценки угла исследовалась зависимость координатной точности детектора с повернутой анодной проволокой от величины магнитного поля. Положение минимума этой зависимости дает необходимую связь между углом поворота и магнитным полем. Зависимость координатной точности для одной плоскости камеры от

восстановления координаты мюона (случай двух частиц)

величины магнитного поля для угла проволоки аь=21,2° приведена на рис. 13. Зависимость величины угла Лоренца ^ а0 от величины нормальной составляющей магнитного поля для газовой смеси Аг/СР4/С02 разного процентного состава

приведена на рис. 14. Видна слабая зависимость

величины угла от состава газовой смеси [13, 14]. На основе экспериментальных результатов построена

линейно-кусочная зависимость угла Лоренца для различных соотношений нормальной и радиальной составляющих магнитного поля и разного процентного состава газовой смеси Аг/СР4/С02.

С целью оптимизации угла наклона анодных проволочек была создана программа моделирования координатного разрешения камеры учитывающая

величину зазора анод-катод камеры, шаг анодных проволочек и их диаметр, свойства используемой газовой смеси, величину магнитного поля и величину газового усиления [14]. Результаты моделирования неоднократно проверены экспериментальными данными, полученными при исследовании различных прототипов. Зависимость величины координатного разрешения по площади для одной из плоскостей камеры (субкамеры) приведена на рис. 15 [14]. Моделирование выполнено для газовой смеси Аг(30%)+ СР4(10%)+С02(60%), газового усиления й-Ю5, величины магнитного поля ~ 3 Тл, соотношения радиальной и нормальной компонент магнитного поля ~ 0,1 и величины зазора анод-катод 3,5 мм, шага анодных

Рис. 12 Зависимость точности реконструированной координаты мюона от угла наклона трека для различных значений радиальной составляющей магнитного поля

В(Т)

Рис.13 Зависимость координатного разрешения для одной плоскости прототипа Р2 от величины магнитного поля

проволочек 2,5 мм и их диаметра 30 мкм. Оптимальная величина эффективного угла наклона анодных проволочек равна а.1=27°[С2, 14].

¿1.0-Ь

§100-

£Л i-"0" 80 - 1 тВг 1 щжЖИШ ь Ш ИЖИЯ

7080- ... - -отаИРЛУидиидщ ЯВШ яи

60 -

280

МО T^rtri

180

Рис. 14 Зависимость величины угла Лоренца ^ ац) от величины нормальной составляющей магнитного поля для газовой смеси Аг/СР^ССЪ

различного процентного состава: «-40:10:50, •30:20:50, л-30:10:60

Рис. 15 Зависимость величины координатного разрешения по площади для одной плоскости камеры (моделирование)

Выполненные исследования позволяют оптимизировать расстояние между анодом и катодом (h), а также угол наклона анодной проволоки по величине координатной точности. Предположим, что за счет поворота анодной проволоки в основном компенсировано негативное влияние нормальной составляющей магнитного поля, тогда точность восстановления координаты мюона ашт (субкамеры) можно

представить как

2 2 2 2 2 2 О sum = О meth+°"Br+0 wire+O'djff+O тес ,

где CTmeth - метод перехода от сигналов CSC к координате, овг — влияние радиальной составляющей магнтного поля Иа точность, owire -влияние нормальной составляющей магнитного поля на точность (из-за геометрии субкамеры) , adifr - влияние диффузии электронов точность и сттес -

Рис. 16 Зависимость координатной точности и ее составляющих от расстояния между анодом и катодом для Аг(40)+СР4(10)+С02(50)

влияние качества производства. На рис. 16 представлена зависимость точности (<т5ит) и ее составляющих от /г для верхней части субкамеры и газовой смеси Аг(40)+СР4(10)+С02(50). Из рис. 16 видно, что в качестве И можно взять 3,5 мм.

Перейдем к выбору угла наклона анодной проволоки станции МЕ1/1 для Ъ=3,5мм. Особенность задачи состоит в том, что в рабочем объеме станции плотность мюонов непостоянна, эффективный угол (<//) меняется в зависимости от изменения магнитного поля, существует неопределенность параметров магнита и радиальная структура станции не позволяет полностью компенсировать влияние магнитного поля по всей площади на координатную точность. Средняя координатная точность по всему рабочему объему может быть вычислена как

v —00—СО—со—00

где сг - стандартное отклонение плотности распределения ошибок измерения координаты мюона, Рь - плотность, |

характеризующая неопределенность параметров |

магнита, Р„

плотность распределения мюонов в

рабочем объеме, В - значение магнитного поля в | центре CMS, R - радиус, (р - азимутальный угол, z -продольная координата. На рис. 17 представлена зависимость средней координатной точности в объеме МЕ1/1 от эффективного угла для равномерной плотности Рь в интервале (3,5 - 4,0 Т) и газовой смеси Ar(40)+CF4(10)+C02(50). Из рис. 16 следует, что угол наклона = 29°.

Временное разрешение камеры было Рис. 17 Зависимость исследовано экспериментально [15, 16]. При координат-ной точности исследованиях прототипов РЗ и Р4 [7-8] станции МП 1/1 от угла наклона

анодной проволоки для ширины

стрипа W=7,6

использовалась электроника регистрации со' стрипов на основе специализированных больших интегральных схем КАТОД-1 [СЮ] и КАТОД-З.

Анодная электроника была изготовлена на базе токового предусилителя-формирователя MSD-2 [С9]. Прототип РЗ был развёрнут на угол 6=10° к оси пучка для имитации геометрии положения камеры в установке CMS (рис. 18).

И \ — )" —"^П 1 ■ П 1 ^

п [I 1 1 Ц I beam CI SI S2 С 2 S3

Рис. 18 Схема;

пучковые камеры, 5/, 52, 55 - триггерные сцинтилляционные счетчики, р - угол поворота

прототипа)

Временные спектры сигналов с анодных каналов и быстрых катодных каналов регистрации имеют похожую форму с шириной по основанию около 30 не и 40 не соответственно (рис.19).

1700 1400 1800 2000 2100 2200 2300

Рис.19 Форма временного спектра для одной плоскости прототипа РЗ при считывании информации с анода (слева) и стрипов (справа). Цена деления ВЦП — 0,1 нс/канал

На рис. 20 представлены временные распределения для шести последовательно

приходящих по времени сигналов с 6 анодных плоскостей камеры. Величина временных спектров по основанию (для 99% событий) составляет значение для 1-го сигнала — 10,5 не, для 2-го — 12 не, для 3-го — 14 не, для 4-го — 16,5 не, для 5-го — 22,5 не для 6-го — 26,5 не.

Рис.20 Временные распределения для шести последовательно приходящих сигналов с 6 анодных плоскостей прототипа РЗ

Теоретические и экспериментальные исследования на прототипах Р0- Р4 показали, что:

• координатное разрешение для одной плоскости камеры в магнитном поле величиной ~ 3 Тл равно а ~ 50 мкм. Влияние нормальной составляющей магнитного поля компенсируется путем поворота анодных проволочек на соответствующий угол Лоренца относительно стрипов;

• для обеспечения высокой эффективности реконструкции мюонных треков необходимо наличие как минимум 6 субкамер в камере;

• возможна однозначная привязка событий к времени взаимодействия пучков в коллайдере за время 25 не, при этом первые пять анодных сигналов могут служить временной меткой события. Мажоритарные совпадения (4/6) сигналов с 6 анодных и 6 катодных плоскостей камеры в заданной геометрии определяют принадлежность события к треку от заряженной частицы.

Третья глава посвящена описанию исследования характеристик прототипов Р2-Р4 и финальной версии камеры [С11] мюонной станции МЕ1/1 в условиях, близких к реальным в эксперименте CMS.

Эффект влияния коррелированного фона (электромагнитного сопровождения, генерируемого высокоэнергетичными мюонами, проходящими через материал поглотителя адронного калориметра) исследовался с помощью прототипа Р2 и финальной версии камеры на канале Н2, ЦЕРН, без магнитного поля и в магнитном поле величиной 3 Тл (рис.21).

IIN-70 Pciipik'ral S.I L11CS . ' HN.iSO <

ГШ '<

-X/ ни -

\Р] Ш1/

-Gas r;a к

HN.'S.l-JSh

Пса

НЕ moving table

Г Mwrc": MEi/r

¡1 2 ?! ее iu^Ml

Jsi-sj 1 (XI 200

Magnet

мп/:,/ ft tl

itMl

Vvjkyrrr

V\ u\ BE и:

"Г

MEl/l'jvriphc al crate__ ___

740 172»

112 lv;ini Jump

125 125 1.45

Рис. 21 Блок-схема эксперимента для исследования влияния вторичных частиц на МЕ1/1

На рис. 21 ЕЕ — электромагнитный калориметр (кристаллы PbW04), НЕ — торцевой адронный калориметр (многослойная конструкция из латуни и сцинтилляторов), МЕ1/Г (МЕ1/1) — катодно-стриповая камера. МЕ1/1 использовалась для исследования вклада вещества камеры в изучаемые эффекты. Система сбора информации и триггер полностью соответствовали CMS. Сборка ЕЕ+НЕ+МЕ1/Г по геометрии и количеству вещества также соответствовали CMS (г|=1,7, ф=1,54). В период теста были набраны данные

Electromagnetic secondaries probability in ME 1/1. % 30 г

50 100

150 200 250 300 Muon enerev E, GeV

Рис. 22 Доля событий с электромагнитным сопровождением в МЕ1/Г в зависимости от энергии мюона. 1-МЕ1/1 смонтирована на НЕ, 2-МЕ1/Г за магнитом, 3-смонтирована на НЕ (электромагнитное сопровождение из НЕ)

для мюонов с энергиями 30, 50, 100, 150, 300 ГэВ. Измеренная вероятность образования

вторичных треков в ME 1/1' от электромагнитного сопровождения мюона составила величину 21% для мюонов с импульсом 100 ГэВ/с и 27% для мюонов с импульсом 300 ГэВ/с [17]. Таким образом, электромагнитное сопровождение из НЕ составляет примерно 7% (на рис. 22 обозначено окружностями). Многослойные катодно-стри-повые камеры позволяют сохранить высокую координатную точность (<т ~ 75 мкм) и эффективность реконструкции треков мюонов (на уровне 92-94%) в условиях присутствия электромагнитного сопровождения (рис.23) [12].

Адронный ливень

рождается взаимодействием заряженных пионов с веществом поглотителя калориметров (ЕЕ, НЕ). Вторичные частицы этого взаимодействия могут

проникать и регистрироваться в ME 1/1. Необходимые измерения были выполнены вместе с измерениями электромагнитного сопровождения на той же экспериментальной установке [17]. Было исследовано взаимодействие 7С+ (энергией 50, 100, 150, 300ГэВ/с) для НЕ+МЕ1/Г и энергией ЗООГэВ для ЕЕ+НЕ+МЕ1/1'. Для корректного анализа мюонные события в первичном пионном пучке 10%) , были подавлены по

величине отклика в НЕ (<70fC). На рис. 24 представлена вероятность регистрации утечек адронного ливня в ME 1/1'. Как видно из рисунка пионы

100

Б 80

У - Tcjtcil efficiency

* - /iftrackis

1* - /¿[fe.m.iseconaaries!

1 ! 1 ! 1

......■¡'■'X—i.......it i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i i

50 100 150 200 250

300 350 Е¡I, GeV

Рис.23 Зависимость эффективности реконструкции мюонных треков от их энергии

ЗООГэВ/с порождают 38% событий в МЕ1/Г для НЕ+МЕ1/Г и 17% ЕЕ+НЕ+МЕ1/1' [17].

для

Влияние некоррелированного фона на характеристики камеры исследовалось на прототипах РЗ и Р4 (с электроникой КАТОД-1 [СЗ]) с помощью пионного пучка высокой интенсивности на канале Н2, ЦЕРН [18], а также в ЛФЧ ОИЯИ на космических лучах [18] с помощью модернезированного прототипа РО (с электроникой ОАБРЬЕХ [С8]) с окном в первой плоскости для подсветки радиоактивным источником (рис.25), где ХТ -рентгеновская трубка (Си Ка, 8 КэВ) или радио-активный источник Яи-106/Ре-55 81, 82 -сцинтилляционные счетчики; СвС - пропорциональная камера с катодным считыванием).

На рис. 26 представлено влияние некоррелированного фона (для прототипа РО) на распределение ошибок

измерений координаты

космического мюона, на рис. 27 представлено отношение числа событий с некоррелированным фоном к общему числу событий для различной электроники считывания.

Исследование влияния некоррелированного фона на прототипах РЗ и Р4 показало (рис.28), что при загрузках ~ 100 кГц/канал (1 кГц/см2): • координатное разрешение для одной плоскости камеры реконструкции треков пионов -

Punch-through probabilily in ME 1/1 région. «

40 35 30 25 20

HE + EE

Cl 50 100 150 200 250 300 Pion energy /:", GeV

Рис. 24 Доля событий с утечками адронного ливня в МЕ1/Г в зависимости от энергии пионов для НЕ+МЕ1/1 конфигурации (окружности) и ЕЕ+НЕ+МЕ1/1 (квадрат)

Рис. 25 Схема исследования прототипа РО на стенде ЛФЧ ОИЯИ

о - 70 мкм при эффективности

равно 96%;

эффективность регистрации треков для одной плоскости камеры по информации с быстрых катодных каналов (с точностью ± 0,5 ширины стрипа) составила величину ~ 94%.

Roidviak. mm Rcnd jaly. mm

Рис. 26 Влияние некоррелированного фона (прототип PO) на распределение ошибок измерений координаты космического мюона, а) уровень фона -0 кГц/стрип, b) 16 кГц/стрип,

/ЛШг.чтп Я, кП/ЛчиНр

а) б)

Рис. 27 Отношение числа событий с некоррелированным фоном к общему числу событий для различной электроники считывания (а) -ОАЭРЬЕХ, б) -КАТОВ 1)

Исследования прототипа РЗ на стенде «Gamma irradiation facility» (GIF, ЦЕРН) с высокоинтенсивным гамма источником Csl37 (N=2x10^ у/схсм^, Еу=662 кэВ) дали возможность изучить загрузочную способность камеры в условиях близких к LHC. Деградация временного разрешения камеры при считывании информации с анодных проволочек исследовалась в зависимости от интенсивности некоррелированного фона,

создаваемого гамма источником. Набор поглощающих фильтров с диапазоном ослабления К=1-104 обеспечивал изменение интенсивности фонового излучения. Фактор ослабления К=34±1 соответствует максимальной величине ожидаемых загрузок для мюонной станции ME 1/1 ~ 100 кГц на канал считывания.

Полученные результаты демонстрируют работоспособность камеры и электроники считывания при фоновых загрузках более чем на порядок превышающих ожидаемые в эксперименте. Временное разрешение камеры начинает деградировать при факторе ослабления 10. Фоновые загрузки при этом превышают ожидаемые в 3,5 раза (рис.29) [С2, 19].

Прототип Р4 [8] представляет собой шести-слойный полномасштабный прототип камеры мюонной станции ME 1/1. Особенность Р4 состоит в том, что он создан с использованием технологии,

Rate, kHz/strip

Рис.28 Зависимость координатного разрешения для одной плоскости камеры и эффективности реконструкции мюонов от величины некоррелированного фона для прототипа Р4

о w ш о: ш 2

:2/\

/ Expected

\ @ LHC

:1\ \

'■I ........... ......|

to ta*

absorbtion factor of source filter

Рис.29 Зависимость временного разрешения прототипа РЗ от величины некоррелированного фона

материалов и оборудования, предназначенных для серийного изготовления камер. Величина зазора анод-катод увеличена до 3,0 мм. Скорректирован угол наклона анодных проволочек. Изменено количество каналов считывания со стрипов для каждой плоскости — в верхней части камеры стало 80 каналов, а в нижней — 48.

Катодная информация считывалась с помощью 96-канальной системы, разработанной на базе микросхем КАТОД-1 и КАТОД-3. Для регистрации информации с анодных проволочек была разработана 24 канальная плата на основе микросхемы АНОД.

Прототип Р4 был исследован в мюонном пучке (канал Н2, ЦЕРН) при наличии магнитного поля величиной - 3 Тл.

Экспериментальные результаты, характеризующие работу прототипа Р4 в зависимости от значений высокого напряжения на камере (газового усиления Gas gain), представлены на рис.30 [С2, 8].

Проведен ряд экспериментов по изучению характеристик прототипа Р4 в условиях, приближенных к реальным, в установке CMS. В отсутствии коррелированного фона определены основные значения параметров камеры. Показано, что при использовании газовой смеси Ar(30%)+CF4(10%)+

С02(60%), газовом усилении ~ 6x104, наличии магнитного поля величиной ~ 3 Тл и величине некоррелированных фоновых загрузок до 100 кГц на канал регистрации камера обеспечивает:

• координатное разрешение для мюонов о не хуже 100 мкм на одну плоскость камеры (субкамеру) при эффективности реконструкции треков ~ 96%;

• временное разрешение камеры по анодным каналам регистрации — о~3 не и быстрым катодным каналам — ст-4,5 не;

• точность определения координаты трека на плоскость камеры (субкамеру) по быстрым сигналам со стрипов равна ст~0,54 мм при эффективности регистрации в пределах ±1Л ширины стрипа ~ 94%.

Gas gain Х105

0.? d.3 0.4 0.3 0.8 0.7 0.8 o.b 1 1.5

100

41Ю

о О

b 60

« 6 X 5

(О \

<4 3

—I—I—I—I I-г

Anode loyer

Fast cothj loyer, 1/2 strip ^ Track reconstruction 4/6 "

Strip width=4.l

Fast cathode (Th=10fC)

L Anode (Th=8fC)

' I I I > ' ■ ' ' I ' ' ' ■ I ' ' ' ' I ' ' I ' ' * I ' ' >

Рис.30 Зависимость эффективности регистрации,

координатного и временного разрешения прототипа Р4 от высокого напряжения на камере (коэффициента газового усиления)

Выполненное исследование позволило оптимизировать структуру станции МЕ1/1. Отдельная станция состоит из 36 камер трапецеидальной формы каждая из которых содержит шесть субкамер, в которых расстояние между анодом и катодом равно 3,5 мм, расстояние между анодными проволоками равно 2,5 мм, проволоки повернуты на угол 29° . Верхняя часть субкамеры содержит 64 катодных стрипа, нижняя — 48. Общая чувствительная площадь камер около 34 м2.

Комплексное тестирование установки CMS (на поверхности) с включённым магнитным полем (рис. 31) выполнено на космическим мюонах в период проведения Magnet Test and Cosmic Challenge (МТСС). На рис. 32 (a) представлена зависимость координатной точности от радиуса при номинальном магнитном поле 3 Тл (в районе МЕ1/1) и напряжении 2.95 кВ. Получено отличное совпадение с результатами 2004 года. Подчеркнём, что видимое различие в 10 мкм объясняется различием высокого напряжения в 50 В. На рис.32 (б) представлена зависимость эффективности реконструкции трека в ME 1/1 от высокого напряжения [20].

Рис. 31 Фрагменты торцевой и центральной частей установки CMS в период подготовки

МТСС

Четвертая глава посвящена проблеме определения параметров локальных систем координат детекторов в общей системе координат установки (alignment).

Предположим, что задана некоторая декартова система координат XYZ, в которой расположены т детекторов. С каждым детектором связана локальная система координат X.Yj (i=l, 2,...,ш) такая, что для плоскости ХДУ] угол нутации равен нулю, при этом каждая локальная система координат XiYj повернута относительно XY на угол а;, начало О; имеет координаты (57, S>, Z,). Не ограничивая общности рассуждений, заменим Z, на Z -Z

(ki —. Параметры «,, S', Sf, к, могут быть найдены из условия минимума функционала

1 /=2 N т-\

+ES

/»I 1=2

yvCosai + xiJSinat +Sf -(\-к,)((уи + e{'/)Cosa, + (*,, +e'l)Sinal ~ к, ((ymj + е"щ )Cosam + + е'щ )Sinam +Sym)

x.jCosa, - yljSinai + S* - (1 -k, )((*,, + )Cosa, - (yh + c>4)Sina, +.S1,')-- К ((*„ + )Cosam - (ymi + e> )Sinam + S'm)

где

• N - количество прямолинейных треков, пересекающих т локальных систем координат;

• хи (У^ ~ зарегистрированные координаты (/' - номер трека, / - номер детектора);

£ (¿') - случайная ошибка измерения Х(У) координаты с нулевым средним.

После упрощений из условия минимума ф получается окончательная система уравнений

£с,Да,-а,)

i-i т Н N

+УвУч ~х»хи-y*y,)-Vu+SM +Sm,)N(N-X)(D' +D?)

+х*Уи +х«Уи ~х«Уи,)>

i-i i=i /=| т /V

YZ(x,Sina. +У,Со*а, +S')c,, = 0,

(1)

¿£(*,Cosa, -y^Sincii +S")clt = 0,

~at){xtly4-y,,xb +y„xu-x9ylk)-(a,-a J (хяу1у-у,,хщ+у,,хтк-х,1Утк)\--

=i j. i

N N

=1 к=I 7=1

' N N

LC,

ъ.

+У*Уч-х»х«-УиУ„)~3^-Ш + Di)

+yuymJ ~^хтк-yijymi)-Sm,N(N-Wm +DI)

к= \ j=l

где D" и D" — дисперсии ошибок измерений, 1=1, 2,...,т, сц — элементы матрицы

- х о - к, у , о - к2), (1 - к,),..., (1 - *„_,), - £ к, о - к,)

-(1-*2) ,1 ,0 ,..., 0 ,-к2

С =

-О.о , о -XMl-U к2 , к,

1 .-¿„-I

Первые три уравнения системы (1) соответствуют задаче поиска a, ,S",S,':.

Таким образом, решение этой традиционной задачи, связанное с решением нелинейной системы уравнений, практически свелось к решению линейных систем [21,22]. Анализ рангов соответствующих матриц даёт следующее:

• для углов поворота а/ (1=1, 2, ..., т) необходимо, чтобы один из этих углов был задан;

• для определения всех 5/(5/) необходимо задать два из них;

• для определения всех z, необходимо также задать два из них. Заметим, что определение необходимых параметров возможно при условии, что траектории частиц неколлинеарны и дисперсии координат треков в каждом детекторе ненулевые.

Включение в исходный фукционал (ф) независимых случайных ошибок (£i, £m) является необходимым условием корректного применения метода наименьших квадратов. Игнорирование их приводит к потере свойства состоятельности оценок определяемых параметров. Аналогичный подход был применен для восстановления передаточных функций [23, 24] дрейфовых камер установки «Нейтринный детектор», что также обеспечило состоятельность реконструированных параметров.

В этой главе предложен и протестирован метод восстановления необходимых параметров для детекторов станции МЕ1/1 [2, 25]. Исследовано качество производства и сборки катодно-стриповых камер мюонной станции ME 1/1. Описаны аппаратные возможности контроля положения детекторов CMS на базе специализированной лазерной системы.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

1. Теоретически и экспериментально исследовано применение катодно-стриповых камер для высокоточной реконструкции координат мюонов и времени пролета в торцевых областях детекторов на Большом Адронном Коллайдере (LHC):

a. Выполнено теоретическое исследование методов перехода от сигналов к координате в CSC и влияния основных параметров камеры (геометрия, газовое усиление, шум канала электроники) на координатную точность в условиях неоднородного магнитного поля (до 3 Тл), электромагнитного сопровождения и фоновых загрузок CMS (до 1 кГц/см2). Предложенные методы оптимизации геометрических параметров камер и компенсации влияния магнитного поля CMS на координатную точность экспериментально подтверждены. Выполнена оптимизация геометрических параметров камеры;

b. Разработанное программное обеспечение применено для анализа экспериментальных данных прототипов камер станции ME 1/1;

c. Разработана программа моделирования координатного разрешения катодно-стриповой камеры. Результаты моделирования подтверждены экспериментальными исследованиями;

d. Точностные и временные параметры катодно-стриповых камер МЕ1/1 в условиях торцевых областей CMS исследованы экспериментально и полностью соответствуют требованиям эксперимента;

e. Для установок типа "телескоп" впервые разработан оригинальный математический анализ задачи определения параметров локальных систем координат детектора в общей системе координат установки. Выполнено необходимое исследование для станции ME 1/1;

2. Результаты исследований вошли в основные документы эксперимента CMS. "The Compact Muon Solenoid Technical Proposal" [C12], "CMS. The Muon Project, Technical Design Report" [C3] "CMS. Detector Performance and Software. Physics Technical Design Report, Volume I" [C13] и легли в основу разработки и создания прецизионной мюонной станции (ME 1/1), которая обеспечивает точность реконструкции координаты мюона не хуже 75 мкм (при эффективности реконструкции трека выше 90%) [С 14] и времени пролета лучше 4 не, что обеспечивает импульсное разрешение ~ 10%) для мюонов 1 ТэВ/с и точность восстановления массы в димюонных событиях 1% для 100 ГэВ/с2);

3. Разработанные методы, помимо CSC, применимы для:

• предливневых детекторов с сегментированной детектирующей частью;

• проективных калориметров для восстановления координат центра ливня;

• дрейфовых камер для восстановления передаточной функции.

Цитированная литература

CI. G. L. Bayatian,..., P. V. Moisenz et al., CMS Physics Technical Design Report, Volume II: Physics Performance, J. Phys. G: Nucl. Part. Phys., Vol. 34, № 6, 2007, pp. 995-1519

C2. R. Adolphi,..., P.Moisenz et al., The CMS experiment at the CERN LHC, Journal of Instrumentation (JINST), Vol. 3, S08004, 2008, pp. 1-263

C3. G.L. Bayatian,..., P.V. Moisenz et al. CMS. The Compact Muon Solenoid. Muon Technical Design Report, CERN/LHC 97-32 CMS TDR 3, 15 December 1997.

C4. GEANT3: CERN Program Library, entry W5013, CERN, Geneva, Switzerland (1993).

C5. I. Smirnov, HEED: Simulation of ionization losses in gas mixture, version 1.01 (1996)

C6. S. F. Biagi, Accurate solution of the Boltzmann transport equation, Nucl. Instr. & Methods A283 (1989) pp 716-722.

C7. И.А. Голутвин, A.B. Зарубин, В.Ф. Конопляников, П.В. Моисенз, С.В. Шматов, Измерение пространственного разрешения торцевой части адронного калориметра CMS по результатам испытаний на пучке CMS HCAL 2003 года, Письма в ЭЧАЯ. 2008. Т.5, №4(146), С.642-647.

С8. J.C.Santiard et al., Gasplex a low-noise analog signal processor for read-out gaseous detectors. ECP/94-17, CERN, 1994.

C9. P. Jaron and M. Goyot. A fast current sensitive preamplifier (MSD-2) for the silicon microstrip detector, Nucl.Inst. and Meth. 226 (1984) pp.156-162.

СЮ. V. Tchekhovski Status of ME1/1 Chip Design in Minsk, Proc. Of the 2nd Annual RDMS CMS Collaboration Meeting, Dec. 16-17, 1996,CERN, 1996, p.439.

Cll. Yu. Erchov,..., P.Moisenz et al., Cathode Strip Chamber for CMS ME1/1 Endcap Muon Station, Письма в ЭЧАЯ. 2006. Е.З, №3(132). С.73-80.

С12. G.L. Bayatian,..., P.V. Moisenz et al., CMS. The Compact Muon Solenoid. Technical Proposal, CERN/LHCC 94-38 LHCC/P1, 15 December 1994.

C13. G.L. Bayatian,..., P.V. Moisenz et al., CMS. Detector Performance and Software. Physics Technical Design Report, Volume I, CERN/LHCC 2006-001 CMS TDR 8.1, 2 February 2006.

С14. S. Chatrchyan,..., P.Moisenz et al., Performance of the CMS cathode strip chamber with cosmic rays, Journal of Instrumentation (JINST), Vol. 5, T03018, 2010, pp. 1-39.

Диссертация основывается на следующих опубликованных работах:

1. К.А.Зубов, В.Ю.Каржавин, С.А.Мовчан и ПВ.Мойсенз, Математическое обеспечение многопроволочной пропорциональной камеры с катодным считыванием информации, Сообщение ОИЯИ Р10-99-118, Дубна, 1999.

2. I.Golutvin,..., P.Moisenz et al., Cathode strip chamber data analysis, Proceedings of the 7th International Conference on Advanced Technology @ Particle Physics (ICATPP-7), World Scientific, 2002, pp.282-288.

3. P.Aspell,..., P.Moisenz et al., Energy and spatial resolution of a Shashlik calorimeter and silicon preshower detector, Nucl. Inst, and Meth. A364 (1995) pp.473-487.

4. A. Cheremukhin,...,P. Moissenz et al., Beam test results of a preshower detector with silicon strips as the active media, CERN-ECP-94-09, Geneva, Switzerland, 1994. Presented at 1st International Conference of Radiation Hardness and Large Scale Application of Semiconductor Detectors, 5-11 July 1993, Florence, Italy.

5. RD36 Collaboration (P. Moisenz), Proceeding of 4th International Conference in High Energy Energy Physics, Isola d'Elba (1993), Italy, p. 158-164.

6. RD36 Collaboration (P. Moisenz), Proceeding of Fifth International Conference on Calorimetry in High Energy Energy Physics, Brookhaven National Laboratory, September 25 - October 1 (1994), USA, p. 177-184.

7. Ю.В.Ершов, И.А.Голутвин, В.Ю.Каржавин и др., РЗ-полномастабный прототип КСК МЕ1/1, Сообщение ОИЯИ Е13-99-296, Дубна, 1999.

8. Ершов Ю.В., Глонти Л.Н., Голутвин И.А., ...,Моисенз П.В. и др., Р4-предсерийный прототип КСК ME 1/1, Сообщение ОИЯИ Е13-2000-26, Дубна, 2000.

9. S.Movchan, К. Moissenz and P. Moissenz, Cathode Strip Chamber Transmission Function and Single Layer Spatial Resolution for Clusters with Overflow. JINR P10-2000-108, Dubna, Russia, 2001.

10.C.Albajar,..., P.Moisenz et al., Electromagnetic secondaries in the detection of high energy muons, Nucl.Inst. and Meth. A364 (1995) pp.473-487.

ll.S. Movchan, P. Moissenz and S. Khabarov, The Influence of Readout Number of Samples in Analog Pipeline to Muon Spatial and Timing Resolution of Cathode Strip Chamber of the Compact Muon Solenoid Set Up (CMS). JINR P10-2000-183, Dubna, Russia, 2000.

12.I.Golutvin, I.Gramenittsky, P.Moissenz et al., Increasing of muon track reconstruction efficiency in ME1/1 Dubna prototype for the CMS/LHC, Краткие сообщения ОИЯИ №l[93]-99 C.48-55.

13.П.В. Моисенз, E.M. Негодаева, Катодно-стриповые камеры ENDCAP CMS. Работа в магнитном поле. Препринт №47, ФИАН, Москва, 1998.

14.С.А. Мовчан, П.В. Моисенз, Методика вычисления угла наклона анодной проволоки первой мюонной станции (МЕ1/1) установки Компактный мюонный соленоид (CMS), Письма в ЭЧАЯ. 2001. №4[106] С.82-92.

15.И.А.Голутвин, И.М.Граменицкий, В.Ю.Каржавин, А.В. Зарубин, П.В.Моисенз, С.А.Мовчан и др., Временное разрешение камер с сегментированным катодом мюонной станции ME 1/1 компактного мюонного соленоида и идентификация момента взаимодействия пучков коллайдера, Письма в ЭЧАЯ, 2001, №4[107], стр.54-62. CMS Collaboration (P. Moisenz), Cathoide strip chamber for the CMS endcap muon system, Nucl.Inst. and Meth. A3 84 (1996) pp.207-210.

16.Yu.Erchov, I.Golutvin, N.Gorbunov,..., P.Moisenz et al., Cathode strip chamber performance of the CMS ME1/1 muon station, Proceedings of the 7th International Conference on Advanced Technology @ Particle Physics (ICATPP-7), World Scientific, 2002, pp.347-351.

17.Belotelov, A. Golunov, I. Golutvin,..., P.Moisenz et al., Electromagnetic Secondaries and Punch-Through Effects in the CMS ME1/1, Physics of Particles and Nuclei Letters, Vol. 4, No. 4, JINR, Dubna, Russia, 2007, pp.343-349.

18.I.Golutvin, N.V.Gorbunov, V.Yu.Karjavin, V.S.Khabarov, G.V.Mescheriakov, P.V.Moissenz, S.A.Movchan et al., The rate capability of the CSC readout electronics, Письма а ЭЧАЯ. №4[107]-2001, C.45-53.

19.Golutvin,..., P.Moisenz et al., Study of the Anode Self-trigger ability of the ME1/1 CMS Endcap Cathode Strip Chamber, Письма' в ЭЧАЯ. 2007. T.4, №3(139) С.428-437.

20.1. Golutvin,..., P. Moisenz et al., ME1/1 Cathode Strip Chamber for CMS Experiment, Письма в ЭЧАЯ. 2009. T.6, №4, C.566-571.

21.Ю.Л. Вертоградова, И.М. Иванченко, П.В. Моисенз. Определение параметров локальных систем координат дискретных детекторов. ОИЯИ, Р10-89-149, Дубна, 1989.

22.P.V. Moissenz, Determining the Local Coordinate System Parameters of Detectors. In Proceeding of the International Conference on Computing in High Energy Physics'92, pp. 316-318, Annecy, France, 21-25 September 1992, CERN 92-07, Geneva, Switzerland, 21 December 1992.

23.И.М. Иванченко, П.В. Моиеенз Об одном методе определения параметров передаточной функции для дрейфовых камер установки Нейтринный детектор. ОИЯИ, 310-89-148, Дубна 1989.

24.1. Ivanchenko, P. Moissenz About One Method for Determining Transmission Function Parameters for Drift Chambers of the Neutrino Detector Type. Computing in High Energy Physics 91, pp. 511-514, Tsucuba, Japan, 1991.

25.S. Movchan, K. Moissenz and P. Moissenz, Alignment of the First Muon Station (ME1/1) of the Compact Muon Solenoid Set-up (CMS). JINR P10-2001-50, Dubna, Russia, 2001.

Получено 4 июня 2010 г.

Отпечатано методом прямого репродуцирования с оригинала, предоставленного автором.

Подписано в печать 07.06.2010. Формат 60 х 90/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 2,31. Уч.-изд. л. 2,97. Тираж 100 экз. Заказ № 57012.

Издательский отдел Объединенного института ядерных исследований 141980, г. Дубна, Московская обл., ул. Жолио-Кюри, 6. E-mail: publish@jinr.ru www.jinr.ru/publish/

Содержание диссертации автор исследовательской работы: доктора физико-математических наук, Моисенз, Петр Владимирович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 Многопроволочная пропорциональная камера с катодным считыванием информации - базовый детектор в торцевых областях детекторов частиц на Большом Адронном Коллайдере (LHC).

1.1 Коллайдер LHC.

1.2 Детекторы общего назначения

1.2.1 Компактный мюонный соленоид (CMS).

1.2.2 Назначение подсистем установки CMS.

1.2.3 A Toroidal LHC Apparatus (ATLAS).

1.2.4 Назначение подсистем установки ATLAS.

1.3 Мюонная система установки CMS.

1.3 1 Назначение мюонной системы.

1.3.2 Требования к мюонному спектрометру.

1.3.3 Торцевая часть мгаонного спектрометра.

1.3.4 Многопроволочная пропорциональная камера (MWPC).

1.3.5 Электрическое поле в MWPC.

1.3.6 Загрузочная способность MWPC.

1.3.7 Катодно-стриповая пропорциональная камера (CSC)

1.4 Мюонная система установки ATLAS.

1.4.1 Катодно-стриповые камеры установки ATLAS

1.5 Базовый детектор - катодно-стриповая камера. 1.5.1 Мюонная станция МЕ1/1.

1.6 Основные этапы решения задачи точной регистрации координаты мюона в условиях неоднородного поля и значимых фоновых загрузках.

ГЛАВА 2 Оптимизация параметров катодно-стриповой камеры (МПК)

2.1 Методы определения координаты частицы в камере по информации со стрипов.

2.1.1 Методы определения координаты частицы для одной плоскости камеры.

2.1.2 Методы фитирования мюонных треков.

2.2 Координатное разрешение камеры.

2.2.1 Влияние магнитного поля на координатное разрешение камеры.

2.3 Эффективность реконструкции мюонных треков.

2.4 Временное разрешение камеры.

2.4.1 Временное разрешение камеры по информации с анодов.

2.4.2 Временное разрешение камеры по информации с быстрых катодов.

2.5 Триггерные свойства камеры.

2.5.1 Эффективность регистрации треков по информации с анодов камеры.

2.5.2 Координатное разрешение и эффективность регистрации треков по информации с быстрых катодов камеры.

2.6 Влияние количества точек выборки и хранения формы сигнала в аналоговой памяти (Analog Pipeline) на восстановление координаты мюона и момента времени его пролета через камеру.

2.6.1 Деградация точности восстановления координаты одиночного мюона для случая однократного измерения формы сигнала.

2.6.2 Зависимость точности восстановления координаты одиночного мюона от числа измерений формы сигнала.

2.6.3 Зависимость точности восстановления координаты одиночного мюона от числа измерений формы сигнала (случай двух частиц).

2.6.4 Зависимость точности восстановления координаты и временной характеристики одиночного мюона от числа измерений формы сигнала.

2.6.5 Зависимость точности восстановления координаты и временной характеристики одиночного мюона от числа измерений формы сигнала (случай двух частиц)

2.6.6 Зависимость точности восстановления координаты одиночного мюона от числа измерений формы сигнала в условиях некоррелированного фона.

2.6.7 Зависимость точности восстановления ширины стрипа (радиуса) координаты и времени пролета одиночного мюона от числа измерений амплитуды сигнала в условиях некоррелированного фона.

2.7 Оптимизация параметров камеры.

2.7.1 Моделирование координатного разрешения катодно-стриповой камеры

2.7.2 Оптимизация расстояния между анодом и катодом.

2.7.3 Вычисление эффективного угла наклона анодной проволоки

2.8 Применение методов анализа МПК для иных детекторов

ГЛАВА 3 Исследование характеристик камеры мюонной станции.

МЕ1/1 в условиях, близких к реальным в эксперименте CMS.

3.1 Изучение влияния коррелированного фона на координатное разрешение камеры и эффективность реконструкции мюонных треков.

3.2 Изучение влияния адронной компоненты на МЕ1/1.

3.3 Моделирование электромагнитного сопровождения и адронных ливней в МЕ1/1 (сравнение с экспериментом).

3.4 Изучение влияния некоррелированного фона.

3.4.1 Измерение координатного разрешения и эффективности реконструкции мюонных треков.

3.4.2 Измерение временного разрешения камеры и эффективности регистрации треков.

3.5 Изучение влияния коэффициента газового усиления камеры на ее характеристики.

3.6 Оценка координатной точности и эффективности реконструкции треков для финальной версии детектора

ГЛАВА 4 Определение параметров локальных систем координат детекторов в общей системе координат установки.

4.1 Параметры локальных систем координат.

4.2 Определение параметров локальных систем координат детекторов первой мюонной станции

4.3 Контроль качества на этапе производства и сборки детектора

4.4 Аппаратные средства контроля положения детекторов

Введение диссертация по физике, на тему "Исследование и оптимизация параметров катодно-стриповых камер для прецизионной мюонной станции установки "компактный мюонный соленоид" (CMS) на большом адронном коллайдере (LHC)"

В течение последних сорока лет в научном понимании природы элементарных частиц и их взаимодействий достигнут значительный прогресс [4-7]. Стандартная Модель, одно из самых больших достижений современной физики, была подтверждена результатами многочисленных экспериментов. Открытие в 1995 Шкварка явилось последним доказательством правильности теории.

Согласно Стандартной Модели структура материи может быть представлена посредством двух типов частиц - лептонов и кварков, каждое из которых подразделяется на 3 поколения, и трех фундаментальных взаимодействий - электромагнитного, слабого ядерного и сильного ядерного.

Теория объединения электромагнитного и слабого взаимодействий, отмеченная Нобелевской премией в 1979 году, и получившая экспериментальное доказательство в начале восьмидесятых с открытием и Zo бозонов, позволила сделать шаг вперед в понимании фундаментальных взаимодействий. Это первая теория объединения в современной физике, появившаяся более чем через сто лет после Максвелловского объединения электрического и магнитного взаимодействий. Стандартная модель была неоднократно проверена с высокой точностью во многих экспериментах, вплоть до максимальных энергий столкновений, доступных современным ускорителям частиц. Подвергалась она проверкам и в неускорительных (пассивных) экспериментах. Вместе с тем, несмотря на массу достоинств теоретического плана, мощную предсказательную силу и тщательную экспериментальную проверку, СМ обладает рядом недостатков и нерешенных проблем, что не позволяет считать ее окончательным вариантом теории:

1. В рамках самой СМ остается открытым вопрос приобретения массы частицами - стандартный механизм приобретения массы частицами механизм Хиггса) все еще не подтвержден экспериментально — бозон Хиггса не обнаружен;

4. СМ не включает в себя гравитацию, четвертое из существующих фундаментальных взаимодействий.

Большое количество исследований было проведено по оптимизации установки CMS для того, чтобы продемонстрировать ее соответствие тем неординарным задачам, которые упомянуты выше. Физическая программа CMS состоит в следующем [1,2,4]:

Хиггсовский бозон Стандартной Модели

CMS сможет открыть Хиггсовский бозон во всем диапазоне масс (~100 ГэВ <mh< ~1 ТэВ), представляющем интерес с точки зрения стандартной модели (SM). Прекрасные характеристики кристаллического электромагнитного калориметра позволяют открыть сравнительно легкий Хиггсовский бозон (mh <140 ГэВ) в уу- канале распада. Диапазон масс до (600-700) ГэВ может быть изучен в канале Н > ZZ(Z*) > 41 благодаря прецизионному измерению импульса лептонов. Если все же, вопреки современным теоретическим оценкам, масса Хиггсовского бозона будет в районе mh ~ (800-1000) ГэВ, тем не менее, он может быть открыт сочетанием наблюдений в нескольких каналах {Н > ZZ > llw, lljj; Н > WW > Ivjj), используя герметичность и хорошее энергетическое разрешение адронного калориметра.

Суперсимметрия

Разнообразие существующих суперсимметрических моделей затрудняет феноменологический анализ. В настоящее время относительно полный анализ был проведен лишь для минимального суперсимметрического расширения SM (MSSM). Однако даже MSSM предсказывает существование 31 новой частицы. Хиггсовский сектор состоит из четырех состояний (h°, Н°, А, Н*), модель содержит и 28 суперпартнеров обычных частиц SM. Существенный и нетривиальный результат исследований физической группы CMS состоит в том, что MSSM Хиггсовский сектор может быть открыт почти во всем диапазоне изменения параметров модели. CMS способен также открыть сильновзаимодействующие MSSM частицы (скварки и глюино) вплоть до значений масс (2-2,5) ГэВ, сочетая наблюдения в двух конечных т т состояниях: jets + Е miss и jets + Е miss + leptons. Слабовзаимодействующие MSSM частицы могут быть обнаружены как в чистом leptons+ ETmiss канале, так и в каскадных распадах скварков и глюино. CMS позволяет обнаружить чарждино и нейтралино с массой до ~ 350 ГэВ, а слептоны с массой до ~ 400 ГэВ.

Поиск новой физики помимо SM и MSSM

Существует множество физических моделей, предсказывающих новую физику в ТэВ-ном диапазоне: дополнительные векторные бозоны, суперсимметричные модели с нарушенной R-четностью, составные модели кварков и лептонов, лептокварки, техницвет и т.д. Возможности наблюдения проявлений этой физики также исследуются. Результаты указывают на то, что CMS способен существенно улучшить существующие ограничения, либо открыть (если они существуют) новые частицы в ТэВ-ном диапазоне. В — физика

При энергиях LHC сечение образования В - мезонных пар составляет

1 ? около 500 мкб. Это означает, что около 10 таких пар будет произведено даже на начальной стадии работы LHC при низкой светимости. CMS будет способен широко использовать эту уникальную возможность. Основной задачей является исследование нарушения CP - четности в В - секторе. Детальные исследования показали, что чувствительность CMS будет порядка Ô(sin2d>) ~ 0.06 для углов аир унитарного треугольника. Другой важной задачей является изучение Bs° осцилляций. Было показано, что CMS позволит изучить практически весь предсказываемый диапазон параметра осцилляций Xs благодаря весьма точному определению вершины распада, обеспечиваемому трекерной системой CMS. LHC также открывает уникальную возможность изучения редких распадов В - мезонов. Одним из наиболее интересных примеров является распад Bs° —> ширина которого весьма чувствительна к наличию новой физики вне SM. Увеличение распадной ширины в (3-5) раз по сравнению с предсказаниями SM может быть зарегистрировано в CMS за один год работы при низкой светимости коллайдера.

Физика тяжелых ионов Основной задачей программы CMS по физике тяжелых ионов (HI) является обнаружение нового состояния материи - кварк-глюонной плазмы (QGP). Предсказывается, что образование QGP может проявляться через сильное подавление выхода Y' и Y" резонансов по сравнению с Y, а также через подавление выхода жестких КХД струй. Детальные исследования показали, что сигнал от распада Y будет наблюдаться в CMS несмотря на чрезвычайно большую загрузку трекерной системы. Эффективность восстановления мюонной пары оценена > 65% даже в худшем случае центральных Pb-Pb взаимодействий. Жесткие струи с Et > 100 ТэВ также могут быть реконструированы с применением алгоритма, адаптированного для физики тяжелых ионов.

Решение поставленных физических задач потребовало создания беспрецедентных по своему масштабу экспериментальных установок, которые будут работать на встречных пучках Большого Адронного Коллайдера. CMS [2] и ATLAS [3], самые крупные установки общего назначения , состоят из разнообразных многоканальных детекторов с общим числом каналов регистрации 10 (в современных установках количество каналов регистрации достигает величины ЗхЮ5). Повышенные требования к характеристикам детектирующих систем, большое количество каналов регистрации и одновременно очень ограниченное место для размещения детекторов и электроники, влекут за собой ряд серьезных требований к их разработке. Одно из них - высокая надежность аппаратуры и детекторов.

К отличительным особенностям электронной аппаратуры для создаваемых экспериментов на LHC следует отнести общую для всех систем тенденцию распределения вычислительной мощности. Бурное развитие технологии производства сверхбольших интегральных схем (процессоров, памяти и программируемой логики) позволило передать ряд задач, решаемых триггерными системами, непосредственно электронике регистрации информации, располагаемой на детекторах. При этом возрастает скорость выработки решения триггера первого уровня, уменьшается объем передаваемых с детектора данных, возрастает скорость обработки данных, но заметно усложняется электронная аппаратура, располагаемая на детекторах. Аппаратура, как и сами детекторы, располагается в радиационно-жестких условиях.

Впервые предложение по созданию установки "Компактный Мюонный Соленоид" (CMS) прозвучало на конференции "Большой Адронный Коллайдер (LHC)" в 1990 году. В 1990-И 994 годах проводились работы по изучению возможности создания комплекса экспериментальных средств для решения поставленных физических задач. Была создана коллаборация заинтересованных научных центров Европы, Америки и Азии по созданию на LHC экспериментальной установки CMS. В декабре 1994г. координационным комитетом LHC (ЦЕРН) утверждено «Техническое предложение по созданию экспериментальной установки CMS» [2]. В эксперименте изъявили желание принять участие представители ведущих институтов России и стран-участниц ОИЯИ, которые объединились в субколлаборацию RDMS (Russia and Dubna Member States CMS Collaboration) [4].

В составе этой коллаборации автором диссертации с 1993 года проводились работы в ОИЯИ и ЦЕРН, целью которых являлась разработка и практическая реализация методов точной реконструкции координаты мюона и момента пролета в условиях неоднородного поля и значимых фоновых загрузках в торцевых областях детекторов на Большом Адроном Коллайдере.

Общие требования к детекторам торцевых областей установок CMS и ATLAS состоят в следующем:

• Точность регистрации координаты мюона 75-300 мкм;

• Точность регистрации времени пролета <4 не;

• Эффективность регистрации > 90%;

• Устойчивое функционирование в магнитных полях » 3 Тл и фоновых загрузках 1-3 Кгц/см2.

Таблица 1

Тип детектора Координатная точность Временное разрешение Время восстановления

Пузырьковые камеры 10-150 мкм 1 мс 50 мс

Стримерные камеры 300 мкм 2 мке 100 мс

Пропорциональные камеры 50-300мкм 2 не 200 не

Дрейфовые камеры 50-300 мкм 2нс (для двух камер) 100 не

Сцинтилляторы - 100 пс/n (п — индекс прел.) 10 нс

Эмульсии 1 мкм -

Микростриповые газовые детекторы 30-40мкм <10нс

Resistive Plate Chamber <10 мкм 1-2 не

Силиконовые стрипы Стрип/(3-^7) <25 не <25 не

Силиконовые пиксели 2 мкм <25 не <25 не

Liquid Argon Drift 175-450 мкм <200 не <2 мке

Анализ (характеристики/стоимость) современных детекторов (см. таблицу 1) показал, что многопроволочная пропорциональная камера с катодным считыванием информации со стрипов (CSC) является оптимальным детектором для торцевых мюонных систем крупнейших экспериментов CMS и ATLAS [2,3], так как она сочетает в себе все необходимые для решения физической задачи свойства:

• определение координаты мюона с точностью порядка 70 мкм (при эффективности регистрации не менее 90%) необходимой для достижения требуемого энергетического разрешения и связи с фрагментом трека в центральной части установки;

• высокое быстродействие, необходимое для формирования триггера первого уровня (временная привязка событий к моменту столкновения пучков с точностью не хуже 25 не);

• возможность работы в условиях высоких фоновых загрузок порядка (1-3) кГц/см и наличии коррелированного сопровождения, рождаемого самим мюоном при прохождении его через вещество установки;

• возможность работы в магнитном поле ~ 3 Тесла;

• низкая чувствительность к нейтронным фонам;

• приемлемая стоимость и относительная простота производства. Заметим, что дрейфовые камеры могут быть использованы в областях с о загрузками меньше 150 Гц/см .

Исходя из сказанного выше можно сформулировать: Цель диссертационной работы.

Исследование применения катодно-стриповых камер для точной реконструкции координаты мюона (не хуже 75 мкм в общей системе координат установки) и момента пролета (с точностью не хуже 4 не) в условиях неоднородного магнитного поля величиной 3 Тл и фоновых загрузок до 1 кГц/см2 в торцевых областях детекторов на Большом Адроном Коллайдере (ЬНС). Данное исследование предполагает:

5. Разработку программы моделирования координатного разрешения катодно-стриповой камеры учитывающей величину зазора анод-катод камеры, шаг анодных проволочек и их диаметр, свойства используемой газовой смеси, величину магнитного поля и величину газового усиления;

Научная новизна работы.

Впервые выполнено комплексное исследование и экспериментально показано, что катодно-стриповая камера обеспечивает точность регистрации координаты мюона не хуже 75 мкм и времени пролета с точностью лучше 4нс в условиях неоднородного магнитного поля величиной 3 Тл и фоновых загрузок до 1 кГц/см" в торцевых областях установки Компактный мюонный соленоид.

• впервые детально исследованы методы перехода от сигналов к координате частицы, получены аналитические выражения для координатной точности, зависимость точности от переполнения амплитудно-цифрового преобразователя, объяснено поведение точности поперёк и вдоль стрипа. Предложена и реализована процедура оптимизации геометрических параметров CSC для достижения наилучшей координатной точности;

• впервые исследовано влияние магнитного поля CMS на координатное разрешение камеры;

• впервые исследовано влияние утечек адронного ливня на фоновую загрузку ME 1/1;

• впервые исследованы временные свойства CSC в условиях близких к LHC.

Практическая ценность работы.

Данная работа содержит методы решения основных задач связанных с разработкой и применением катодно-стриповых камер.

На основе полученных результатов выполнена оптимизация геометрических параметров камеры для достижения наилучшей точности, эффективности регистрации мюонов и момента пролёта мюонов.

Предложены и экспериментально реализованы оригинальные методы изучения характеристик камер мюонной станции МЕ1/1 в условиях, приближенных к реальным в установке CMS.

Разработанные методы применены для разработки и легли в основу создания уникального детектора — мюонной станции МЕ1/1.

Полученные результаты применимы также для:

• газовых детекторов, принцип действия которых основан на анализе наведённого заряда на сегментированном катоде (Gas Electron Multilier, micromegas,.);

• предливневых детекторов с сегментированной детектирующей частью;

• проективных калориметров для восстановления координат центра ливня;

• дрейфовых камер для восстановления передаточной функции.

Содержание работы.

Диссертация состоит из четырех глав и заключения.

Заключение диссертации по теме "Приборы и методы экспериментальной физики"

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в работах [1-25]. Кратко их можно сформулировать следующим образом:

1. Выполнено теоретическое исследование методов перехода от сигналов к координате в CSC и влияния основных параметров камеры (геометрия, газовое усиление, шум канала электроники) на координатную точность в условиях неоднородного магнитного поля (до 3 Тл), электромагнитного сопровождения и фоновых загрузок CMS (до 1 кГц/см2). Предложенные методы оптимизации геометрических параметров камер и компенсации влияния магнитного поля CMS на координатную точность экспериментально подтверждены. Выполнена оптимизация геометрических параметров камеры;

2. Разработанное программное обеспечение применено для анализа экспериментальных данных прототипов камер станции ME 1/1;

3. Разработана программа моделирования координатного разрешения катодно-стриповой камеры. Результаты моделирования подтверждены экспериментальными исследованиями;

4. Точностные и временные параметры катодно-стриповых камер МЕ1/1 в условиях торцевых областей CMS исследованы экспериментально и полностью соответствуют требованиям эксперимента;

5. Для установок типа телескоп впервые разработан оригинальный математический анализ задачи определения параметров локальных систем координат детектора в общей системе координат установки. Выполнено необходимое исследование для станции ME 1/1;

6. Разработанные методы, помимо CSC, применимы для:

• предливневых детекторов с сегментированной детектирующей частью;

• проективных калориметров для восстановления координат центра ливня;

• дрейфовых камер для восстановления передаточной функции;

7. Результаты исследований вошли в основные документы эксперимента CMS "The Compact Muon Solenoid Technical Proposal" [2], "CMS. The Muon Project, Technical Design Report" [11], "CMS. Detector Performance and Software. Physics Technical Design Report, Volume I" [105] и легли в основу разработки и создания прецизионной мюонной станции (ME 1/1), которая обеспечивает точность реконструкции координаты мюона не хуже 75 мкм (при эффективности реконструкции трека выше 90%) [106] и времени пролета лучше 4 не, что обеспечивает импульсное разрешение ~ 10% для мюонов 1 ТэВ/с и точность восстановления массы в димюонных событиях (~ 1% для 100 ГэВ/с2). Детали выполненого исследования выглядят следующим образом:

1. Впервые детально исследованы методы перехода от сигналов к координате частицы, получены аналитические выражения для координатной точности, зависимость точности от переполнения амплитудно-цифрового преобразователя, объяснено поведение точности поперек стрипа.

2. Впервые иследовано влияние Ö-электронов на регистрацию мюонов в CSC ME 1/1. Показано, что вероятность рождения 5-электронов, составляет

11,8%±1,2% на плоскость (субкамеру). Вероятность поглощения 5-электронов в отдельной субкамере составляет 78,8%±12%.

3. Впервые показано, что для получения достоверных оценок координатного разрешения камеры и эффективности реконструкции треков мюонов в условиях большого количества сопутствующих треков необходимо использовать метод максимума правдоподобия либо метод робастного фитирования.

4. Предложены и экспериментально проверены новые, экономичные методы решения задачи компенсации влияния магнитного поля на координатную точность. Найдено, что угол наклона анодной проволоки должен быть равен 29,5° для неоднородного магнитного поля величиной 3 Тл в области МЕ1/1. Разработана программа моделирования угла поворота анодных проволочек, учитывающая геометрию рабочего зазора камеры, свойства используемой газовой смеси, величину магнитного поля и величину газового усиления. Результаты моделирования подтверждены экспериментальными измерениями.

5. Впервые выполнено исследование и даны практические рекомендации по оптимизации шага считывания амплитуды выходного сигнала катодного тракта. Показано, что шаг считывания в 50 нсек не приводит к деградации точностных характеристик камеры.

6. Проведены методические исследования характеристик камеры в мюонных и пионных пучках при наличии магнитного поля величиной до 3 Тесла. Ниже приведены впервые экспериментально полученные рекордные значения для ряда параметров камеры при регистрации мюонов (для коэффициента газового усиления в-Ю^).

• Координатное разрешение для одной субкамеры равно: a. сг~41 мкм при ширине стрипа 5 мм в отсутствии магнитного поля (а равно ~ 1/100 от ширины стрипа); b. а~100 мкм при величине магнитного поля В=3 Тесла. Эффект влияния магнитного поля на координатное разрешение камеры компенсируется поворотом анодных проволочек на соответствующий угол Лоренца относительно стрипов.

Эффективность реконструкции мюонных треков: a. показано, что наличие 6 субкамер в детекторе наиболее оптимально с точки зрения эффективности реконструкции трека мюона с электромагнитным сопровождением; b. в присутствии коррелированного фона вероятность появления сопровождения для мюонов с импульсом 100 ГэВ/с равна 22%, а для мюонов с импульсом 300 ГэВ/с - 28%, эффективность реконструкции треков мюонов равна 94% для мюонов с импульсом 100 ГэВ/с и 92% - для мюонов с импульсом 300 ГэВ/с.

Временное разрешение камеры равно: a. по анодным каналам регистрации равно ст~1,6 не; b. по быстрым катодным каналам регистрации равно а~3 не. Координатное разрешение для быстрых катодных каналов регистрации: а. по быстрым катодным каналам регистрации равно ст~3 не. Эффективность регистрации трека частицы для анодных и быстрых катодных каналов: а. эффективность мажоритарных совпадений (4/6) сигналов с 6 анодных плоскостей камеры равна -98% за время 25 не; b. эффективность мажоритарных совпадений (4/6) сигналов с 6 катодных плоскостей камеры равна ~96% за время 50 не.

7. Впервые проведены экспериментальные исследования по регистрации фрагментов взаимодействий заряженных пионов с веществом калориметров (Ecal+Hcal) в МЕ1/1. Показано

• 17% событий (пионы ЗООГэВ) содержат фрагменты регистрируемые в МЕ1/1;

• около 80% событий с фрагментами адронных ливней в ME 1/1 содержат от одного до пяти треков;

• ширина адронного ливня в МЕ1/1 равна 1,8м.

8. Показана возможность использования многослойной камеры в качестве триггерного детектора для быстрого выделения треков и привязки их к моменту столкновения пучков.

9. Экспериментально исследованы характеристики камеры в условиях, близких к реальным в установке CMS:

• в магнитном поле величиной ~3 Тесла,

• в присутствии коррелированного фона (электромагнитного сопровождения от мюонов),

• и некоррелированного фона величиной до 100 кГц на канал регистрации, камера обеспечивает следующие параметры: о координатное разрешение камеры равно ст~75 мкм при эффективность реконструкции мюонных треков не менее 92% (координатное разрешение а для каждой субкамеры не хуже 150 мкм, а трек состоит не менее чем из 4-х точек); о временная привязка событий к моменту столкновения пучков обеспечивается вторым анодным сигналом за время не более 25 не, а идентификация их как треков обеспечивается мажоритарными схемами совпадений (4/6) для анодных и быстрых катодных сигналов с 6 субкамер за время 50 не. Эффективность временной привязки событий не хуже ~93%.

10. Определены допустимые режимы работы камеры по газовому усилению:

• для рабочей газовой смеси Ar(30%)+CF4(10%)+C02(60%) камера обеспечивает требуемые параметры в диапазоне газовых усилений

G~(4-K0)xl04 , что соответствует интервалу анодных напряжений (2,9-3,1) кВ.

11. Полученные результаты исследования прототипов P0-P3 вошли в проект "CMS. The Muon Project", глава 4 - "Endcap chambers- cathode strip chambers".

12. Впервые выполнен оригинальный математический анализ задачи реконструкции параметров локальных систем координат в общей системе координат установки. Теоретически доказано, что для определения углов поворота необходимо, чтобы один из углов был задан, а для определения положения начала систем координат необходимо задать координаты начала двух систем координат. Определение необходимых параметров возможно при условии, что траектории частиц неколлинеарны и дисперсии координат треков в каждом детекторе ненулевые. Предложен метод определения несмещенных оценок параметров локальных систем координат регистрирующих слоев станции ME 1/1 установки CMS с использованием мюонных треков и координат реперных точек на поверхности ME 1/1.

Диссертация основывается на следующих опубликованных работах:

1. Ю.Л. Вертоградова, И.М. Иванченко, П.В. Моисенз. Определение параметров локальных систем координат дискретных детекторов. ОИЯИ, Р10-89-149, Дубна, 1989.

2. И.М. Иванченко, П.В. Моисенз Об одном методе определения параметров передаточной функции для дрейфовых камер установки Нейтринный детектор. ОИЯИ, 310-89-148, Дубна 1989.

3. I. Ivanchenko, P. Moissenz About One Method for Determining Transmission Function Parameters for Drift Chambers of the Neutrino Detector Type. Computing in High Energy Physics 91, p.511-514, Tsucuba, Japan, 1991.

4. P.V. Moissenz, Determining the Local Coordinate System Parameters of Detectors. In Proceeding of the International Conference on Computing in High Energy Physics'92 Annecy, France, 21-25 September 1992, CERN 92-07, Geneva, Switzerland, 21 December 1992.

5. C.Albajar et al., Electromagnetic secondaries in the detection of high energy muons, Nucl.Inst. and Meth. A364 (1995) pp.473-487.

6. К.А.Зубов, В.Ю.Каржавин, С.А.Мовчан и П.В.Мойсенз, Математическое обеспечение многопроволочной пропорциональной камеры с катодным считыванием информации, Сообщение ОИЯИ Р10-99-118, Дубна, 1999.

7. П.В. Мойсенз, Е.М. Негодаева, Катодно-стриповые камеры ENDCAP CMS. Работа в магнитном поле. Препринт №47, ФИАН, Москва, 1998,

8. I.Golutvin, I.Gramenittsky, P.Moissenz et al., Increasing of muon track reconstruction efficiency in ME1/1 Dubna prototype for the CMS/LHC, JINR Rapid Communications No.l[93]-99, JINR, Dubna, Russia, 1999, pp.48-55.

9. Ю.В.Ершов, И.А.Голутвин, В.Ю.Каржавин и др., РЗ-полномастабный прототип КСК ME 1/1, Сообщение ОИЯИ Е13-99-296, Дубна, 1999.

Ю.Ершов Ю.В., Глонти JI.H., Голутвин И.А., .,Мовчан С.А. и др., Р4-предсерийный прототип КСК МЕ1/1, Сообщение ОИЯИ Е13-2000-26, Дубна, 2000.

U.S. Movchan, P. Moissenz and S. Khabarov, The Influence of Readout Number of Samples in Analog Pipeline to Muon Spatial and Timing Resolution of Cathode Strip Chamber of the Compact Muon Solenoid Set Up (CMS). JINR P10-2000-183, Dubna, Russia, 2000.

12. S. Movchan, K. Moissenz and P. Moissenz, Cathode Strip Chamber Transmission Function and Single Layer Spatial Resolution for Clusters with Overflow. JINR P10-2000-108, Dubna, Russia, 2001.

13. S.Movchan and P.Moissenz. The method of anode wire incident angle calculation of the first muon station (ME1/1) of the Compact Muon Solenoid set up (CMS), Particles and Nuclei, Letters, No.4 [107]-2001, JINR, Dubna, Russia, 2001, pp.82-92.

14. I.Golutvin, N.V.Gorbunov, V.Yu.Karjavin, V.S.Khabarov, G.V.Mescheriakov, P.V.Moissenz, S.A.Movchan et al., The rate capability of the CSC readout electronics, Particles and Nuclei, Letters, 2001, No.4[107], JINR, Dubna, Russia, 2001, pp.45-53.

15.И.А.Голутвин, И.М.Граменицкий, В.Ю.Каржавин, A.B. Зарубин, П.В.Моисенз, С.А.Мовчан и др., Временное разрешение камер с сегментированным катодом мюонной станции ME 1/1 компактного мюонного соленоида и идентификация момента взаимодействия пучков коллайдера, Письма в ЭЧАЯ, 2001, №4[107], стр.54-62.

16. S. Movchan, К. Moissenz and P. Moissenz, Alignment of the First Muon Station (ME 1/1) of the Compact Muon Solenoid Set-up (CMS). JINR P10-2001-50, Dubna, Russia, 2001.

17. Yu.Erchov, I.Golutvin, N.Gorbunov et al., Cathode strip chamber performance of the CMS ME1/1 muon station, Proceedings of the 7th International Conference on Advanced Technology @ Particle Physics (ICATPP-7), World Scientific, 2002, pp.347-351. is. I.Golutvin et al., Cathode strip chamber data analysis, Proceedings of the 7th International Conference on Advanced Technology @ Particle Physics (ICATPP-7), World Scientific, 2002, pp.282-288.

19. I. Golutvin et al., Study of the Anode Self-trigger ability of the ME1/1 CMS Endcap Cathode Strip Chamber, Physics of Particles and Nuclei Letters, Vol. 4, No. 3, JINR, Dubna, Russia, 2007, pp.428-437.

20. I. Belotelov, A. Golunov, I. Golutvin et al., Electromagnetic Secondaries and Punch-Through Effects in the CMS ME1/1, Physics of Particles and Nuclei Letters, Vol. 4, No. 4, JINR, Dubna, Russia, 2007, pp.343-349.

21. I. Golutvin,., P. Moisenz et al., ME1/1 Cathode Strip Chamber for CMS Experiment, Письма в ЭЧАЯ. 2009. T.6, №4, C.566-571.

22. P.Aspell,., P.Moisenz et al., Energy and spatial resolution of a Shashlik calorimeter and silicon preshower detector, Nucl. Inst, and Meth. A364 (1995) pp .473-487.

23. A. Cheremukhin,.,P. Moissenz et al., Beam test results of a preshower detector with silicon strips as the active media, CERN-ECP-94-09, Geneva, Switzerland, 1994. Presented at 1st International Conference of Radiation Hardness and Large Scale Application of Semiconductor Detectors, 5-11 July 1993, Florence, Italy.

24. RD36 Collaboration (P. Moisenz), Proceeding of 4th International Conference in High Energy Energy Physics, Isola d'Elba (1993), Italy, p. 158-164.

25. RD36 Collaboration (P. Moisenz), Proceeding of Fifth International Conference on Calorimetry in High Energy Energy Physics, Brookhaven National Laboratory, September 25 - October 1 (1994), USA, p. 177-184.

В заключение автор выражает глубокую благодарность И.А.Голутвину и И.М.Граменицкому за неоценимую помощь и поддержку.

Автор глубоко признателен соавторам и коллегам по совместной работе в Лаборатории физики частиц и Лаборатории Информационных Технологий, особенно Д.А.Белослудцеву, Т.В.Беспаловой, С.Е.Васильеву, Н.С.Головой,

A.Голунов, Н.В.Горбунову, В.И.Гурскому, А.П.Дергунову, Н.Н.Евдокимову,

B.В.Елше, Ю.В.Ершову, Н.И.Замятину, А.В.Зарубину, Е.В.Зубареву, И.М.Иванченко, Н.Я.Калинкину, В.Ю.Каржавину, Н.Н.Карпенко, Ю.Т.Кирюшину, М.И.Киселеву, З.И.Коженковой, В.В.Коренькову, Ю.И.Краснову, А.М.Куренкову, А.А.Куренкову, В.Н.Лысякову, Г.И.Мелиховой, Г.В.Мещерякову, К.П. Моисенз, А.А.Мошкину, В.В.Пальчику,

B.В.Перелыгину, В.Позе, В.В.Рашевскому, В.П.Рашевскому, В.А.Самсонову,

C.Ю.Селюнину, Д.А.Смолину, В.П.Токарскому, В.С.Хабарову, С.В.Хабарову, В.С.Царькову, A.C. Чвырову, а также сотрудникам «Национального центра физики высоких энергий» республики Беларусь О.В.Дворникову, А.В.Солину, В.В.Чеховскому и директору центра Н.М.Шумейко.

Автор признателен своим близким, без терпения и доброго участия которых эта работа не могла бы состояться.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список источников диссертации и автореферата по физике, доктора физико-математических наук, Моисенз, Петр Владимирович, Дубна

1. LHC. The large hadron collider. Conceptual design. CERN/AC/95-05, LHC, Geneva, Switzerland, 1995.

2. CMS. The Compact Muon Solenoid. Technical Proposal. CERN/LHC 94-38, LHCC/P1, Geneva, Switzerland, 1994.

3. ATLAS. Technical Proposal. CERN/LHC 94-43, LHCC/P2, Geneva, Switzerland, 1994.

4. I.Golutvin et al., Study of fundamental properties of the matter in super high energy proton-proton and nucleus-nucleus interactions at CERN LHC. Participation in CMS Collaboration. RDMS CMS Project, 96-85 CMS Document, pp. 1-53, CERN, 1995.

5. N.Krasnikov and V.Matveev, Physics at LHC, Particles and Nuclei, Letters, vol.28 (part 5), JINR, Dubna, Russia, 1997, pp.1125-1189.

6. J. Mnich, Standard Model. Physics at the LHC, Proceedings of "Physics at LHC" Conference, Vienna, Austria, July 13-17 2004, CMS-CR-2004/043.

7. R. Kinnunen, LHC Potential for the Higgs Boson Discovery, Proceedings of "Hadron Structure 2004", Smolenice Castle, Slovakia, 2004, CMS-CR-2004/058.

8. CMS Collaboration, G.L.Bayatian et al., CMS. The Tracker Project. Technical Design Report, CERN/LHCC 98-6, CMS TDR 5, pp.xxx , 15 April 1998.

9. CMS Collaboration, G.L.Bayatian et al., CMS. The Electromagnetic Calorimeter Project Technical Design Report, CERN/LHCC 97-33 CMS TDR 4, pp.1-386, 15 December 1997.

10. CMS Collaboration, G.L.Bayatian et al, CMS. The Hadron Calorimeter Project. Technical Design Report, CERN/LHCC 97-31 CMS TDR 2, pp. 1507, 20 June 1997.

11. CMS Collaboration, G.L.Bayatian et al., CMS. The Muon Project. Technical Design Report, CERN/LHCC 97-32 CMS TDR 3, pp. 1-441, 15 December 1997.

12. ATLAS Muon Collaboration, ATLAS Muon Spectrometer Technical Design Report, CERN/LHCC/97-22 ATLAS TDR 10, 31 May 1997.

13. V. Polychronakos et al., Construction of the ATLAS CSC chambers, Nucl. Instrum. Meth. A888 , p. 821-840, 2007.

14. Y.Erchov et al., MEl/1 Engineering Design Review, 1999-035 CMS Document, pp.1-118, CERN, May 1999.

15. F. Sauli, Principles of Operation of Multiwire Proportional and Drift Chambers, CERN 77-09, 1977.

16. A.Peisert and F. Sauli, Drift and diffusion of electrons in gases: a compilation, CERN 84-08, 1984.

17. F. Sauli, New developments in gaseous detectors, CERN 2000-108, 2000.

18. P.Rice-Evans, Spark, streamer, proportional and drift chambers, London, The Richelieu press limited, 1974.

19. E. Gatti et al., Optimum geometry for strip cathodes or grids in MWPC for avalanch localization along the anode wires, Nucl.Instr. and Meth. 163 (1979) pp.83-92.

20. G. Charpak et al., High-accuracy localization of minimum ionizing particles using the cathode-induced charge center of gravity read-out, Nucl.Instr. and Meth. 167 (1979) pp.455-464.

21. E. Gatti et al., Nucl.Instr. and Meth. 188 (1981) p.327.

22. I.Endo et al., Nucl.Instr. and Meth. 188 (1981) p.51.

23. J.Chiba et al., Nucl.Instr. and Meth. 206 (1982) p.451.

24. H.van der Graaf et al., Nucl.Instr. and Meth. A 307 (1991) p.220.

25. K.Lau and J.Purlik, Nucl.Instr. and Meth. A 366 (1995) p.298.

26. A.Chvyrov et al., The Spatial Resolution of 3x0.3 m^ Dubna CSC Prototype (preliminary results). GEM technical note, SSCL GEM-TN-93-466, 1993.

27. V.Gratchev et al., Position and timing resolution of interpolating cathode strip chamber in a test beam. BNL-CSC-94-2, USA, 1994.

28. A.Chvyrov et al., Study of comparator and digital algorithms for muon trigger with MF1 prototype 95 test beam data, CMS TN/95-160, CERN, 1995.

29. A.Chvyrov et al., Bunch crossing identification study on MF1 prototype beam test data, CMS TN/95-161, CERN, 1995, pp. 1-9.

30. C.Albajar et al., Electromagnetic secondaries in the detection of high energy muons, Nucl.Inst. and Meth. A364 (1995) pp.473-487.

31. V.Karjavin, Muon trigger based on MF1 test results, First RDMS CMS Collaboration Meeting, 96-075 CMS Document, pp.1-200, CERN, 11-15 December 1995.

32. M.M.Baarmand et al., Test of cathode strip chamber prototypes. CMS Note/97-078, CERN, 1997.

33. I.Golutvin et al., MEl/1 prototype in the integrated test, CMS TN/97-084, CERN, 1997.

34. G. Wrochna et al. Muon Trigger of the CMS detector for LHC. CMS Note 1997/096, CERN, 1997.

35. Yu.Erchov et al., Fabrication and test of the full-scale P3 prototype of the MEl/1 CSC, CMS IN 1997/003, pp. 1-4, CERN, 1997.f

36. К.А.Зубов, В.Ю.Каржавин, С.А.Мовчан, П.В.Мойсенз. Математическое обеспечение многопроволочной пропорциональной камеры с катодным считыванием информации, Сообщение ОИЯИР10-99-118, Дубна, 1998.

37. П.В. Мойсенз, Е.М. Негодаева, Катодно-стриповые камеры ENDCAP CMS. Работа в магнитном поле. Препринт №47, ФИАН, Москва, 1998.

38. I.Golutvin et al., Increasing of muon track reconstruction efficiency in ME 1/1 Dubna prototype for the CMS/LHC, JINR Rapid Communications No.l 93]-1999, JINR, Dubna, Russia, 1999, p.47.

39. I.Golutvin et al., The study of CSC strip readout electronics operation at high background rates, CMS TN/99-055, CERN, 1999.

40. Ю.В.Ершов, И.А.Голутвин, В.Ю.Каржавин и др., РЗ-полномастабный прототип КСК ME 1/1, Сообщение ОИЯИ Е13-99-296, Дубна, 1999.

41. I.Golutvin et al., Robust estimates of track parameters and spatial resolution for CMS muon chambers, Computer Physics Communications vol.126 (2000) pp.72-76.

42. Ю.В.Ершов, Л.Н.Глонти, И.А.Голутвин и др., Р4-предсерийный прототип КСК ME 1/1., Сообщение ОИЯИ Е13-2000-26, Дубна, 2000.

43. S. Movchan, P. Moissenz and S. Khabarov, The Influence of Readout Number of Samples in Analog Pipeline to Muon Spatial and Timing Resolution of Cathode Strip Chamber of the Compact Muon Solenoid Set Up (CMS). JINR PI 0-2000-183, Dubna, Russia, 2000.

44. S. Movchan, K. Moissenz and P. Moissenz, Cathode Strip Chamber Traiismission Function and Single Layer Spatial Resolution for Clusters with Overflow. JINR PI0-2000-108, Dubna, Russia, 2001.

45. S.Movchan and P.Moissenz. The method of anode wire incident angle calculation of the first muon station (ME 1/1) of the Compact Muon Solenoidset up (CMS), Particles and Nuclei, Letters, No.4 107.-2001, JINR, Dubna, Russia, 2001, pp. 82-92.

46. I. Golutvin et al., The Rate Capability of the CSC Readout Electronics, Particles and Nuclei, Letters, No.4107]-2001, JINR, Dubna, Russia, 2001, pp.45-53.

47. S. Movchan, К. Moissenz and P. Moissenz, Alignment of the First Muon Station (ME 1/1) of the Compact Muon Solenoid Set-up (CMS). JINR P10-2001-50, Dubna, Russia, 2001.

48. I. Golutvin et al, Cathode strip chamber data analysis, Proceedings of the 7th International Conference on Advanced Technology @ Particle Physics (ICATPP-7), World Scientific, 2002, pp.282-288.

49. Yu.Erchov et al., Cathode strip chamber performance of the CMS ME1/1 muon station, Proceedings of the 7th International Conference on Advanced Technology @ Particle Physics (ICATPP-7), World Scientific, 2002, pp.347351.

50. И.А.Голутвин, Ю.Т.Кирюшин, С.А.Мовчан и др., Робастные оптимальные оценки параметров трек-сегментов в катодно-стриповых камерах эксперимента CMS, ПТЭ, №6, 2002, стр.5-12.

51. P. Jaron and М. Goyot. A fast current sensitive preamplifier (MSD-2) for the silicon microstrip detector, Nucl.Inst. and Meth. 226 (1984) pp. 156-162.

52. M.Campbell et al., ICON a current mode preamplifier in CMOS technology for use with high rate particle detectors. IEEE Nucl. Sei. Symposium proceedings 5/11 1991.

53. J.C.Santiard et al., Gasplex a low-noise analog signal processor for read-out gaseous detectors. ECP/94-17, CERN, 1994.

54. I. Golutvin et al, Study of the Anode Self-trigger ability of the ME1/1 CMS Endcap Cathode Strip Chamber, Physics of Particles and Nuclei Letters, Vol. 4, No. 3, JINR, Dubna, Russia, 2007, pp.428-437.

55. Yu. Erchov et al., Cathode Strip Chamber for CMS ME1/1 Endcap Muon Station, Physics of Particles and Nuclei Letters, Vol. 3, No. 3, JINR, Dubna, Russia, 2006, pp.183-187.

56. V.Karjavin, Status of ME1/1 CSC FE Electronics, CMS Endcap Muon Meeting, 2000-121, Gainesville, Florida, USA, February 18-19 2000.

57. S.Agosteo et al., A facility of the test of large area muon chambers at high rates, CERN-EP-00-210, CERN, 2000.

58. M. Huhtinen and A.Uzunian, Shielding optimization in ME1/1 region, CMS IN/99-025, CERN, 1999.

59. M. Huhtinen, Optimization of the CMS forward shielding, CMS NOTE-2000/068, CERN, 2000.

60. R. Breedon, H. Cooper, B. Holbrook, et al., A 16-Channel, 96-Cell Switched Capacitor Array for the CMS ENDCAP Muon System, CMS CR 1998/007, 1998.

61. I. Golutvin, N. Gorbunov, V. Karjavin, et al., The study of CSC Strip Readout Electronics Operation at High Background Rates, CMS IN 1999/055, 1999.

62. V. Tchekhovski ME1/1 Front-End Chips, EMU-ME1/1 Meeting, CERN, September 1999.

63. A. Peisert, F. Sauli, Preprint CERN 84-08, Geneva, Switzerland, 1984.

64. E. Wagner, F. Davis, G. Hurst, J. Chem. Phys., vol.47,3138,1967.

65. J. Parker, J. Lowke, Physd. Rew., vol. 181, 290, 1969.

66. H. Skullerud, J. Phys. В., vol. 2, 696, 1969.

67. F. Piuz, Nucl. Instr. and Meth. 205 (1983) 425.

68. М.И. Дайон, O.K. Егоров, C.A. Крылов и др., Приборы и техника эксперимента №5, 1970, стр. 64.

69. I. Belotelov, A. Golunov, I. Golutvin et al., Electromagnetic Secondaries and Punch-Through Effects in the CMS ME1/1, Physics of Particles and Nuclei Letters, Vol. 4, No. 4, JINR, Dubna, Russia, 2007, pp.343-349.

70. CMS Collaboration, The Hadron Calorimeter Project, Technical Design Report CERN/LHCC 97-31, CMS TDR 2, 1997.

71. Object-Oriented Simulation for CMS Analysis and Reconstruction, http://cmsdoc.cern. ch/oscar.

72. Object-Oriented Reconstruction for CMS Analysis and Reconstruction, http://cmsdoc.cern.ch/orca.74. http://www/geant4.com/hadronics/GHAD/HomePage/geant4.7.0/calorimetrv/ index.html.

73. P. Moisenz, ME1/1 Beam Test Results and Plans, CERN, Geneva, Switzerland, 6June 2004.

74. P. Moisenz, ME1/1 Spatial Resolution with MTCC2 Data, CERN, Geneva, Switzerland, 26 February, 2007.

75. Golutvin,., P. Moisenz et ah, ME 1/1 Cathode Strip Chamber for CMS Experiment, Письма в ЭЧАЯ. 2009. Т.б, №4, С.566-571.

76. Н.Н. Говорун и др., ОИЯИ, Р5-5397, Дубна, 1970.

77. Д. Вестергомби и др., ОИЯИ, Р10-7284, Дубна, 1973.

78. В .Б. Виноградов и др., ОИЯИ, Р10-85-77, Дубна, 1985.

79. Ц.А. Аматуни и др., ИФВЭ, 82-142, Серпухов, 1982.

80. Р.И. Джелядин и др., ИФВЭ, 84-70, Серпухов, 1984.

81. Ю.Л. Вертоградова, ИМ. Иванченко, П.В. Мойсенз. Определение параметров локальных систем координат дискретных детекторов. ОИЯИ, Р10-89-149, Дубна, 1989.

82. V. Karimaki, A. Heikkinen, T.Lampen, T. Linden, Sensor Alignment by Tracks, CMS CR 2003/022, CERN, Genrva, 2003.

83. V. Karimaki, T. Lampen, The HIP Algorithm for Track Base Alignment and its Application to the CMS Pixel Detector, CMS Note 2006/018, CERN, Geneva, 2006.

84. V. Blobel, Linear Least Squares Fits with a Large Number of Parameters, http://www/desy/de/~blobel/mptalks/html.

85. CERNLIB CERN Program Library. W5013, Geneva 1994, Switzerland.

86. P. Arce, E. Calvo, et al., Stuidy of the Alignment Design of the CMS ME1/1 Stations. CMS Internal Note 1999/048, Geneva, Switzerland, 1999.

87. P. Arce, E. Galvo et al.,Internal Alignment of the ME1/1 Stations with Tracks. CMS Internal Note 2000/009, Geneva, Switzerland, 2000.

88. I. Ivanchenko, P. Moissenz About One Method for Determining Transmission Function Parameters for Drift Chambers of the Neutrino Detector Type. Computing in High Energy Physics 91, p. 511-514, Tsucuba, Japan, 1991.

89. И.М. Иванченко, П.В. Моисенз Об одном методе определения параметров передаточной функции для дрейфовых камер установки Нейтринный детектор. ОИЯИ, 310-89-148, Дубна 1989.

90. Н.И. Божко и др. В кн. Материалы III рабочего совещания по нейтринному детектору ИФВЭ-ОИЯИ. ОИЯИ, Р 1,2,13-83-81, Дубна, 1983, стр. 19.

91. JI.C. Барабаш и др. В кн. Материалы III рабочего совещания по нейтринному детектору ИФВЭ-ОИЯИ. ОИЯИ, Р 1,2,13-83-81, Дубна, 1983, стр. 7.

92. P.Aspell,., P.Moisenz et al.,Energy and spatial resolution of a Shashlik calorimeter and silicon preshower detector, Nucl.Inst. and Meth. A364 (1995) pp.473-487.

93. RD36 Collaboration, Proceeding of 4th International Conference in High Energy Energy Physics, Isola d'Elba (1993), Italy, p. 158.

94. RD36 Collaboration, Proceeding of Fifth International Conference on Calorimetry in High Energy Energy Physics, Brookhaven National Laboratory, September 25 October 1 (1994), USA, p. 177-184.

95. GEANT3: CERN Program Library, entry W5013, CERN, Geneva, Switzerland (1993).

96. I. Smirnov, HEED: Simulation of ionization losses in gas mixture, version 1.01 (1996)1 • i

97. S. F. Biagi, Accurate solution of the Boltzmann transport equation, Nucl. ' I1 Instr. & Methods A283 (1989) pp 716-722.it1 102.Zastawny, J. Sci. Instrum., 1966/Vol. 43, p. 179. [Î03]S.C. Curran, A.L. Cockroft and J. Angus, Phil. Mag. 40 (1949) p. 929.