Исследование свойств прототипа электромагнитного калориметра эксперимента BTeV тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.23 ВАК РФ

Введение

1 Электромагнитный калориметр эксперимента BTeV

1.1 Основные задачи эксперимента BTeV.

1.2 Установка BTeV.

1.3 Электромагнитный калориметр.

2 Описание и характеристики установки для изучения свойств прототипа электромагнитного калориметра BTeV

2.1 Канал и система мечения.

2.1.1 Параметры канала 2Б.

2.1.2 Система прецизионного измерения импульса пучковой частицы

2.1.3 Состав электронного пучка.

2.2 Прототип электромагнитного калориметра.

2.3 Система сбора данных

2.3.1 Архитектура и электроника системы сбора данных.

2.3.2 Формат данных и характеристики электроники.

2.4 Мониторная система.

3 Исследования энергетического и координатного разрешения прототипа электромагнитного калориметра

3.1 Измерения однородности светосбора в кристаллах PbW

3.2 Энергетическое разрешение

3.3 Зависимость световыхода кристалла от температуры.

3.4 Поперечный профиль ливня и координатное разрешение.

3.4.1 Поперечный профиль электромагнитного ливня.

3.4.2 Координатное разрешение

4 Исследования радиационной стойкости кристаллов PbW

4.1 Радиационные повреждения в кристаллах PbW

4.2 Облучение электронами.

4.3 Облучение высокоэнергичными пионами.

4.4 Поведение кристаллов при сверхвысоких мощностях доз.

BTeV - новый эксперимент на встречных пучках в Фермилабе, США. Целью эксперимента является поиск явлений, выходящих за рамки Стандартой Модели (СМ), и прецизионное измерение параметров СМ, таких как углы смешивания в матрице Кабиббо-Кобаяши-Маскава. Конкретно предлагаются измерения СР-нарушения, редких распадов и смешивания адронов, содержащих бис кварки.

Для реконструкции фотонов конечного состояния в состав детектора BTeV входит электромагнитный калориметр. Он должен обеспечивать хорошее энергетическое и пространственное разрешение, небольшой поперечный размер ливня для минимизации перекрывающихся ливней, а также быстрый сигнал для минимизации перекрытия ливней во времени. Так как некоторые из компонентов детектора BTeV будут работать в условиях высокого уровня радиации, необходимая радиационная стойкость очень важна. Требования к калориметру BTeV аналогичны требованиям к электромагнитному калориметру эксперимента CMS на LHC. Одним из материалов, который потенциально удовлетворяет требованиям эксперимента BTeV, является сцинтиллирующий кристалл вольфрамата свинца (PbWO^.

Актуальность изучаемых задач

Изучение CP-нарушения является сегодня одним из наиболее актуальных направлений физики высоких энергий. Ключевым моментом в таких измерениях является точность. Стабильность характеристик детектора вносит существенный вклад в предельную точность измерений. Как показали исследования CMS и ALICE, кристаллы PbW04 обладают очень хорошим энергетическим и координатным разрешением. Но насколько стабильны их характеристики? Кроме того, эти исследования проводились не фоне постоянно развивающейся технологии производства кристаллов PbW04 , что не позволяет однозначно сравнивать их характеристики при проектировании нового детектора. Необходимо было провести систематическое исследование широкого спектра характеристик кристаллов, произведенных с учетом последних достижений технологии разных производителей.

В отличие от CMS, электромагнитный калориметр детектора BTeV не находится в сильном магнитном поле. Поэтому, в качестве фотодетектора выбран фотоумножитель, который обеспечивает лучшее энергетическое разрешение, чем фотодиод или фототриод, используемый в CMS. Кроме того, CMS исследовал свойства радиационной стойкости кристаллов, в основном, с помощью радиоактивных источников, и не ясно было, как ведут себя кристаллы при облучении высокоэнергичными частицами.

Исследование энергетического и координатного разрешений прототипа электромагнитного калориметра с фотоумножителем в качестве фотоприемника и радиационной стойкости кристаллов PbWC>4 при облучении их частицами ГэВ-ных энергий явилось новой и актуальной задачей.

Цель работы

Целью данной работы является прецизионное исследование свойств прототипа электромагнитного калориметра на основе кристаллов вольфрамата свинца нескольких производителей (Китай - Шанхайский институт керамики и Пекин, Россия - Апатиты и Богородицк) и сравнение полученных результатов с данными моделирования по методу Монте-Карло.

Основные пункты программы измерений:

• Энергетическое разрешение для электронов с энергиями 1-45 ГэВ

• Координатное разрешение в той же области энергий

• Однородность светосбора вдоль кристалла

• Зависимость световыхода от температуры

• Свойства радиационной стойкости при облучении электронами, пионами и смешанным спектром частиц.

Научная новизна и практическая ценность работы

Полученные энергетическое и координатное разрешение являются лучшими в мире для кристаллов такого типа.

Впервые в мире проведены измерения радиационной стойкости кристаллов при облучении высокоэнергичными электронным и адронными пучками, а также смешанным спектром частиц, с новой остротой поставившие проблему радиационной стойкости PbW04 .

Результаты работы вошли в отчетные и проектные документы коллаборации BTeV. Для проверки свойств кристаллов нескольких производителей на ускорителе У-70 была создана специализированная установка, включающая прототип электромагнитного калориметра и систему прецизионного измерения импульса пучковой частицы (сгр/р = 0.13% при энергии 45 ГэВ, когда многократное рассеяние пренебрежимо мало).

В работе предложена и опробована система мониторирования изменения прозрачности кристаллов от радиации на основе нескольких светодиодов разной длины волны.

На защиту выносятся

• Результаты и методика измерений энергетического и координатного разрешений прототипа электромагнитного калориметра на основе сцинтиллирующих кристаллов вольфрамата свинца.

• Результаты исследований свойств радиационной стойкости кристаллов вольфрамата свинца.

• Результаты и методика измерения продольной однородности светосбора и температурной зависимости световыхода этих кристаллов.

Апробация работы

Результаты, приведенные в диссертации, опубликованы во внутренних документах сотрудничества BTeV, препринтах ГНЦ ИФВЭ, электронном архиве arxiv.org, трудах конференции INSTR02 и журнале Nuclear Instruments & Methods In Physics Research. Результаты также докладывались на рабочих совещаниях BTeV и CMS , семинарах ОЭФ ГНЦ ИФВЭ, на конференции секции ядерной физики ОФН Российской Академии Наук "Физика фундаментальных взаимодействий", IV всероссийской конференции "Университеты России - фундаментальные исследования. Физика элементарных частиц и атомного ядра" и международных конференциях INSTR02 и RDMS CMS. Апробация диссертации прошла в ГНЦ ИФВЭ 4 декабря 2002 г.

Публикации

1. The BTeV electromagnetic calorimeter. S.N. Alexeev, V.A. Batarin, T. Brennan, J. Butler, H. Cheung, V.S. Datsko, A.A. Derevschikov, Y.V. Fomin, V. Frolov, Y.M. Goncharenko, V.N. Grishin, V.A. Kachanov, V.Y. Khodyrev, K. Khroustalev, A.S. Konstantinov, V.A. Kormilitsin, V.I. Kravtsov, Y. Kubota, V.M. Leontiev, V.S. Lukanin, V.A. Maisheev, Y.A. Matulenko, Y.M. Melnick, A.P. Meschanin, N.G. Minaev, N.E. Mikhalin, V.V. Mochalov, D.A. Morozov, R. Mountain, L.V. Nogach, V.I. Pikalov, P.A. Semenov, K.E. Shestermanov, L.F. Soloviev, | V.L. Solovianov S. Stone, M.N. Ukhanov, A.V. Uzunian, A.N. Vasiliev, A.E. Yakutin, J. Yarba, -Prepared for 8th International Conference on Instrumentation for Colliding Beam Physics, Novosibirsk, Russia, Feb 28 - March 6, 2002 (Presented by P. Semenov); Nucl.Instrum.Meth.A494/l-3 pp. 313-317,2002

2. Development of a Momentum Determined Electron Beam in the 1~45 GeV Range. V.A. Batarin, J. Butler, A.A. Derevschikov, Y.V. Fomin, V. Frolov, V.N. Grishin, V.A. Kachanov, V.Y. Khodyrev, A.S. Konstantinov, V.I. Kravtsov, Y. Kubota, V.M. Leontiev, V.A. Maisheev, Y.A. Matulenko, Y.M. Melnick, A.P. Meschanin, N.G. Minaev, V.V. Mochalov, D.A. Morozov, L.V. Nogach, P.A. Semenov, K.E. Shestermanov, L.F. Soloviev, V.L. Solovianov , S. Stone, M.N. Ukhanov, A.V. Uzunian,

A.N. Vasiliev, A.E. Yakutin, J. Yarba,

Препринт IHEP 2002-29; e-Print Archive: hep-ex/0208012; Принято к печати в Nucl.Instrum.Meth.A

3. Precision Measurements of Energy And Position Resolutions of the BTeV Electromagnetic Calorimeter Prototype. V.A. Batarin, T. Brennan, J. Butler, H. Cheung, A.A. Derevschikov, Y.V. Fomin, V. Frolov, Y.M. Goncharenko, V.N. Grishin, V.A. Kachanov, V.Y. Khodyrev, K. Khroustalev, A.S. Konstantinov, V.I. Kravtsov, Y. Kubota, V.M. Leontiev, V.A. Maisheev, Y.A. Matulenko, Y.M. Melnick, A.P. Me-schanin, N.E. Mikhalin, N.G. Minaev, V.V. Mochalov, D.A. Morozov, R. Mountain, L.V. Nogach, A.V. Ryazantsev, P.A. Semenov, K.E. Shestermanov, L.F. Soloviev,

V.L. Solovianov|, S. Stone, M.N. Ukhanov, A.V. Uzunian, A.N. Vasiliev, A.E. Yaku-tin, J. Yarba,

Препринт IHEP 2002-34; е-Print Archive: hep-ex/0209055; Принято к печати в Nucl.Instrum.Meth.A

4. Study of Radiation Damage In Lead Tungstate Crystals Using Intense High-Energy Beams. V.A. Batarin, T. Brennan, J. Butler, H. Cheung, V.S. Datsko, A.M. Daviden-ko, A.A. Derevschikov, R.I. Dzhelyadin, Y.V. Fomin, V. Frolov, Y.M. Goncharenko, V.N. Grishin, V.A. Kachanov, V.Y. Khodyrev, K. Khroustalev, A.K. Konoplvanni-kov, A.S. Konstantinov, V.I. Kravtsov, Y. Kubota, V.M. Leontiev, V.A. Maisheev, Y.A. Matulenko, Y.M. Melnick, A.P. Meschanin, N.E. Mikhalin, N.G. Minaev, V.V. Mochalov, D.A. Morozov, R. Mountain, L.V. Nogach, A.V. Ryazantsev, P.A. Semenov, K.E. Shestermanov, L.F. Soloviev, V.A. Pikalov, V.L. Solovianov|, S. Stone, M.N. Ukhanov, A.V. Uzunian, A.N. Vasiliev, A.E. Yakutin, J. Yarba, -Препринт IHEP 2002-35; e-Print Archive: hep-ex/0210011; Принято к печати в Nucl.Instrum.Meth.A

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения.

Заключение

В рамках подготовки нового эксперимента BTeV в Фермилабе при решающем вкладе диссертанта была проведена работа по изучению свойств прототипа электромагнитного калориметра на основе сцинтиллирующих кристаллов вольфрамата свинца. В диссертационной работе описана установка по изучению свойств прототипа электромагнитного калориметра, а также методика измерений и анализа полученных данных. Основные результаты и выводы следующие.

1. При активном участии диссертанта была проведена работа по оптимизации канала '2Б на ускорителе У70 и созданию специализированной установки для исследования свойств прототипа электромагнитного калориметра эксперимента BTeV. В состав установки входит прототип электромагнитного калориметра с полномасштабной системой сбора данных и медленного контроля, включающей систему термостабилизации. Кроме того, для повышения точности измерений энергетического и координатного разрешения, как часть установки, была создана система прецизионного измерения импульса пучковой частицы (■ар/р = 0.13% при 45 ГэВ).

2. При участии соискателя на электронном пучке измерены энергетическое и координатное разрешение прототипа электромагнитного калориметра. Полученные результаты можно назвать рекордными для калориметров на основе кристаллов PbW04 с ФЭУ в качестве фотоприемника.

Для энергетического разрешения:

• получен стохастический член (1.8±0.1)%, что совпадает с расчетами по методу Монте-Карло и удовлетворяет требованиям на калориметр для эксперимента BTeV;

• зависимость энергетического разрешения от угла не ухудшается до 5°;

• нет заметной разницы в разрешении для кристаллов российского и китайского производства;

Для координатного разрешения:

• Получен стохастический член 2.8 мм, что совпадает с результатами моделирования;

• координатное разрешение резко ухудшается при углах попадания электрона на кристалл более пяти градусов к нормали (в 2.5 раза при 15° для электрона с энергией 27 ГэВ);

Для отработки алгоритмов реконструкции было исследовано также развитие ливня в прототипе калориметра. В результате для поперечного профиля ливня было получено, что:

• 76% от полной энергии электромагнитного ливня выделяется в одном кристалле (при попадании электрона в центр кристалла);

• относительное энерговыделение в одном кристалле, характеризующее поперечный профиль ливня, слабо зависит от энергии (изменение составляет 1% в диапазоне энергий электрона 1-45 ГэВ);

• моделирование электромагнитного ливня по методу Монте-Карло дает более узкий профиль ливня в калориметре на кристаллах PbW04 , по сравнению с измеренным экспериментально (82% энерговыделения в одном кристалле вместо 76%).

3. С использованием поперечного мюонного пучка измерена продольная неоднородность светосбора с кристаллов PbW04 . Моделированием по методу Монте-Карло оценено влияние этой неоднородности на характеристики прототипа калориметра.

4. Известная температурная зависимость световыхода PbW04 измерена с более высокой, чем в ранее проведенных исследованиях, точностью и составляет (—2.31 ± 0.02)%/°С (при 18°С)

5. Впервые проведены измерения радиационной стойкости кристаллов PbW04 при облучении высокоэнергичными электронным и адронными пучками, а также смешанным спектром частиц, с новой остротой поставившие проблему радиационной стойкости PbW04 . Основной вывод проведенных исследований можно сформулировать так: уже при облучении с мощностью дозы в несколько крад, при котором будет работать калориметр BTeV, кристаллы PbW04 заметно теряют сигнал, в основном за счет потери прозрачности. Потери сигнала с кристаллов при облучении интенсивными высокоэнергичными пучками составляют:

• при облучении электронами с энергией 27 ГэВ с мощностью дозы 10-25 рад/час восемь кристаллов в среднем потеряли 8 %, однако при облучении пионами с энергией 40 ГэВ со сравнимой мощностью дозы кристаллы потеряли 12 %;

• при облучении пионами с энергией 40 ГэВ с мощностью дозы 30-60 рад/час пять кристаллов в среднем потеряли 20%;

• при облучении в смешанных полях заряженных адронов, 7-квантов и нейтронов со средней энергией 10 ГэВ и мощностью дозы 500 рад/час два кристалла потеряли 10%, а при облучении с мощностью дозы 1 крад/ч потери составили 25%;

• при облучении со сверхвысокими мощностями доз 100 крад/час (интегральная доза 2.5 Мрад) - сигнал упал в три раза.

6. Важно отметить, что наблюдается насыщение потерь сигнала при постоянной мощности дозы. Таким образом, калориметр на PbWC>4 может работать в эксперименте BTeV, при условии постоянной калибровки во время набора данных.

7. Для учета потерь сигнала может быть использована мониторная система на светодиодах. Такая система на основе нескольких светодиодов с излучением разной длины волны для мониторирования потерь прозрачности кристаллов в зависимости от поглощенной дозы была предложена и опробована на прототипе калориметра.

8. Для применения системы мониторирования на светодиодах была изучена корреляция между изменением сигнала от светодиода и пучка (е- или MIP). Зависимость потерь сигнала со светодиода от потерь сигнала от пучка может быть представлена линейной функцией в диапазоне измерения с коэффициентами пропорциональности 0.3-0.6 при облучении электронами и 0.5-0.9 при облучении адронами для разных кристаллов.

9. При облучении однородность светосбора вдоль кристалла с точностью измерений не изменяется при мощностях доз, ожидаемых в калориметре BTeV. Таким образом, при условиях указанных выше энергетическое разрешение калориметра не зависит от поглощенной дозы.

10. В отсутствие пучка, между сеансами работы ускорителя, на прототипе калориметра были проведены исследования восстановления прозрачности кристаллов с использованием мониторирования синим светодиодом. Были получены следующие результаты: среднее время восстановления составляет 200±40 часов; за 400 часов восстанавливается 87% от потери сигнала.

В заключении автор хотел бы выразить благодарность научному руководителю дфмн А.Н.Васильеву за постановку задачи, поддержку и внимательное руководство. Автор признателен членам сотрудничества BTeV: Фермилабу, Сиракузскому Университету и Университету Миннесоты за предоставленные электронику для системы сбора данных и исследуемые кристаллы PbW04 , а также лично руководителям эксперимента BTeV Д. Батлеру, Ш. Стоуну и Ю. Куботе за плодотворное сотрудничество, интересные идеи и критические замечания. Кроме того, автор благодарен за неоценимую помощь в подготовке измерений, наборе статистики и анализе данных всей группе ИФВЭ в BTeV: В.А. Батарину, Ю.М. Гончаренко, В.Н. Гришину, B.C. Дацко, А.А. Деревщикову, В.А. Качанову, А.С. Константинову,. В.И. Кравцову, В.М. Леонтьеву, B.C. Луканину, В.А. Маишееву, Ю.А. Матуленко, А.П. Мещанину, Ю.М. Мельнику, Н.Е. Михалину, Н.Г. Минаеву, В.В. Мочалову, ДА. Морозову, Л.В. Ногач, В.А. Пикалову, А.В. Рязанцеву, Л.Ф. Соловьеву, М.Н. Уханову, А.В. Узуня-ну, Ю.В. Фомину, В.Ю. Ходыреву, К.Е. Шестерманову, А.Е. Якутину и безвременно ушедшему В.Л. Соловьянову, а также американский коллегам Р. Маунтэйну, К. Хру-сталеву, В. Фролову, Ю. Ярбе и коллегам из эксперимента LHCb Р.И. Джелядину и А.К. Коноплянникову.

1. J.H. Christenson et al, Phys. Rev. Let. 13 (1964) 138

2. N. Cabibbo, Phys. Rev. Let. 10 (1963) 531 N. Kobayashi and K. Maskawa, Prog. Theor. Phys. 49 (1973) 652

3. K. Abe et al., Phys. Rev. D66 (2002) 071102(R)

4. B. Aubert et al., Phys. Rev. Lett. 89, (2002) 201802

5. L. Wolfenstein, Phys. Rev. Lett.51 1945 (1983).

6. R. Aleksan, B. Kayser and D. London, Phys. Rev. Lett. 73, 18 (1994) (hep-ph/9403341).

7. E. Blucher, B. Gittelman, В. K. Heltsley, J. Kandaswamy, R. Kowalewski, Y. Kubota, N. Mistry, A. Bean, and S. Stone, "Tests of Cesium Iodide Crystals for an Electromagnetic Calorimeter,"Nucl. Instr. and Meth. A249, 201 (1986).

8. O.V.Buyanov et al., A first electromagnetic calorimeter prototype of PbW04 crystals. NIM, A349, 62-69,1994.

9. O. Buyanov et al., Beam studies of EM Calorimeter Prototype Built of PbW04 Crystals Preprint IHEP 93-144, Protvino, 1993; Published in Proceedings of Calorimetry in High Energy Physics, 1993, La Biodola, Italy, pp.292-300.

10. CMS, The Electromagnetic Calorimeter Project Technical Design Report, CERN/LHCC 97-33, CMS TDR 4 (1997).

11. ALICE, Technical Design Report of the Photon Spectrometer (PHOS), CERN/LHCC 99-4, ALICE TDR 2 (1999).

12. R. J. Yarema et al., A Fast Wide Range Charge Integrator and Encoder ASIC For Photomultiplier Tubes, FEMILAB-PUB-92-311 (1992).

13. A.I.Alikhanyan et al, Intern. Conf. Instr. for high energy physics, Dubna, 1970; Preprint IHEP 70-105, Serpukhov, 1970.

14. A.M.Frolov et al, NIM, 216 (1983) 93-97.

15. GARFIELD, Simulation of gaseous detectors, CERN Writeup W5050, 2001, http://consult, cern.ch/writeup/garfield/

16. GEANT, Detector Description and Simulation Tool, Computing and Networks Division, CERN

17. Бушнин Ю.Б., Коноплянников А.К., Препринт ИФВЭ 92-105, Протвино 1992.

18. V.A.Kachanov et al., Light source for energy stabilization of calorimeter detectors based on photodetectors. NIM, A314, 215-218, 1992.

19. E. Auffray, Results on different measurements on Endcap crystals(2368-2467) made in RC CERN/lab27, CERN, CMS, in: Minutes of the Detector Performance Group meeting on June 11, 2002.

20. E.Auffray et al., Comparison of different irradiation procedures for recently optimized russian PbWOi crystals, CERN, CMS NOTE 98/069 (1998).

21. J.P.Peigneux et al., Nucl.Instr. and Meth. A378 (1996) 410

22. A.A. Annenkov et al., Nucl. Instr. and Meth. A490(2002)30-50.

23. S.Baccaro et al., Further understanding of PbW04 scintillator characteristics and their optimization, CERN, CMS NOTE 2000/002 (2000);

24. G.Davies et al., A study of the monitoring of radiation damage to CMS ECAL crystals, performed at X5-GIF,CERN, CMS NOTE 2000/020 (2000);

25. H.F.Chen et al., Measurements of PbWO± crystals behavior under irradiation, CERN CMS CR 1999/027 (1999).

26. P.Lecoq, Lead Tungstate Production for CMS, in: Proc. 6th Annual RDMS CMS Collaboration Meeting.

27. A.Annenkov et al., Radiation Damage Kinetics in PWO Crystal, CERN, CMS NOTE 1997/008 (1997).

28. A. Uzunian, A. Vasiliev, J. Yarba, First results on simulation of radiation environment at BTeV electromagnetic calorimeter, IHEP preprint .2001-24, Protvino 2001; BTeV NOTE BTeV-int-2001/17 (2001).

29. M.Huhtinen,Dose profiles in ECAL crystals for various irradiation conditions, CERN, CMS NOTE 1998/055 (1998).

30. I.Azhgirey, I.Kurochkin, V.Talanov, Development of MARS code package for radiation aspects of electronuclear installations design, in: Proc. 15th Conf. on Charged Particles Accelerators, Protvino, 22024 October, 1996, p.74.

31. Azhgirey et al., Calculation of high-energy hadron spectra at the CERN-CECreference field facility by the MARS'95 and HADRON codes, Nucl. Instr. and Meth., A408(1998)535-542.

32. Ren-Yuan Zhu, Radiation damage in scintillating crystals, Nucl. Instr. and Meth., A413(1998)297-311.1. Список иллюстраций

33. Общий вид установки BTeV. 9

34. Структура канала 2Б. Q квадруполи, М - диполь, С - коллиматоры. Расстояния в мм. 15

35. Система мечения. DC дрейфовые камеры трековой системы, М14 -анализирующий магнит, стрелками показаны местоположения пучковых сцинтилляционных счетчиков. (Расстояния в мм). 16

36. Структура дублета каждой дрейфовой камеры для одной плоскости. . 16

37. Зависимость времени дрейфа от координаты трека. 17

38. Эффективность по ячейке для х-плоскости камеры DC2. Х=0 соответствует позиции сигнальной проволоки первой плоскости. Минимумы вызваны и соответствуют позициям полевых проволок в обеих плоскостях. 17

39. Типичное распределение для поперечного расстояния в центре магнита между треками проведенными по DC1-DC2 и DC3-DC4. 19

40. Зависимость RMS для распределения поперечного расстояния при разных энергиях. Сплошная линия соответствует моделированию методом Монте Карло. 21

41. Энергетический спектр электронного пучка 10 ГэВ.22