Калибровка времяпроекционной камеры эксперимента HARP и измерение сечений рождения адронов в адрон-ядерных взаимодействиях на тантале и свинце для проектирования нейтринной фабрики тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

УДК 539.1', 4851660

БОЛЬШАКОВА Анастасия Евгеньевна

КАЛИБРОВКА ВРЕМЯПРОЕКЦИОННОЙ КАМЕРЫ

ЭКСПЕРИМЕНТА HARP И ИЗМЕРЕНИЕ СЕЧЕНИЙ РОЖДЕНИЯ АДРОНОВ

В АДРОН-ЯДЕРНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯХ НА ТАНТАЛЕ И СВИНЦЕ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ НЕЙТРИННОЙ ФАБРИКИ

Специальность: 01.04.16 — физика атомного ядра и элементарных частиц

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

1 А ИЮЛ 2011

Дубна 2011

4851660

Работа выполнена в Лаборатории ядерных проблем им. В.П. Джелепова Объединенного института ядерных исследований.

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

кандидат физико-математических наук Нефедов Ю. А.

доктор физ.-мат. наук, профессор Крышкин В. И. ГНЦ ИФВЭ

доктор физ.-мат. наук, профессор Строковский Е. А. ЛФВЭ ОИЯИ

НИИ ядерной физики им. Д.В. Скобельцына МГУ им. М.В. Ломоносова (НИИЯФ МГУ), г. Москва.

Защита состоится "_"_2011 в_ч._мин. на заседании Диссертационного совета Д 720.001.03 при Лаборатории ядерных проблем им. В.П. Джелепова Объединенного института ядерных исследований по-адресу: 141980, Московская обл., г. Дубна, ул. Жолио Кюри, д.б

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Объединенного института ядерных исследований.

Отзывы на автореферат, заверенные гербовой печатью организации, просьба направлять по указанному адресу в двух экземплярах не позднее, чем за две недели до защиты.

Автореферат разослан "_"_2011 г.

Учёный секретарь Диссертационного совета доктор физико-математических наук

Батусов Ю.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Объект исследования и актуальность темы. Одной из наиболее важных задач современной физики элементарных частиц является создание новых высокоинтенсивных источников нейтрино известного состава с контролируемым спектром. Такие источники нужны для проведения ускорительных экспериментов по измерению вероятности осцилляций ufl —> ие и определению #13, по поиску CP-симметрии в лептонном секторе, решеншо проблемы иерархии масс и т.д.

В настоящее время наиболее перспективными кандидатами на роль подобных источников являются мюонные накопительные кольца (нейтринные фабрики). Наиболее активно проекты создания нейтринных фабрик разрабатываются в Европе и США /1, 2/. Создание такого ускорительного комплекса требует решения многих технических задач, одной из которых является производство и фокусировка максимально интенсивного потока 7г-мезонов для получения достаточного количества мюонов, что в конечном итоге определяет интенсивность пучка нейтрино. Оптимизация мюонного источника требует выбора подходящего материала мишени и точного знания спектров и угловых распределений 7г-мезонов, образующихся в протон-ядерных взаимодействиях в мюонном источнике. Однако, точность имеющихся измерений по выходу вторичных пионов в протон-ядерных взаимодействиях при энергии 2-10 ГэВ/с явно недостаточна (неопределенность в 2 раза).

Задачей эксперимента HARP является прецизионное систематическое измерение инклюзивных дважды дифференциальных сечений рождения адронов во взаимодействиях протонов и заряженных пионов с ядрами для проектирования пионного источника нейтринной фабрики. Наибольший интерес представляет измерение сечений рождения пионов на ядрах тантала и свинца. Кроме того, результаты измерений эксперимента HARP могут использоваться для предсказания характеристик нейтринных пучков в экспериментах с ускорительными нейтрино, моделирования потоков атмосферных нейтрино и уточнение работы программ-генераторов, моделирующих по методу Монте-Карло взаимодействия адронов с различными

/

видами вещества. /

Целью диссертационной работы является измерение инклюзивных дважды дифференциальных сечений рождения адронов во взаимодействиях протонов и заряженных пионов (7г+, с импульсами 3 ГэВ/с, 5 ГэВ/с, 8 ГэВ/с, 12 ГэВ/с, 15 ГэВ/с с тонкими мишенями толщиной 5% от длины ядерного взаимодействия, изготовленными из тантала и свинца. Атомные массы тантала (А = 181,0) и свинца (А = 207,2) близки к атомной массе ртути (А = 200,6) и вольфрама (А = 183,84), которые, как и сам тантал, являются кандидатами для использования в качестве мишени источника пионов нейтринной фабрики. Поэтому измерения выходов вторичных адронов на этих мишенях представляют несомненный интерес.

В соответствии с целью диссертационной работы были решены следующие задачи:

1. Для достижения необходимой точности измерения сечений (3-5%) проведено исследование искажений треков заряженных частиц, возникающих во время-проекционной камере эксперимента HARP. Разработаны методы коррекции этих искажений и на их основе проведена калибровка время-проекционной камеры (ТРС). Выполнена методическая работа по исследованию различных методов аппроксимации треков во время-проекционной камере. Проведено сравнение их между собой.

2. Надежная идентификация вторичных частиц также является важной составляющей, влияющей на точность получаемых сечений. В данной работе был разработан новый метод идентификации вторичных частиц. Для корректной работы этого метода разработана процедура коррекции спектров вторичных частиц, полученных моделированием по методу Монте-Карло, для обеспечения их согласия с экспериментальными данными.

3. Измерены инклюзивные дважды дифференциальные сечения рождения адронов во взаимодействиях протонов и заряженных пионов с импульсом от 3 ГэВ/с до 15 ГэВ/с с тонкими мишенями, изготовленными из тантала и свинца.

Научная новизна:

1. Разработана уникальная процедура калибровки время-проекционной камеры эксперимента HARP, заключающаяся в коррекции имеющихся в детекторе искажений треков. На основе этого метода проведена процедура калибровки время-проекционной камеры.

2. Разработан новый метод идентификации вторичных частиц, заключающийся в присваивании каждому треку условной вероятности быть частицей определенного типа. Метод позволяет избежать потерь статистики, связанных с применением критериев отбора, но требует хорошего знания относительных выходов частиц разных типов.

3. Впервые проведено систематическое измерение инклюзивных дважды дифференциальных сечений рождения адронов во взаимодействиях протонов и заряженных пионов с импульсом от 3 ГэВ/с до 15 ГэВ/с с тонкими мишенями, изготовленными из тантала и свинца.

Научная и практическая ценность.

Измерение сечений рождения вторичных пионов могут быть использованы для оптимизации источника мюонов нейтринной фабрики. Атомные массы мишеней, исследованных в данной работе: тантал (А = 181,0) и свинец (А = 207,2), являются наиболее близкими к атомным массам вольфрама (А = 183,84) и ртути (А = 200,6) - материалам-кандидатам для использования в качестве мишени нейтринной фабрики /3/. Другой значимой задачей является уточнение работы программ-генераторов рождения вторичных адронов в адрон-ядерных взаимодействиях по методу Монте-Карло при импульсах ~10 ГэВ/с. Улучшение физических моделей в программах-генераторах с помощью проведенных измерений приведет к упрощению настройки процедур реконструкции и идентификации частиц в детекторе, более надежному определению эффективности и степени подавления фона, уточнению определения экспериментальных разрешений и систематических ошибок.

Предложенный метод коррекции искажений был успешно применен в ТРС HARP и может быть использован для коррекции имеющихся искаже-

ний в любой другой экспериментальной установке, использующей время-проекционную камеру (например, планируемом детекторе MPD /4/).

Разработанный метод идентификации вторичных частиц позволяет избежать потерь статистики, связанных с применением жестких критериев отбора. Предложенный метод может быть применен в других экспериментах.

Положения, выносимые на защиту:

1. Разработаны методы и алгоритмы коррекции искажений треков. На их основе проведена калибровка время-проекционной камеры эксперимента HARP.

2. Разработан новый метод идентификации вторичных частиц, а также процедура коррекции спектров вторичных частиц, полученных моделированием по методу Монте-Карло.

3. Впервые систематически измерены инклюзивные дважды дифференциальные сечения рождения адронов во взаимодействиях протонов и заряженных пионов с импульсом от 3 ГэВ/ с до 15 ГэВ/с с тонкими мишенями, изготовленными из тантала и свинца. Результаты измерения имеют определяющее значение для оптимизации конструктивных характеристик нейтринной фабрики и других ускорительных источников нейтрино.

Личный вклад автора. Автор внес решающий вклад в следующие этапы работы, вошедшие в диссертацию: коррекция спектров вторичных частиц, полученных моделированием по методу Монте-Карло; разработка алгоритма идентификации частиц; разработка и применение алгоритма коррекции искажений во время-проекционной камере; исследование и сравнение между собой методов аппроксимации траекторий в ТРС; представление и публикация результатов измерений.

Достоверность результатов подтверждается соответствием полученных измерений уже известным, опубликованным в научной литературе.

Апробация работы. Полученные автором и при его участии результаты, включенные в диссертацию, докладывались и обсуждались на Международных конференциях по физике высоких энергий в Филадельфии (2008

г.) и Париже (2010 г.), на Международной конференции по физике высоких энергий Европейского физического общества в Кракове (2009 г.), а также на научных семинарах ОИЯИ (Дубна) и ЦЕРН (Женева).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 работ, в том числе 4 публикации в научных журналах, 2 - в трудах научных конференций.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследуемой проблемы, сформулирована цель и задачи диссертационной работы, перечислены полученные в диссертации новые результаты, их практическая ценность, представлены положения, выносимые на защиту и описана структура диссертации.

Первая глава содержит описание физических целей эксперимента HARP и общее описание детектора.

Физической целью эксперимента HARP /5, 6/ является систематическое измерение инклюзивных дважды дифференциальных сечений рождения адронов при взаимодействии протонов и заряженных пионов с различными ядрами. Эти сечения планировалось использовать в основном для уточнения характеристик протонного ускорителя проекта нейтринной фабрики, а также для проверки и настройки программ-генераторов адронных взаимодействий, уточнения расчетов потоков и спектров атмосферных нейтрино, предсказания характеристик нейтринных пучков в экспериментах с ускорительными нейтрино, например К2К /7/ и MiniBooNe /8/.

Детектор HARP является широкоапертурным спектрометром (см. рис. 1). С его помощью можно с высокой точностью восстанавливать импульсы заряженных частиц, образующихся в мишени. Относительная погрешность измерения импульса частиц составляет несколько процентов. Детекторы установки HARP можно условно разделить на четыре группы, каждая из которых выполняет определённый класс задач: детекторы пучковой части, триггерные детекторы, спектрометр больших углов, спектрометр малых углов. В данной работе представлены результаты

time-of-fiight scintiilators

beam-muon identifier

electron identifier

TPC + RPCs in 1 solenoid magnet f

T9 beam

trigger wall

dipole magnet FTP + RPCs

threshold Cherenkov

Рис. 1. Детектор HARP.

измерений сечений с помощью спектрометра больших углов. В нем использовалось два детектора: время-проекционная камера (Time Projection Chamber, TPC) и резистивные плоские камеры (Resistive Plate Chamber, RPC). Детекторы размещены внутри соленоидального магнита, который был ранее использован в эксперименте ALEPH /9/.

Мишень была установлена внутри время-проекционной камеры, что позволило регистрировать рождение частиц в широком диапазоне полярного угла (от 20° до 125°).

Вторая глава содержит описание процедуры калибровки время-проекционной камеры.

Время-проекционная камера применялась в качестве трекового детектора в спектрометре больших углов [А1]. Она рассчитана на регистрацию 1-г10 треков в событии. Диапазон измеряемых поперечных импульсов 50 МэВ/с - 1,5 ГэВ/с.

На регистрацию координат кластеров ТРС, с использованием которых восстанавливались треки, оказывали влияние два непредвиденных заранее явления: перекрестные помехи от выходов на входы предусилителей сигналов, полученных с сигнальных электродов ТРС, и искажения элек-

Рис. 2. Средние значения отклонений по координате г ■ ф как функции радиуса (номера ряда сигнальных электродов) для статических искажений. Вверху - измеренные значения до коррекции искажений, внизу - после. Черными линиями показаны отклонения по г ■ ф, измеренные относительно внешней системы координат RPC, серые линии - измерения без использования внешней системы координат. Толщина линий соответствует статистической ошибке оценки отклонений.

трического и магнитного полей в объеме ТРС. В то время как искажения полей были в конечном итоге хорошо изучены и компенсированы, эффекты от перекрестных помех были исправлены только частично.

Было выявлено два типа искажений траекторий в ТРС: статические и динамические. Статические искажения не зависят от наличия пучка ускорителя, в то время как динамические искажения возникают во время сброса пучка и усиливаются к концу сброса. В диссертации подробно рассмотрены все источники возникновения искажений траекторий обоих типов и методы их коррекции.

Для калибровки ТРС применялись два метода определения параметров искажений: метод фитирования трека и метод RPC. Первый метод заключается в том, что отклонения измеренных точек от фитирующей функции трека использовались как оценка искажения. А во втором методе оце-

я *

"О 2 сл

ш О СЕ

-2 -4 10 л 8

га 4 3 о Э 2

-2 -4

100 200 300 400 500 100 200 300 400 500 100 200 300 400 500 100 200 300 400 500 600

Event time in spill (ms)

Рис. 3. Среднее отклонение по координате r-ф (мм) как функция времени события (ме) в четырех кольцах сигнальных электродов. Использованы данные взаимодействия положительных частиц с энергией 8.9 ГэВ/с с тонкой бериллиевой мишенью. Верхний ряд графиков показывает начальное среднее отклонение после коррекции статических поправок. Нижний ряд - после полной коррекции динамических искажений. Черными линиями показаны разрешения, полученные с использованием внешней системы координат в RPC, а серыми относительно фитированных треков. Толщина линий соогпвегпсвует статистическим ошибкам оценки отклонений.

нивались отклонения измеренных точек от трека, построенного, используя дополнительную координату (из КРС), точку взаимодействия в мишени и радиус кривизны трека, полученный методом фитирования. На рис. 2 для случая статических искажений показаны средние значения отклонений но координате г ■ ф как функции радиуса в четырех интервалах по координате г. Окончательный результат, полученный после коррекции всех статических искажений показан в нижнем ряду. Средние значения равны нулю с хорошей точностью. Искажения, достигающие нескольких миллиметров, были исправлены с точностью порядка 150 мкм.

Рис. 3 иллюстрирует коррекцию динамических искажений. В верхнем

Рис. 4. Левый график показывает средние значения 1 /рт треков с реконструированным положительным зарядом как функцию времени события в течение сброса пучка. Правая демонстрирует спектр q/pr в начале (линия) и в конце (крестики) сброса пучка (q - заряд частицы).

ряду показаны начальные средние отклонения по координате г ■ ф после коррекции статических искажений в зависимости от времени событий для различных радиусов измеренной точки. В нижнем ряду показаны средние отклонения по координате г ■ ф после коррекции всех искажений. Точность работы алгоритма коррекции для наиболее трудно корректируемых динамических искажений составляет ~ 300 мкм. Необходимо отметить, что экспериментальное поведение этих искажений сильно зависит от соответствующих условий набора данных: интенсивности пучка и типа мишени.

Качество коррекции всех статических и динамических искажений траекторий демонстрирует рис. 4. На левом графике можно видеть, что распределение средних значений 1/рт равномерное в течение всего сброса пучка. На правом графике показано, что спектр l/рт одинаков в начале и в конце сброса пучка.

Для проверки точности измерения импульса рт применялись два метода. Первый метод основан на сравнении измеренного в ТРС импульса с импульсом, вычисленным из времени пролета в RPC. Разрешение, полученное этим методом, составляет о(1/рт) = 0,20 (ГэВ/с)-1. Во втором методе использовались события с упругим рассеянием пучковой частицы (протона или пиона) на протонах в ядрах жидкого водорода. На рис. 5 показана разность измеренного и ожидаемого значений поперечных импуль-

Рис. 5. Разность измеренного и о-жидаемого значений 1/рт протонов, рассеянных под болъшимим углами, в событиях упругого рассеяния при взаимодействии пучка протонов ип+ с энергией 3 ГэВ/с с жидкой водородной мишенью.

сов протонов в событиях упругого рассеяния пучковых частиц с энергией 3 ГэВ/с на жидкой водородной мишени. Здесь сравнивались импульс протона отдачи 1/ртеав, измеренный в ТРС, и кинематически вычисленный из угла в импульс l/pÇed. Разрешение, полученное фитированием этой разности, равняется <т(1 /рт) = 0,22(ГэВ/с)-1. Это разрешение включает в себя неточности от эффектов многократного рассеяния и потерь энергии в веществе, С помощью моделирования кинематики упругого рассеяния в программе Géant был оценен вклад в общее разрешение от этих эффектов. Он составляет сг(1/рт) ~ 0,12 (ГэВ/с)-1. Квадратично вычитая это разрешение, получаем разрешение ТРС по импульсу сг(1 /рт) — 0,19 (ГэВ/с)-1. Оба метода также демонстрируют, что систематическая погрешность измерения импульса меньше 2%.

Характеристики ТРС, полученные после калибровки детектора сведены в Таблицу 1.

Наименование Значение

Разрешение по г ■ ф, мм 0,6 - 2,4

Разрешение 1/рт, (ГэВ/с)-1 0,20 - 0,25

^Разрешение по г, мм ~3,5

Разрешение по в для 60°, мрад

Разрешение по с\Efdx, % -16

Таблица 1. Основные характеристики ТРС HARP.

Результаты второй главы опубликованы в работе [А1].

Третья глава заключает в себе информацию о реконструкции событий в ТРС эксперимента HARP.

В первой части главы приводится описание трех методов аппроксимации траекторий частиц для время-проекционной камеры: обобщенный метод наименьших квадратов, метод Чернова-Ососкова /10/ и метод Римана /11/. С помощью Монте-Карло моделирования исследуется точность и скорость работы этих алгоритмов. Показано, что в случае время-проекционной камеры эксперимента HARP точность методов одинакова, но самым быстрым является метод Римана.

Вторая часть главы содержит описание использованного нами метода идентификации частиц. Идентификация частиц проводится с использованием двух независимых измерений /3 и dE/dx. Каждый трек характеризуется четырьмя измеренными величинами: рт (поперечный импульс), 9 (полярный угол), /3 (скорость у/с), dE/dx (ионизационные потери в газе). В применявшемся методе определялась вероятность частицы иметь тип протон, пион или электрон, если она имеет данные значения переменных /3, dE/dx, pj и в. Сумма этих вероятностей нормирована на единицу.

Для процедуры идентификации частиц необходимо, чтобы спектры вторичных частиц, сгенерированные методом Монте-Карло, хорошо воспроизводили реальные спектры. К сожалению, в этой области энергий спектры воспроизводятся с большой неопределенностью, поэтому пришлось разработать собственный список физических моделей для моделирования в программе Geant4 /12/. Дополнительно была разработана процедура коррекции моделированных спектров. Она основана на умножении моделированных спектров на весовые функции, полученные из сравнения реальных и моделированных спектров. Эти функции зависят от переменных рт

Рис. 6. Распределение 1/рт вторичных частиц в интервале полярного угла 50° < в < 60°. Частицы получены при взаимодействии протонов с энергией 8 ГэВ/с с тонкой свинцовой мишенью. По оси х отложены 1/рт, умноженные на заряд частицы. Треугольники обозначают данные, гистограммы - моделированные спектры. Незакрашенная гистограмма обозначает полный спектр, светло серая - протоны, серая - пионы, а черная - электроны (позитроны).

и в, а соответствие моделированных и реальных данных проверяется по распределениям /3 и dE/dx. На рис. 6 показано согласие распределений 1/рт из данных и из моделирования методом Монте Карло после коррекций. Средняя ошибка моделированных спектров вторичных частиц после их коррекции не превышает 10%.

Результаты третьей главы опубликованы в работе [A3]. Четвертая глава посвящена результатам измерения инклюзивных дважды дифференциальных сечений рождения вторичных адронов во взаимодействиях пучковых адронов с ядрами тантала и свинца.

Измерение инклюзивных дважды дифференциальных сечений проводится в интервалах полярного угла в и поперечного импульса рт-

Систематические ошибки измерений инклюзивных дважды дифференциальных сечений в эксперименте HARP находятся на уровне нескольких процентов. Свой вклад в ошибки вносят: неопределенности при нормировании, измерении импульса и идентификации частиц, а также кор-

НАПР-СОР р + Та (р,к\к) + X

О 1200 >

-О 800 (3 600

"а

-0.8 -0.6 -0.4

НАЯР-СОР р + Та (р,л\я) + X

-+3.0 веУ/с «л 1400 -+5.0 веУ/с • Л

; 20° < в < 30° о р Г * 5*1200 > 0} О юоо со 20° < 0 < 30° о р <>

ф -О 800 <>

ф <з 600

Б. 0

<> 1 400

0 +

О ч • . о

«а, о / • • 200 в 0 • •

«»»,*, , 1 I I I 1 , , I 1 , ■ I 1 1 1 , .......I..* ?......

э -и.о -и.Ч и И.<* и.О I

СЬагде^дпеЬ рт (6еУ/с) НАЯР-СОР р + Та -> (р,л+,л) + X

-1 -0.8 -0.6 -0.4 -О.г 0 0.2 0.4 и.6 о.

СИагде^дпесЗ рт (6е\//с) НАРР-СОР р + Та (р,я\я) •

-О 1200 >

-О 800 боо

а

-+8.0 веУ/с • л 1400 -■И 2.0 ве\//с • Я

20° с © < 30° о Р ♦ -У 1200 > си О юоо 20° < 0 < 30° А

Л • • ф ф л • о со 800 С! 600 а "О о «00 л ♦ • • А • 0

• • • ................... • • • 1 ... 1 ... 1 .. . "О 200 • • • •

-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8

С11агде-31дпес( рт (йеМ/с)

-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 I

СЬагде-эщпес) рт (бвУ/с)

НАЯР-СРР р + Та -> (р.п'.ж) + X

-<■15.0 веч/с 20° < © < 30°

■Ц 1200 ■ >

0)

О юоо -

-О 800 -С! 600 -

О Р

А /V

-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8

СИагде^дпес! рт (Ое\//с)

Рис. 7. Инклюзивные дважды дифференциальные сечения рождения вторичных протонов, 7Г+ и ж", полученных при взаимодействии протонов с ядрами тантала в интервале полярных углов 20° < в < 30° для различных импульсов пучковых частиц, в зависимости от произведения поперечного импульса вторичных частиц на их заряд. Показаны полные ошибки.

рекции, примененные к данным. В опубликованные таблицы сечений [А4, А5] включены статистические и систематические ошибки, указаны средние значения полярного угла и поперечного импульса. Имеется доступ к электронным таблицам в формате ASCII для данных, полученных: на танталовой мишени /13/, на свинцовой мишени /14/.

На рис. 7 показаны некоторые результаты измерения сечений рождения вторичных протонов и заряженных пионов во взаимодействиях пучковых протонов с тонкой танталовой мишенью в зависимости от произведения поперечного импульса на заряд.

Результаты измерений находятся в хорошем согласии с результатами экспериментов Е802 /15/ и Е910 /16/, но, к сожалению, расходятся с результатами, полученными коллаборацией HARP /17, 18/ на тех же данных. На рис. 8 (слева) показано сравнение измеренных сечений с опубликованными Е802 лоренц-инвариантными сечениями рождения 7г± в зависимости от шт — тп, где поперечная масса тт определяется соотношением твтс2 = \J(m~,c2)2 + (рте)2. На этом же рисунке показано сравнение наших сечений с опубликованными Е910 сечениями рождения 7г± в зависимости от произведения импульса пионов на их заряд. Рис. 9 демонстрирует сравнение наших сечений с сечениями, опубликованными коллаборацией HARP. Основная причина несовпадения результатов состоит в том, что коллаборацей HARP была недостаточно точно выполнена калибровка детектора ТРС [А2]/19/. Это привело также к неверной калибровке детектора RPC /20/.

Сечения, измеренные в данной работе, были применены при выборе оптимальной энергии протонного ускорителя нейтринной фабрики /21/.

Результаты четвертой главы опубликованы в работах [А2, А4, А5,

А6].

Charge-signed pion momentum (GeV/c)

Рис. 8. Сравнение измеренных нами (черные маркеры) сечений рождения к* во взаимодействиях протонов с ядрами тантала с сечениями рождения я-* во взаимодействиях протонов с ядрами золота, опубликованными экспериментом Е802 (слева) и экспериментом Е910 (справа). Сечения масштабированы на 7% для компенсации разницы сечений на тантале и золоте. Показаны статистические ошибки.

(а)

2.5

tî >

Ф

СЭ 2.0 -

"5

Й

1.5 -

О HARP Collaboration I • HARP-CDP ,Й>.

fi !>.

œ "g. ю ■

0.35rad<e<0.55rad

0 I_I_I_I_I_I_I_L_

-1.0 -0.5 0 0.5 1.0

Charge-signed pion momentum (GeV/c)

Рис. 9. Сравнение измеренных нами инклюзивных сечений рождения 7Г+ и ir~ с сечениями, опубликованными коллаборацией HARP. Пионы получены во взаимодействиях протонов с импульсом 12.0 ГэВ/с с танталовой мишенью. Сечения показаны в зависимости от произведения импульса вторичных частиц на их заряд. Показаны полные ошибки.

В заключении приведены основные результаты и выводы:

1. Задача измерения сечений с точностью ~5% (точность, необходимая для оптимизации источника пионов нейтринной фабрики) требует абсолютной точности измерения импульса вторичных частиц лучше, чем 2%. Для достижения такой точности на установке HARP были изучены искажения треков во время-проекционной камере. Выявлено два типа искажений треков: статические и динамические. Разработан метод коррекции этих искажений. Коррекция искажений по координате г ■ ф во всем объеме ТРС проведена с точностью лучше, чем 300 мкм. Разрешение по поперечному импульсу рт составило 20-25% при рх = 1 ГэВ/с. Абсолютная точность измерения импульса лучше 2%.

2. Разработан новый метод идентификации вторичных частиц. Точность метода зависит от точности воспроизведения данных моделируемыми спектрами вторичных частиц. Для коррекции спектров вторичных частиц, полученных моделированием по методу Монте-Карло, была разработана процедура корректирующих функций (множителей). Средняя ошибка моделированных спектров после их коррекции не превышает 10%.

3. Впервые систематически измерены инклюзивные дважды дифференциальные сечения рождения адронов во взаимодействиях протонов и заряженных пионов с тонкими мишенями, изготовленными из тантала и свинца. Измерения проводились для импульсов пучковой частицы 3, 5, 8, 12 и 15 ГэВ/с в интервале полярного угла вторичных частиц 20° < в < 125°. Для каждой мишени и энергии измерены сечения в 96 интервалах (рт,в) с погрешностью 3-5%. Сечения, измеренные в данной работе, были применены при выборе оптимальной энергии протонного ускорителя нейтринной фабрики /21/. Эти данные востребованы международной рабочей группой по проектированию нейтринной фабрики (CERN, FNAL и другие исследовательские центры).

Основное содержание диссертационной работы изложено в

следующих публикациях:

[Al] V. Ammosov ... A. Bolshakova et al., "The Harp Time Projection Chamber: Characteristics And Physics Performance", Nucl. Instrum. Meth. A 588, 294 (2008).

[A2] V. Ammosov ... A. Bolshakova et ai, "Rebuttal to Comments on "The HARP Time Projection Chamber: Characteristics and Physics Performance" ", Nucl. Instrum. Meth. A 588, 321 (2008).

[A3] А. Большакова для группы HARP-CDP, "Идентификация частиц и улучшение спекров, полученных методом Монте Карло, в эксперименте HARP", труды XII Научной конференции молодых ученых и специалистов ОИЯИ, Дубна, (2008) Стр.33-36.

[A4] A. Bolshakova et al., "Cross-Sections of Large-Angle Hadron Production in Proton- and Pion-Nucleus Interactions III: Tantalum Nuclei and Beam Momenta from ±3 GeV/c to ±15 GeV/c", Eur. Phys. J. С 63, 549 (2009).

[A5[ A. Bolshakova et al., "Cross-sections of hadron production by 3 GeV/c - 15 GeV/c beams of protons and charged pions", PoS EPS-HEP2009, 054 (2009).

[A6] A. Bolshakova et ai, "Cross-Sections of Large-Angle Hadron Production in Proton- and Pion-'Nucleus Interactions V: Lead Nuclei and Beam Momenta from ±3 GeV/c to ±15 GeV/c", Eur. Phys. J. С 66, 57 (2010).

Список цитируемой литературы:

[1] R. B. Palmer, C. Johnson and E. Keil, "A Cost-effective design for a neutrino factory," Nucl. Instrum. Meth. A 451, 265 (2000).

[2] S. Geer, C. Johnstone and D. Neuffer, "Muon Storage Ring Neutrino Source: The Path to a Muon Collider?," FERMILAB-TM-2073, (1999).

[3] C. Prior, K. Long, R. Edgecock, J. Pasternak and J. Pozimski, ICFA Beam Dyn. Newslett. 51, 61 (2010).

[4] A. Sissakian et al, The Multipurpose Detector (MPD) to study Heavy Ion Collisions at NICA. Letter of Intent (JINR, Dubna, 2008).

[5] M.G. Catanesi et al., CERN-SPSC/99-35, SPSC/P315 (1999).

[6] M.G. Catanesi et al., CERN-SPSC/2004-018, SPSC-M-717 (2004).

[7] Indications of Neutrino Oscillation in a 250 km Long-baseline Experiment. Phys. Rev. Lett. 90(2003)041801.

[8] Eric A. Hawker The Status of MiniBooNE. P-25, Los Alamos National Laboratory, Los Alamos, NM 87545, USA.

[9] D. Decamp et al., Nucl. Instrum. Meth. A 294 (1990) 121.

[10] N.I. Chernov and G.A. Ososkov, Comp. Phys. Comm. 33 (1984) 329.

[11] A. Strandlie, W. Waltenberger, R. Fruhwirth, B. Lillekjendlie, Comput. Phys. Commun. 131 (2000) 95; R. Fruhwirth, A. Strandlie, W. Waltenberger, Nucl. Instrum. Meth. A 490 (2002) 366.

[12] A. Bolshakova et al., Eur. Phys. J. C56 (2008) 323.

[13] A. Bolshakova et al., CERN-HARP-CDP-2009-003.

[14] A. Bolshakova et al., CERN-HARP-CDP-2009-005.

[15] T. Abbott et al., Phys. Rev. D45 (1992) 3906.

[16] I. Chemakin et al., Phys. Rev. C65 (2002) 024904.

[17] M.G. Catanesi et al., P hys. Rev. C77 (2008) 055207.

[18] M. Apollonio et al. [HARP Collaboration], Phys. Rev. C 80,065207 (2009).

[19] V. Ammosov et al., Eur. Phys. J. C54 (2008) 169.

[20] V. Ammosov et al., CERN-HARP-CDP-2006-003 (HARP Memo 06101); CERN-HARP-CDP-2006-007 (HARP Memo 06-105); CERN-HARP-CDP-2007-001 (HARP Memo 07-101).

[21] J. Strait, N. V. Mokhov and S. I. Striganov, Phys. Rev. ST Accel. Beams 13, 111001 (2010) [arXiv:1011.2537 [physics.acc-ph]].

riojiyneHO 23 hiohs 2011 r.

Отпечатано методом прямого репродуцирования с оригинала, предоставленного автором.

Подписано в печать 23.06.2011. Формат 60 х 90/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,19. Уч.-изд. л. 1,07. Тираж 100 экз. Заказ № 57352.

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

Введение

1 Эксперимент HARP

1.1 Физические цели эксперимента HARP.

1.1.1 Нейтринная фабрика.

1.1.2 Генераторы адронных взаимодействий по методу Монте-Карло.

1.1.3 Атмосферные нейтрино.

1.1.4 Предсказание нейтринных пучков в экспериментах К2К и MiniBooNe.

1.2 Описание установки HARP.

1.2.1 Пучок для эксперимента HARP.

1.2.2 Детекторы пучковой части.

1.2.3 Триггерные детекторы.

1.2.4 Спектрометр больших углов

1.2.5 Спектрометр малых углов.

Одной из наиболее важных задач современной физики элементарных частиц является создание новых высокоинтенсивных источников нейтрино известного состава с контролируемым спектром. Такие источники нужны для проведения ускорительных экспериментов по измерению вероятности осцилляций ь>ц —> ve и определению #13, по поиску CP-симметрии в лептон-ном секторе, решению проблемы иерархии масс и т.д. В настоящее время наиболее перспективными кандидатами на роль подобных источников являются мюониые накопительные кольца (нейтринные фабрики). Создание такого ускорительного комплекса требует решения многих технических задач, одной из которых является производство и фокусировка максимально интенсивного потока 7г-мезонов для получения достаточного количества мюонов, что в конечном итоге определяет интенсивность пучка нейтрино. Оптимизация мюонного источника требует выбора подходящего материала мишени и точного знания спектров и угловых распределений 7г-мезонов, образующихся в протон-ядерных взаимодействиях в мюонном источнике. Однако, точность имеющихся измерений по выходу вторичных пионов в протон-ядерных взаимодействиях при энергии 2-10 ГэВ/с явно недостаточна (неопределенность в 2 раза).

Задачей эксперимента HARP является прецизионное систематическое измерение инклюзивных дважды дифференциальных сечений рождения адронов во взаимодействиях протонов и заряженных пионов с ядрами.

Целью данной диссертационной работы является измерение инклюзивных дважды дифференциальных сечений рождения адронов во взаимодействиях протонов и заряженных пионов (тг+, 7г—) с импульсами от 3 до 15 ГэВ/с с тонкими мишенями толщиной 5% от длины ядерного взаимодействия, изготовленными из тантала и свинца. Атомные массы тантала (А = 181,0) и свинца (А = 207,2) близки к атомной массе ртути (А = 200,6) и вольфрама (А = 183,84), которые, как и сам тантал, являются кандидатами для использования в качестве мишени источника пионов нейтринной фабрики. Поэтому измерения выходов вторичных адронов на этих мишенях представляют несомненный интерес.

Основное содержание диссертационной работы изложено в следующих публикациях /1, 2, 3, 4/.

Диссертация состоит из четырех глав.

Первая глава содержит описание физических целей эксперимента HARP и общее описание детектора. Вторая глава содержит описание процедуры калибровки время-проекционной камеры. Третья глава заключает в себе информацию о реконструкции событий в ТРС эксперимента HARP и описание метода идентификации вторичных частиц. Четвертая глава посвящена результатам измерения инклюзивных дважды дифференциальных сечений рождения вторичных адронов во взаимодействиях пучковых адронов с ядрами тантала и свинца.

1. Эксперимент HARP

Заключение

1. Детектор HARP был построен для проведения программы систематических точных измерений рождения адронов во взаимодействиях протонов и пионов с энергиями от 1, 5 ГэВ/с до 15 ГэВ/с с различными ядерными мишенями. Эти измерения необходимы для расчета характеристик протонного ускорителя проекта нейтринной фабрики и для уточнения работы программ-генераторов адронных взаимодействий. Детектор HARP состоит из детекторов пучковой части, триггерных детекторов, спектрометра больших углов и спектрометра малых углов. В данной работе анализировались данные, полученные с помощью спектромера больших углов. Он состоит из время-проекционной камеры (ТРС) и плоских резистивных камер (RPC), расположенных внутри соленоидального магнита.

2. Задача измерения сечений с точностью ~5% (точность, необходимая для оптимизации источника пионов нейтринной фабрики) требует абсолютной точности измерения импульса вторичных частиц лучше, чем 2%. Для достижения такой точности на установке HARP были изучены искажения треков во время-проекционной камере. Выявлено два типа искажений треков: статические и динамические. Разработан метод коррекции этих искажений. Коррекция искажений по координате г • ф во всем объеме ТРС проведена с точностью лучше, чем 300 мкм. Разрешение по поперечному импульсу рт составило 20-25% при рт = 1 ГэВ/с. Абсолютная точность измерения импульса лучше 2 %.

Основные характеристики ТРС, полученные после калибровки, сведены в Таблицу 4.4.

Наименование Значение

Разрешение по г • ф, мм Разрешение 1/рт, (ГэВ/с)-1 Разрсшение по z, мм Разрешение по в для 60°, мрад Разрешение по dE/dx, % 0,6 - 2,4 0,20 - 0,25 ~3,5 -16

1. V. Ammosov et al., Nucl. 1.strum. Methods Phys. Res. A588 (2008) 294

2. A. Bolshakova et al., Eur. Phys . J. C63 (2009) 549

3. A. Bolshakova et al., Eur. Phys. J. C66 (2010) 57

4. V. Ammosov et al., Nucl. Instrum. Meth. A 588, 321 (2008).

5. M.G. Catanesi et al., CERN-SPSC/99-35, SPSC/P315 (1999).

6. M.G. Catanesi et al., CERN-SPSC/2004-018, SPSC-M-717 (2004).

7. Indications of Neutrino Oscillation in a 250 km Long-baseline Experiment. Phys. Rev. Lett. 90(2003)041801.

8. Eric A. Hawker The Status of MiniBooNE. P-25, Los Alamos National Laboratory, Los Alamos, NM 87545, USA.

9. R. B. Palmer, С. Johnson and E. Keil, "A Cost-effective design for a neutrino factory," Nucl. Instrum. Meth. A 451, 265 (2000).

10. S. Geer, C. Johnstone and D. Neuffer, "Muon Storage Ring Neutrino Source: The Path to a Muon Collider?," FERMILAB-TM-2073, (1999).

11. Simone Silvao Gilardony, Study of particle production and capture for a Neutrino Factory, (CERN-THESIS-2004-046).

12. С. Prior, К. Long, R. Edgecock, J. Pasternak and J. Pozimski, ICFA Beam Dyn. Newslett. 51, 61 (2010).

13. R. Edgecock, J. R. J. Bennett, S. Brooks, G. P. Skoro, C. N. Booth and J. J. Back, In the Proceedings of 1st International Particle Accelerator Conference: IPAC'10, Kyoto, Japan, 23-28 May 2010, pp 4263-4265.

14. J.R.J Bennett et al., J. Nucl. Mater., 318 (2003) 56.15. http://hepunx.rl.ac.uk/uknf/wp3/targeteng/

15. H.G. Kirk, et al., A high-power target experiment at the CERN PS, 2007, IEEE PARTICLE ACCELERATOR CONFERENCE, VOLS 1-11, Pages: 1216-1218.17