Исследование параметров пропорциональной катодно-стриповой камеры для мюонной станции МЕ1/1 установки компактный мюонный соленоид (CMS) тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.23 ВАК РФ

ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

13-2007-10

На правах рукописи УДК 539.1.074:621.382

МОВЧАН Сергей Александрович

ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПРОПОРЦИОНАЛЬНОЙ КАТОДНО-СТРИПОВОЙ КАМЕРЫ ДЛЯ МЮОННОЙ СТАНЦИИ ME 1/1 УСТАНОВКИ КОМПАКТНЫЙ МЮОННЫЙ СОЛЕНОИД

(CMS)

Специальность: 01.04.23 — физика высоких энергий

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Дубна 2007

□03054Э18

003054918

Работа выполнена в Лаборатории физики частиц Объединенного института ядерных исследований.

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук

Моисенз Петр Владимирович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор

доктор физико-математических наук, профессор

Ермолов Павел Федорович

Ажгирей Леонид Степанович

Ведущая организация:

"Государственный научный центр Российской Федерации -Институт физики высоких энергий", г.Протвино Московской обл.

Защита диссертации состоится "_"_2007 г. в_ часов на

заседании диссертационного совета Д-720.001.05 в Лаборатории физики частиц Объединенного института ядерных исследований, г. Дубна Московской области.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЛФЧ ОКЯИ.

Автореферат разослан "

2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Кривохижин Василий Геннадиевич

Общая характеристика работы.

Актуальность. Компактный мюонный соленоид (CMS) является одной из двух крупнейших установок, создаваемых для работы на Большом Адронном Коллайдере (LHC).

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

Теория объединения электромагнитного и слабого взаимодействий позволила сделать шаг вперед в понимании фундаментальных взаимодействий. Тем не менее, Стандартная Модель все еще оставляет много вопросов без ответа: например, не объясняет механизм приобретения массы частицами. Также теорией не объяснен тот факт, что кварки и пептоны имеют три поколения, существенно различающиеся по массе. Чтобы дать ответы на эти вопросы, теория Стандартной Модели была расширена - сделано предположение о существовании Хиггсовского поля взаимодействия массивных векторных бозонов W* и Z0. При этом масса частиц приобретается через механизм спонтанного нарушения симметрии. Однако и этого еще недостаточно для представления целостной картины строения материи. Кроме того, Стандартная Модель не включает теорию гравитации.

Несколько теорий были сформулированы для того, чтобы ответить на вопросы, неохватываемые Стандартной Моделью. Наиболее популярна в настоящее время теория Суперсимметрии (SUSY). Основное предположение теории SUSY основано на том, что для каждой известной элементарной частицы существует супер-частица с равным зарядом. Для каждого кварка имеется соответствующий с-кварк и аналогично существуют с-лептоны, нейтродины, глюины и т.д. Еще одна популярная теория - Минимальное Суперсимметричное расширение Стандартной Модели (MSSM) ограничивается введением всего пяти суперсимметричных частиц.

С помощью нового поколения физических установок на Большом Адронном Коллайдере, создаваемом в Европейском Центре Ядерных Исследований (CERN), может быть измерена масса Хиггсовского бозона.

Повышенные требования к характеристикам детектирующих систем, большое количество каналов регистрации и очень ограниченное место для размещения детекторов и электроники регистрации влекут за собой ряд серьезных требований к их разработке.

Многопроволочная пропорциональная камера с катодным считыванием информации со стрипов (катодно-стриповая камера, CSC) выбрана в качестве базового детектора для торцевых мюонных систем крупнейших экспериментов CMS и ATLAS. 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 (1-3) кГц/см";

• возможность работы в магнитном поле ~ 3 Тесла.

Координатная точность камер мюонной станции ME 1/1 играет

определяющую роль в обеспечении необходимого энергетического разрешения торцевой мюонной системы установки CMS. Близкое расположение станции к внутреннему трекеру определяет высокие требования к эффективности и точности определения пространственной координаты мюона для восстановления его трека в точку взаимодействия пучков.

Цель диссертационной работы. Разработка концепции катодно-стриповой камеры для мюонной станции МЕ1/1 эксперимента CMS.

Исследование характеристик прототипов катодно-стриповой камеры:

• с помощью мюонных и пионных пучков в магнитном поле разной величины;

• в условиях, близких к реальным для мюонной станции ME 1/1 в эксперименте CMS;

• определение оптимального режима работы камеры по газовому усилению для разработанной электроники считывания информации с ее стрипов и проволочек.

Экспериментально доказать, что параметры камеры удовлетворяют требованиям эксперимента CMS.

Научная новизна работы. В диссертационной работе приведены новые результаты экспериментальных исследований характеристик катодно-стриповой камеры:

• влияние магнитного поля на координатное разрешение камеры;

• влияние электромагнитного сопровождения, индуцируемого мюонами в веществе, на координатное разрешение камеры и эффективность реконструкции мюонных треков;

• исследованы триггерные свойства камеры. Показана возможность идентификации трека заряженной частицы и определение момента ее прохождения через камеру с помощью сигналов с анодных и быстрых катодных каналов регистрации;

• исследовано влияние больших фоновых загрузок на характеристики камеры;

• исследовано влияние коэффициента газового усиления на ее характеристики.

Практическая ценность работы.

• Разработана и оптимизирована концепция камеры для мюонной станции МЕ1/1.

• Результаты экспериментальных исследований показали, что параметры камеры удовлетворяют требованиям эксперимента CMS. Это позволило создать мюонную станцию МЕ1/1.

Апробация работы.

Основные результаты диссертации изложены в 9 работах, список которых приведен в конце автореферата. Результаты исследований неоднократно докладывались на общелабораторных семинарах в ЛФЧ ОИЯИ, на семинарах коллаборации CMS в ЦЕРН, а также на следующих международных совещаниях и конференциях:

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

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

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

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

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

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

Структура и объем диссертации. Диссертация объемом 160 страниц состоит из введения, четырех глав и заключения. Содержит 11 таблиц, 99 рисунков и список цитируемой литературы из 59 ссылок.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 работ, в том числе в журналах «Письма в ЭЧАЯ», «JINR Rapid Communications», «Computer Physics Communications» и ПТЭ.

Содержание диссертации.

Во введении подчеркнута 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 показан на Рис. 1. Торцевая часть мюонного спектрометра состоит из 4 станций. Первая станция МЕ1 состоит из 3-х перекрывающихся между собой по R-координате колец детекторов - ME 1/1, ME 1/2 и ME 1/3. Станция МЕ1/1 -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. Станция ME 1/1 расположена в сильном акси-

альном магнитном поле соленоида (в отличие от остальных станций). Она состоит кз 72 камер трапсциидалыгой формы. Общая чувствительная площадь камер около 34 м2.

Для достижения требуемого разрешения по импульсу всей торцевой мгоонной системы, камеры мюонной станции МЕ1Л должны обеспечивать координатное разрешение а - 75 мкм. Эффективность восстановления греков мюонов должна быть близка к 100%. Для определения момента столкновения пучков необходимо временное разрешение - 4 не. Камеры мюонной станции МЁ1/1 должны работать в аксиальном магнитном иоле соленоида величиной - 3 Тесла с радиальной составляющей ~ 0,3 Тесла. Станция должна обеспечить требуемые параметры при фоновых загрузках от заряженных частиц порядка 1,0 кГц/см2.

Во стопой главе изложены принцип работы газоразрядных детекторов. Обоснован выбор пропорциональной камеры с катодным считыванием информации со стрипов в качестве базового детектора для применения в торцевом мюонном спектрометре эксперимента CMS. Сформулирована программа экспериментальных исследований характеристик катодно-стриповой камеры для мюонной станции МЕ1/1.

Третья глава посвящена описанию методических результатов по экспериментальному исследованию характеристик катодно-сгриповой камеры.

Описаны методы получения координаты мюоня по информации со стрипов катодно-стриповой камеры [1]

Применен метод компенсации влияния магнитного поля на координатное разрешение камеры путем поворота анодных проволочек на соответствующий угол относительно оси камеры (центрального стрипа). 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 [7]. Результаты моделирования подтверждены экспериментальными измерениями.

Изучено влияние магнитного поля на координатное разрешение камеры.

Pai;.l Общий вид установки "Компактный мюонный соленоид" (CMS)

Прототип РО сыграл историческую роль в выборе типа детектора для торцевого мюонного спектрометра эксперимента CMS. С его помощью была показана возможность точной реконструкции треков мюонов в магнитном поле величиной 3 Тесла. Кроме того, при изготовлении камеры была отработана технология ее сборки, обеспечивающая величину несоосности стрипов для разных плоскостей камеры порядка нескольких десятков микрон. В дальнейшем эта технология была использована при изготовлении всех прототипов камеры и далее при серийном производстве камер для мюонной станции МЕ1/1.

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(30%)+CF4(20%)+C02(50%).

Для исследования характеристик прототипа была разработана электроника считывания информации со стрипов на базе зарядового предусилителя фирмы LeCroy HQV820. Считывание информации с катодных стрипов организовано на основе однократной схемы выборки и хранения информации с последующей оцифровкой. Для считывания информации с анодных проволочек был применен токовый усилитель «ГАРАНТИЯ», разработанный в ИФВЭ, Протвино.

С помощью этого прототипа было исследовано координатное и временное разрешение камеры, влияние магнитного поля на

координатное разрешение

камеры. Впервые показана возможность работы катодно-стриповой камеры в магнитном поле величиной 3 Тесла, что предопределило ее выбор в качестве детектора для торцевого мюонного спектрометра эксперимента CMS.

Показано, что координатное разрешение для одной плоскости камеры равно а — 50 мкм (Рис.2), а ее временное разрешение при считывании информации с 4 анодов по схеме

Xtrack - Xrecon ¡mm)

Рис.2 Координатное разрешение для одной плоскости прототипа Р0

"или" - а~2,9 не. Наличие магнитного поля приводит к смещению направления дрейфа электронов первичной ионизации к анодным проволочкам и, как следствие этого, координатное разрешение камеры деградирует. Эффект влияния нормальной составляющей магнитного поля может быть скомпенсирован наклоном анодных проволочек на соответствующий угол по отношению к стрипам камеры (угол Лоренца, aL). Величина угла зависит от величины магнитного поля.

Конструкция полномасштабных прототипов PI и Р2 камеры мюонной станции МЕ1/1 была существенно модернизирована: количество катодных плоскостей увеличено с 4-х до 6, введена радиальная форма стрипов. Анодные проволочки наклонены по отношению к нормали к оси камеры на эффективный угол Лоренца для компенсации эффекта влияния магнитного поля величиной 3 Тесла.

Для экспериментального исследования характеристик прототипа Р2 было разработано и изготовлено новое поколение электроники регистрации информации с CSC.

Считывание информации с катодных стрипов было организованно на основе аналогового процессора GASPLEX, специально разработанного для работы с газовыми детекторами. После зарядо-чувствительного предусилителя, оптимизированного на работу с детекторами, имеющими большую емкость, стоит фильтр, компенсирующий логарифмическую форму зарядового сигнала с камеры и тем самым повышающий быстродействие канала регистрации. Время восстановления базовой линии канала эквивалентно 5,6 мкс.

Анодная электроника была разработана на базе быстрого _72.5 токового предусилителя-форми-рователя MSD-2 фирмы LABEN.

С помощью прототипа Р2 было исследовано координатное и временное разрешение камеры, изучено влияние электромагнитного сопровождения на характеристики камеры.

Способ компенсации эффекта влияния магнитного поля на координатное разрешение камеры путем поворота анодных проволочек по отношению к стрипам позволяет получить координатное разрешение на уровне 50 мкм. Зависимость координатной точности для одной плоскости камеры от величины магнитного поля для aL=21,20 приведена на Рис.3.

70

67.5

65

62.5

60

57.5

55

52.5

50,

1.4 1.6

1.;

2.2 2.4

2.6 2.8 В(Т)

Рис.3 Зависимость координатного разрешения для одной плоскости прототипа Р2 от величины магнитного поля

Зависимость величины угла Лоренца ^ с^) от величины нормальной составляющей магнитного поля для газовой смеси Аг/С^/ССЬ разного процентного состава приведена на Рис.4. Видна слабая зависимость величины угла от состава газовой смеси [7].

Временное разрешение камеры равно ст~2,1 не при считывании информации с анодов.

Изучался эффект влияния электромагнитного сопровождения, генерируемого высоко-энергетичными мюонами

проходящими через адронный калориметр, на эффективность реконструкции мюонных треков. Показано, что наличие 6 плоскостей (6 субкамер) в камере наиболее оптимально с точки зрения эффективности реконструкции треков мюонов с электромагнитным сопровождением (Рис.5)[2].

РЗ - шести слойный полномасштабный прототип камеры мюонной станции МЕ1/1. В его конструкции учтены результаты исследований и опыт работы с предшествующими прототипами. Для уменьшения загрузки катодных каналов регистрации стрипы разрезаны на 2 части и считываются независимо с двух сторон. Область раздела стрипов (г|=2,0) выбрана таким образом, чтобы загрузка каналов регистрации для обеих частей камеры была одинакова. Величина зазора анод-катод увеличина до 2,8 мм.

0.5 1 1.5

2 2.5 3 3.5 4

Bz(T)

Рис.4 Зависимость величины угла Лоренца ^ сО от величины нормальной составляющей магнитного поля для газовой смеси Аг/Ср4/СОг различного процентного состава: ■ - 40:10:50, . -30:20:50. а -30:10:60

kjoc

Number of layers

Рис.5 Зависимость эффективности реконструкции мюнных треков от количества плоскостей в камере

С целью оптимизации угла наклона анодных проволочек относительно стрипов была создана программа моделирования координатного разрешения камеры учитывающая величину зазора анод-катод, шаг анодных проволочек и их диаметр, состав газовой смеси, величину магнитного поли и величину газового усиления. Результаты моделирования неоднократно проверены экспериментальными данными, полученными при исследовании различных прототипов. Зависимость величины координатного разрешения по площади для одной из плоскостей камеры (субкамеры) приведена па Рис.6 [7].

Рис.6 Зависимость величины координатного разрешения «о площади для одной плоскости камеры (моделирование)

Моделирование выполнено для газовой смеси Аг(30%)+ С?.(( 10%)+С0г(60%), газового усиления С~10\ величины магнитного поля - 3 Тесла, соотношения радиальной и азимутальной компонент магнитного поля - 0,1 и величины зазора анод-катод 3,5 мм, шага анодных проволочек 2,5 мм и их диаметра 30 мкм. Оптимальная величина эффективного угла наклона анодных проволочек равна а|— 29,5°[7].

Экспериментально исследовано временное разрешение камеры [6,8]. При исследованиях прототипов РЗ и Р4 использовалась электроника регистрации со стрипов на основе специализированных больших интегральных схем КАТОД-1 (16-ти канальный зарядочу вствител ьны й преду с ил итель-формировател ь) и КАТОД-3 (16-ти канальный формирователь-дискриминатор быстрого катодного канала). Анодная электроника была изготовлена на базе токового предусилнтеля-формирователя [\zlSD-2. Прототип РЗ был развернут на угол 0=10° к оси пучка для имитации геометрии положения камеры в установке

CMS. 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.7).

1700 1вО0 1900 3000 2100 2200 2300

7000 7100 2700 2300

Рис.7 Форма временного спектра для одной плоскости прототипа РЗ при считывании информации с анода (слево) и стрипов (справо). Цена деления ВЦП - 0,1 нс/канал

На Рис.8 представлены временные распределения для шести последовательно

приходящих во времени сигналов с 6 анодных плоскостей камеры. Величина временных спектров по основанию (для 99% событий) составляет значение для 1го сигнала - 10,5 не, для 2го - 12 не, для 3 го - 14 не, для 4го -16,5 не, для 5го - 22,5 не, для 6го - 26,5 не [8]. Показано, что: • координатное разрешение для одной плоскости камеры в магнитном поле величиной ~ 3 Тесла равно о ~ 50 мкм. Влияние магнитного поля компенсируется путем поворота анодных проволочек на

If) 8000 I-

5 6000 Й 4000

со 1- 6000

Z

у 4000

ш

2000

0

Рис.8 Временные распределения для шести последовательно приходящих сигналов с 6 анодных плоскостей прототипа РЗ

соответствующий угол Лоренца относительно стрипов;

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

• возможна однозначная привязка событий к времени взаимодействия пучков в коллайдере за время 25 не, при этом все 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. В CMS принято, что временная метка события делается по второму анодному временному сигналу, а идентификация события как трека подтверждается мажоритарными совпадениями анодных и катодных сигналов в течении 50 не.

Четвертая глава посвящена описанию исследования характеристик прототипов Р2-Р4 камеры мюонной станции ME 1/1 в условиях, близких к реальным в эксперименте CMS.

Для получения достоверных оценок координатного разрешения камеры и эффективности реконструкции треков мюонов наряду с методом максимума правдоподобия применен метод робастного фитирования треков мюонов в условиях большого количества сопутствующих треков [3,9]. Метод позволяет получить оценку координатное разрешение камеры в 1,5 раза лучше по сравнению с методом МНК. Суть метода заключается в том, что для хитов в сработавших плоскостях камеры вводятся особые весовые коэффициенты. Чем дальше хит от координаты предполагаемого трека, тем меньше он влияет на итерационную процедуру фитирования. Начальное приближение может быть получено методом МНК.

Эффект влияния коррелированного фона (электромагнитного сопровождения, генерируемого высокоэнергетичными мюонами, проходящими через материал поглотителя адронного калориметра) исследовался с помощью прототипа Р2 на канале Н2, ЦЕРН, в магнитном поле величиной 3 Тесла. Измеренная вероят-ность образования вторичных треков в CSC от электро-магнитного сопровождения мюона составила величину 22% для мюонов с импульсом 100 ГэВ/с и 29% для мюонов с импульсом 300 ГэВ/с. Многослойные катодно-стриповые камеры позволяют сохранить высокую коорди-натную точность (а ~ 75 мкм) и эффективность реконструкции треков мюонов (на уровне 92-94%) в условиях присутствия электромагнитного сопровождения (Рис.9) [2].

Влияние некоррелированного фона на характеристики камеры исследовалось на прототипах РЗ и Р4 с помощью пионного пучка высокой интенсивности на канале Н2, ЦЕРН (Рис.10) [5].

Режим работы прототипов по высокому напряжению был выбран таким образом, чтобы отношение сигнал/шум при считывании информации со стрипов было равно ~ 200. Это обеспечило заведомо высокое координатное разрешение камеры (~ 65 мкм на плоскость) в условиях отсутствия фона.

Исследования показали, что при загрузках ~ 100 кГц/канал:

• координатное разрешение для одной плоскости камеры равно ст ~ 70 мкм при эффективности реконструкции треков пионов ~ 96% ;

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

Исследования прототипа РЗ на стенде «Gamma irradiation facility» (GIF, ЦЕРН) с высокоинтенсивным гамма

источником CS137 (N=2x1 Об у/схсм2, Еу=662 кэВ) дали возможность изучить загрузочную способность камеры. Деградация временного разрешения камеры при считывании информации с анодных проволо-

100

>ч О С '

а>

Ъ so

60

40

20

W - Total efficiency ÍAr - /¿Hrackjs

1* - /¿k-e.m.¡secondaries

¿.......-i—B—i------- .......... ... i -i.. . 1 ....

50 100 150 200 250 300 350

E/¿, GeV

Рис.9 Зависимость эффективности реконструкции мюокных треков от их энергии

100

N

и

90

100

Е

5 75 о

50 Li

- Trock reconstruction 4/6

- Fost cothode loyer, 1 /2 strip

_ LHC

- estimóte

, 1 1 M I < Strip width: 5 mm i i i i ! i i t . 1 . i i i 1 i . i i 1 i i

300 400 600

Rate, kHz/strip

Рис.10 Зависимость координатного разрешения для одной плоскости камеры и эффективности реконструкции мюонов от величины некоррелированного фона для прототипа Р4

чек исследовалась в зависимости от интенсивности некоррелированного фона, создаваемого гамма источником. Набор поглощающих фильтров с диапазоном ослабления К=1-И04 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.11).

Прототип Р4 [4] представляет собой шести слойный полномасштабный прототип камеры мюонной станции МЕ1/1. Особенность Р4 состоит в том, что он произведен с использованием технологии, материалов и оборудования, предназначенных для серийного изготовления камер. Величина зазора анод-катод увеличена до 3,0 мм. Скорректирован угол наклона анодных проволочек -aL=25°. Изменено количество каналов считывания со стрипов для каждой плоскости - в верхней части камеры стало ВО каналов, а в нижней - 48. Уменьшен размер камеры по высоте в ее верхней части из-за Рис.11 Зависимость временного разрешения прото-проблем с интеграцией камеры в типа Р3 от величины некоррелированного фона установку CMS.

Катодная информация считывалась с помощью 96-канальной системы, разработан-ной 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 Тесла.

Экспериментальные результаты, характеризующие работу прототипа Р4 в зависимости от значений высокого напряжения на камере (газового усиления Gas gain), представлены на рис.12 [1].

Gas gain X10®

0.6 0.7 0.8 0.8 1 1.5

100

95

90

Anode layer Fostcoth^ loyer. 1/2 strip^

Track reconstruction 4/6

£

3.100

«J

о

w b"

80

Strip width='

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 Тесла,

• и величине некоррелированных фоновых загрузок до 100 кГц на канал регистрации

камера обеспечивает:

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

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

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

Fast cathode (Th=10fC)

2.65 з

HV, kV

Рис.12 Зависимость эффективности регистрации, координатного и временного разрешения прототипа Р4 от высокого напряжения на камере (коэффициента газового усиления)

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы:

1. Разработана концепция камеры для мюонной станции МЕ1/1. Камера выполнена в виде 10° сектора и состоит из 6 субкамер. Одна координата считывается с радиальных стрипов, а вторая - с проволочек, объединенных в группы. Считывание со стрипов разделено по радиусу на две части для уменьшения загрузок на катодный канал считывания и оптимизации координатного разрешения для верхней и нижней частей камеры.

2. 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 координатное разрешение для одной субкамеры равно:

• а~50 мкм при ширине стрипа 5 мм в отсутствии магнитного поля (ст равна 1/100 от ширины стрипа);

• сг~50 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:

• показано, что наличие 6 субкамер в детекторе наиболее оптимально с точки зрения эффективности реконструкции трека мюона с электромагнитным сопровождением;

• 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:

• по анодным каналам регистрации ст~1,6 не;

• по быстрым катодным каналам регистрации ст~3 не; координатное разрешение для быстрых катодных каналов регистрации:

• равно ст~0,5 мм (1/10 ширины стрипа) для одной субкамеры; эффективность регистрации трека частицы для анодных и быстрых катодных каналов:

• эффективность мажоритарных совпадений (4/6) сигналов с 6 анодных плоскостей камеры равна -98% за время 25 не;

• эффективность мажоритарных совпадений (4/6) сигналов с 6 катодных плоскостей камеры равна -96% за время 50 не.

Впервые показана возможность точной регистрации координаты мюона с высокой эффективностью с помощью многослойной катодно-стриповой камеры в магнитном поле величиной 3 Тесла в присутствии большого количества сопутствующих треков и высоких фоновых загрузок. Показана возможность использования многослойной камеры в качестве триггерного детектора для быстрого выделения треков и привязки их к моменту столкновения пучков. 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:

• координатное разрешение камеры а ~ 75 мкм при эффективность реконструкции мюонных треков не менее 92% (координатное разрешение ст для каждой субкамеры не хуже 150 мкм, а трек состоит не менее чем из 4 точек);

• 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%.

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~(4^10)xl()4, что соответствует интервалу анодных напряжений (2,81+2,94) кВ.

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

3. Применен метод компенсации влияния магнитного поля на координатное разрешение камеры путем поворота анодных проволочек на соответствующий угол относительно оси камеры (центрального стрипа). 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. Результаты моделирования подтверждены экспериментальными измерениями.

4. 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 и метод робастного фитирования.

5. Впервые показана адекватность параметров камеры требованиям эксперимента CMS. На основе проведенных исследований разработана и создана мюонная станция МЕ1/1.

Диссертация основывается на следующих опубликованных работах:

1. 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.

2. I.Golutvin, I.Gramenittsky, P.Moissenz, S.Movchan 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.4855.

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

4. Ершов Ю.В., Глонти Л.Н., Голутвин И.А., ...,Мовчан С.А. и др., Р4-предсерийный прототип КСК МЕ1/1, Сообщение ОИЯИ Е13-2000-26, Дубна, 2ООО.

5. 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.

6. И.А.Голутвин, И.М.Граменицкий, В.Ю.Каржавин, А.В.Зарубин, П.В.Мойсенз, 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.

7. С.А.Мовчан и П.В.Мойсенз, Методика вычисления угла наклона анодной проволоки первой мюонной станции (МЕ1/1) установки «Компактный мюонный соленоид» (CMS), Письма в ЭЧАЯ, 2001, №4[107], стр.82-92.

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

9. 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.

Получено 26 января 2007 г.

Отпечатано методом прямого репродуцирования с оригинала, предоставленного автором.

Подписано в печать 30.01.2007. Формат 60 х 90/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,18. Уч.-изд. л. 1,57. Тираж 100 экз. Заказ № 55646.

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

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 Большой Адронный Ускоритель (LHC).

1.1 Коллайдер LНС.

1.2 Компактный мюонный соленоид (CMS).

1.2.1 Назначение подсистем установки CMS.

1.3 Мюонная система установки CMS.

1.3.1 Назначение.

1.3.2 Требования.

1.3.3 Торцевая часть мюонного спектрометра.

1.3.4 Базовый детектор - катодно-стриповая камера.

1.3.5 Мюонная станция МЕ1/1.

1.3.6 Особенности условий работы детекторов в мюонной станции ME 1/1.

ГЛАВА 2 Принципы работы газоразрядных детекторов.

2 1 Регистрация релятивистских частиц в газе.

2.2 Дрейф и диффузия электронов первичной ионизации в электрическом и магнитном полях.

2.3 Газовое усиление.

2.4 Многопроволочная пропорциональная камера

MWPC).

24.1 Электрическое поле в MWPC.

2.4.2 Загрузочная способность MWPC.

2.5 Катодно-стриповая пропорциональная камера

CSC).

2.6 Задача оптимизации конструкции катодностриповой камеры для мюонной станции ME 1/1.

2.7 Программа экспериментальных исследований характеристик катодно-стриповой камеры для мюонной станции МЕ1/1.

ГЛАВА 3 Экспериментальное исследование характеристик катодно-стриповой камеры с целью определения величин ее основных параметров.

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

3.1.1 Методы определения координаты частицы для одной плоскости камеры.

3.1.2 Методы фитирования мюонных треков.

3.2 Координатное разрешение камеры.

3.2.1 Влияние магнитного поля на координатное разрешение камеры.

3.3 Эффективность реконструкции мюонных треков.

3.4 Временное разрешение камеры.

3.4.1 Временное разрешение камеры по информации с анодов.

3.4.2 Временное разрешение камеры по информации с быстрых катодов.

3.5 Триггерные свойства камеры.

3.5.1 Эффективность регистрации треков по информации с анодов камеры.

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

ГЛАВА 4 Исследование характеристик камеры мюонной с 1 акции МЕ1/1 в условиях, близких к реальным в эксперименте СМЗ.

4.1 Изучение влияния коррелированного фона.

4.2 Изучение влияния некоррелированного фона.

4.2.1 Изменение координатного разрешения и эффективности реконструкции мюонных треков.

4.2.2 Изменение временного разрешения камеры и эффективности регистрации треков.

4.3 Изучение влияния коэффициента газового усиления камеры на ее характеристики.

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 1994 t-кварка явилось последним доказательством правильности теории.

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

Теория объединения электромагнитного и слабого взаимодействий, отмеченная Нобелевской премией в 1979 году, и получившая экспериментальное доказательство в начале восьмидесятых с открытием W* и Z0 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 магнитною взаимодействий. Тем не менее, Стандартная Модель все еще оставляет много вопросов без ответа. Например, не объясняет механизм приобретения массы частицами. Также теорией не объяснен тот факт, что кварки и лептоны имеют три поколения, имеющие существенные различия в массах. Чтобы дать ответы на эти вопросы, теория Стандартной Модели была расширена - сделано предположение о существовании Хиггсовского поля взаимодействия массивных векторных бозонов W* and Zq. При этом масса частиц приобретается через механизм спонтанного нарушения симметрии. Однако и этого еще недостаточно для представления целостной картины строения материи. Кроме того, Стандартная Модель не включает теорию гравитации.

В течение восьмидесятых физики-теоретики пытались постулировать существование гравитона - бозона с гравитационным взаимодействием. Однако и сейчас уровень теоретических и экспериментальных знаний в этой области недостаточен для серьезных выводов. Несбалансированное количество материи и антиматерии, существование так называемой "Темной материи" и другие острые вопросы остаются тайнами, которые ждут своего решения.

Несколько теорий были сформулированы, чтобы ответить на вопросы, не охватываемые Стандартной Моделью. Наиболее популярна в настоящее время теория Суперсимметрии (SUSY), объединяющая теории Электрослабого взаимодействия и Квантовую хромодинамику (КХД) и имеющая дело с сильным и гравитационным взаимодействиями. Основное предположение теории SUSY основано на том, что для каждой известной элементарной частицы существует супер-частица с равным зарядом. Для каждого кварка имеется соответствующий с-кварк и аналогично существуют с-лептоны, нейтродины, глюины, и т.д. Минимальное Суперсимметричное расширение Стандартной Модели (MSSM) оперирует всего с пятью суперсимметричными частицами.

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 (irih <140 ГэВ) в уу- канале распада. Диапазон масс до (600-700) ГэВ может быть изучен в канале H > 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 (H > ZZ > llw, lljj; H > WW > Ivjj), используя герметичность и хорошее энергетическое разрешение адронного калориметра.

Суперышметрия

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, 1Г), 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 состояниях: jets + ЕТтт и jets + ETmlss + leptons. Слабовзаимодействующие

7*

MSSM частицы могут быть обнаружены как в чистом leptons+ Е mtss 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, с}персиммефичные модели с нарушенной R-четностью, составные модели кварков и пептонов, 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 5(sin20) ~ 0.06 для углов а и Р унитарного треугольника. Другой важной задачей является изучение В5° осцилляции. Было показано, что CMS позволит изучить практически весь предсказываемый диапазон параметра осцилляции 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° —► рц, 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 подав пение 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 > 60% даже в худшем случае центральных Pb-Pb взаимодействий. Жесткие струи с Е, > 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 АТЛАС [3], самые крупные установки общего назначения , состоят из разнообразных многоканальных детекторов с общим числом каналов регистрации 107 (в современных установках количество каналов регистрации достигает величины 3x105). 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.

Поиском путей решения поставленных физических задач, проектированием и созданием коллайдера LHC и экспериментальных установок, предназначенных для работы на нем, занимаются тысячи ученых и инженеров со всего мира.

Впервые предложение по созданию установки "Компактный Мюонный Соленоид" (CMS) прозвучало на конференции "Большой Адронный Коллайдер (LHC)" в 1990 году. В 1990-М 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 проводились работы в ОИЯИ и ЦЕРН, целью которых являлось разработка и экспериментальное исследование характеристик камеры для мюонной станции ME 1/1 торцевой мюонной системы установки CMS.

Исходя из «Технического предложения по созданию экспериментальной установки CMS» [2] можно сформулировать требования к камере для мюонной станции МЕ1/1 торцевой мюонной системы. В пересчете из требуемого импульсного разрешения мюонного спектрометра камера должна обеспечивать координатное разрешение для мюонных треков а-75 мкм и высокую эффективность их регистрации (не менее 90%). Работать в магнитном поле величиной порядка 3 Тесла. Использоваться в трип ере первою уровня: обеспечивать временную привязку событий к моменту столкновения пучков с точностью не хуже 25 не и высокой эффективностью (не менее 90%). Мюоны должны регистрироваться в условиях присутствия высоких фоновых загрузок от заряженных частиц порядка 1 кГц/см" (в пересчете около 100 кГц на канал регистрирующей электроники) и наличии коррелированного сопровождения, рождаемого самим мюоном при прохождении его через вещество установки.

Многопроволочная пропорциональная камера с катодным считыванием информации со стрипов (CSC) выбрана в качестве базового детектора для торцевых мюонных систем крупнейших экспериментов CMS и ATLAS [2,3], так как они сочетают в себе все необходимые для решения физической задачи свойства:

• Определение координаты мюона с координатной точностью порядка 50 мкм;

• высокое быстродействие, необходимое для формирования триггера первого уровня;

• возможность работы в условиях высоких фоновых загрузок порядка (1-3) кГц/см2;

• возможность работы в магнитном поле ~ 3 Тесла.

Координатная точность камер мюонной станции ME 1/1 играет определяющую роль в обеспечении необходимого энергетического разрешения торцевой мюонной системы установки CMS. Близкое в мюонной системе расположение станции по отношению к внутреннему трекеру определяет высокие требования к эффективности и точности определения пространственной координаты мюона для восстановления его трека в точку взаимодействия пучков.

Исходя из сказанного выше можно сформулировать:

Цель диссершцноиной работы.

• Разработка концепции катодно-стриповой камеры для мюонной станции ME 1/1 эксперимента CMS.

• Исследование характеристик прототипов катодно-стриповой камеры:

- с помощью мюонных и пионных пучков в магнитном поле разной величины;

- в условиях, близких к реальным для мюонной станции ME 1/1 в эксперименте CMS;

- определение оптимального режима работы камеры по газовому усилению для разработанной электроники считывания информации с ее стрипов и проволочек.

• Экспериментально доказать, что параметры камеры для мюонной станции ME 1/1 удовлетворяют требованиям эксперимента CMS.

Научная новизна работы.

В диссертационной работе приведены новые результаты экспериментальных исследований характеристик катодно-стриповой камеры:

• влияние магнитного поля на координатное разрешение камеры;

• влияние электромагнитного сопровождения, индуцируемого мюонами в веществе, на координатное разрешение камеры и эффективность реконструкции мюонных треков;

• исследованы триггерные свойства камеры. Показана возможность идентификации трека заряженной частицы и определение момента ее прохождения через камеру с помощью сигналов с анодных и быстрых катодных каналов регистрации;

• исследовано влияние больших фоновых загрузок на характеристики камеры;

• исследовано влияние коэффициента газового усиления на ее характеристики.

Практическая ценность работы.

Проведен ряд экспериментов по изучению характеристик камеры мюонной станции МЕ1/1 в условиях, приближенных к реальным в установке CMS.

• Разработана концепция камеры для мюонной станции ME 1/1.

• Результаты экспериментальных исследований показали, что параметры камеры удовлетворяют требованиям эксперимента CMS. Это позволило создать мюонную станцию ME 1/1.

Содержание работы.

Диссертация состоит из четырех глав и заключения. Глава 1 посвящена описанию Большого Адронного Коллайдера (LHC) и эксперимента Компактный Мюонный Соленоид (CMS). Приведены основные характеристики LHC, создаваемых экспериментальных установок и отмечена важность идентификации мюонов, рождающихся в рр-взаимодействиях. Дано краткое описание Компактного Мюонного Соленоида (CMS) - одной из двух крупнейших экспериментальных установок, создаваемых для работы на коллайдере LHC. Описаны мюонная система CMS и мюонная станции ME 1/1. Приведены параметры и особенности условий работы камеры для мюонной станции МЕ1/1.

Глава 2 посвящена изложению принципов работы газоразрядных детекторов. Обоснован выбор пропорциональной камеры с катодным считыванием информации со стрипов в качестве базового детектора для мюонной системы эксперимента CMS. Сформулирована программа экспериментальных исследований характеристик катодно-стригювой камеры для мюонной станции ME 1/1.

Глава 3 посвящена результатам методических исследований характеристик кагодно-стриповой камеры с целью определения величин ее основных параметров. Изучены координатное разрешение камеры в магнитном поле величиной 3 Тесла, эффективность реконструкции мюонных треков, временное разрешение камеры и ее триггерные свойства.

Глава 4 посвящена результатам исследования характеристик камеры для мюонной станции МЕ1/1 в условиях, близких к реальным в эксперименте CMS. Изучено влияние коррелированного и некоррелированного фона, коэффициента газового усиления на характеристики камеры.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы и приведен список публикаций, положенных в основу диссертации.

В конце приводится список цитируемой литературы.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ