Калориметр на основе кварцевых волокон тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

РГБ ОД 2 7 ОКТ 1338

на правах рукописи

КОЛОСОВ Виктор Аркадьевич

КАЛОРИМЕТР НА ОСНОВЕ КВАРЦЕВЫХ ВОЛОКОН

Специальность 01.04.16 — физика ядра и элементарных частиц

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА - 1998

УДК 536.62

Работа выполнена в Государственном Научном Центре Российской Федерации — Институт Теоретической и Экспериментальной Физики.

Научный руководитель:

доктор физ.-мат. наук В.Б.Гаврилов

Официальные оппоненты:

Кандидат физ.-мат. наук, старший научный сотрудник Кручинин С.П. (ГНЦ РФ ИТЭФ);

Доктор физ.-мат. наук, профессор Сарычева Л.И. (МГУ им. М.В.Ломоносова)

Ведущая организация:

Госудорственвый Научный Центр Российской Федерации — Институт Физики Высоких Энергий

Защита состоится "24" по»£ь9< 1998 года в 11:00 на заседании диссертационного совета Д.034.01.01 в ГНЦ РФ ' ИТЭФ по адресу 117 259, Москва, Б.Черемушкинская 25.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке ГНЦ РФ ИТЭФ.

Автореферат разослан '_ октября 1998 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Д.034.01.01

Ю.В.Терехов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

В экспериментах ва новых ускорителях с высокой эпергией и светимостью одним из важнейших элементов конструкции детекторов станут калориметры. Многие физические задачи, связанные с измерением поперечной энергии в событиях, с регистрацией струя в передней части детектора, требуют перекрытия калориметрической системой диапазопа углов вплоть до ~ 0.5° по отношению к направлению пучка. Жесткие требования, предъявляемые к калориметру, работающему в передней области (при углах меньше 5 — 6°), ведут к необходимости использовать принципиально повые технологии, обеспечивающие очепь высокое быстродействие системы и способные функционировать в интенсивных радиационных полях. Калориметр, использующий кварцевые волокна, удовлетворяет вышеперечисленным требованиям в достаточной мере.

Цель диссертационной работы

Цель работы состояла в исследовании характеристик прототипов радиациопло стойкого, быстрого адронного калориметра на основе оптических волокон из чистого кварца на пучках заряженных частиц высоких энергий.

Результаты, выносимые на защиту

1. Методика обработки данных, полученных в пучковых испытаниях: программы для обработки, отбор событий, калибровка на пучках электронов.

2. Результаты измерения среднего отклика и энергетического разрешения для прототипа калориметра на пучках электронов и 7Г-мезонов разных энергий в зависимости от энергии при углах падения частиц от 0° до 6°.

3. Результаты измерения пространственной однородности сигнала в прототипе от координаты точки входа начальной частицы для электронов и пионов.

4. Метод вычисления геометрических параметров электромагнитных и адронных ливней по зависимости амплитуды сигнала в ячейках от расстояния до начального трека.

5. Результаты восстановления геометрических параметров ливней из экспериментальных данных для электронов и пионов.

6. Результаты исследования продольно-сегментированного прототипа: средний отклик и энергетическое разрешение для пучков электронов и пионов разных энергий.

7. Исследование влияния различных способов калибровки продольных секций на измерение энергии адронных струй.

8. Результаты моделирования характеристик калориметра для предполагаемых физических процессов на основании экспериментальных данных.

Научная новизна и практическая ценность

Впервые были детально исследованы характеристики прототипа адрониого калориметра с кварцевыми волокнами, ориентированными под углом близким к нулю по отношению к направлению входящих в калориметр частиц. Были измерены энергетические характеристики калориметра для тг~-мезоиои и электронов, разработан и применен способ определения геометрических параметров продольного и поперечного профилей электромагнитного и адронного ливней по зависимости амплитуды сигнала в ячейках калориметра от расстояния до точки входа начальной частицы ливпя.

Исследованы временные характеристики калориметра; измерения показали, что время сбора сигнала для электронов и 7Г-мезопов практически совпадает и определяется, главным образом, свойствами фотодетектора.

Исследовался прототип с продольной сегментацией. Данные, полученные с его помощью, оказались полезными при разработке окончательной конструкции переднего калориметра для эксперимента CMS и для проверки использовавшейся модели. На основе экспериментальных данных были сделаны оценки характеристик калориметра для ожидаемых в эксперименте CMS "таггирующих" струй.

В результате проведенных измерений доказано, что методика обеспечивает измерение потоков энергии без утечек в неинструмеятированные области вплоть до значений псевдобыстрот r¡ ~ 4.5. Она позволяет измерять с необходимой точностью энергию адронных струй, то есть удовлетворяет требованиям, предъявляемым к калориметрам, которые будут работать в области малых углов в экспериментах на ускорителе LHC. Калориметр такого типа будет использоваться в детекторе CMS.

Апробация работы и публикации

Основное содержание диссертации опубликовало в работах, приведенных в списке публикаций. Результаты докладывалась автором на конференциях: "VI International Conference on Instrumentaron for Experimenta at e+e" Colliders" в Новосибирске в феврале-ыарте 1996 года, на "7-th Pisa Meeting on advance detectors" на острове Эльба в Италии в мае 1997 года. Кроме того результаты докладывались членами рабочей группы, В.Б.Гавриловым и Л.Суллаком (Бостонский университет), на конференции "6th International Conference on Calorimetry in High-energy Physics" во Фраскати в Италии.

Объем и структура диссертации

Работа изложена на 117 страницах, состоит из введения, пяти глав и приложения, содержит 47 рисунков и список цитируемой литературы из 18 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении диссертации кратко рассматриваются требования, предъявляемые к Переднему Калориметру в экспериментах на холлайдерах с точки зрения физических задач и работоспособности в интенсивных радиационных полях.

Сначала рассматриваются физические процессы, которые требуют измерений в области переднего калориметра. Одним из таких процессов является распад тяжелого (Мя > 500 ГэВ) Хигсова бозона по капалу II —> Z(—> ll)Z(~* i/f). Для его регистрации требуется измерять "потерянную" поперечную энергию (Е™""). Другими процессами, характеризующимися Еявляются рождения SUSY частиц, в том числе суперсимметричных хигсовых бозонов, распадающихся по капалу А(Я) —> тт.

Кроме измерений Е™"', передний калориметр необходим для изучения процессов, идущих через "слияние" двух W-бозонов или двух Z-бозонов. Для больших Мя, пара Z-бозонов или W-бозоцов, испущенная кварками взаимодействующих протонов пучка, образует хиггсов бозон, а кварки отдачи продолжают разлетаться под малыми углами в переднюю/заднюю область детектора. Реконструкция соответствующих энергичных ТэВ) "таггирующих" струй позволяет значительно подавить фоны в этих процессах.

Требования к переднему калориметру, в частности к энергетическому разрешению (SE/E < 300%/у/Ё © 10% для струй ), вытекающие из физических задач, являются весьма умеренными. Существенным требованием оказывается необходимость сбора сигнала за промежуток времени между очередными взаимодействиями пучков (~25 цс) и высокая стойкость к радиационным повреждениям, так как отдельные части детектора будут подвергаться воздействию доз до 100 Мрад/год и 1015 нейтронов/см2/год. В таких условиях требуется обеспечить надежную работу калориметра в течение нескольких лет.

Глава 2 посвящена обзору возможных вариантов переднего калориметра, предлагавшихся к использованию в экспериментах па LHC и SSC, и результатам предшествовавших исследований методика кварцевой калориметрии.

В разделе 2.1 рассматриваются варианты переднего калориметра. Возможны два основных способа расположения калориметра в детекторе: "традиционный", когда калориметр вынесен за пределы детектора на значительное расстояние от точки взаимодействия пучков (около 12-15 метров), и "интегрированный" вариант, когда передний калориметр геометрически продолжает калориметр EndCap и располагается на расстоянии 4-6 метров.

В случае удаленного расположения калориметра предоставляется больше возможностей в выборе технологии, так как нет ограничений на использования пространства вблизи калориметра. "Интегрированный" вариант позволяет использовать лишь технологии, совместимые с теми, что применяются в калориметре EndCap. Это может облегчить проектирование калориметрической системы для передней области в целом и сокращает размеры калориметра, но приводит к ужесточению требований к радиационной стойкости.

Далее рассматриваются два основных класса технологических решений для переднего калориметра: системы с заменяемой активной средой и системы с радиацион-но стойкими компонентами (подбор активного вещества, не теряющего своих свойств после доз в сотни Мрад, является исключительно сложной задачей).

К первому типу относятся калориметры на основе газа и с использованием жидкого сцинтиллятора.

Второй тип представлен ионизационным калориметром на основе жидкого аргона, имеющего очень высокую радиационную стойкость, и черенковским калориметром

на базе кварцевых волокон, также способным выдерживать значительные радиационные повреждения без замены волокон и значительного ухудшения энергетического разрешения.

Черепковский калориметр с кварцевыми волокнами будет использоваться в передней области в эксперименте CMS (LHC).

В разделе 2.2 приведен обзор радиационных испытаний кварцевых волокон. Чтобы выбрать волокна, удовлетворяющие требованиям к радиационной стойкости материалов калориметра, были проведены сравнительные испытания различных типов кварцевых волокон, производимых промышленно.

В результате испытаний для заполнения внутренней (г/ > 4), наиболее радиаци-онно загруженной части калориметра, были выбраны кварцевые волокна с оболочкой из фторированного кварца, для заполнения внешней части будут применяться кварцевые волокна с пластиковой оболочкой. Основными критериями отбора были радиационная стойкость и приемлемая стоимость, так как стоимость переднего калориметра в значительной степени определяется стоимостью волокна.

Испытания показали, что волокна обладают достаточной радиационной стойкостью, чтобы обеспечить падежную работу калориметра в течение нескольких лет.

В разделе 2.3 представлены результаты испытаний небольшого модуля кварцевого электромагнитного калориметра с эффективной длиной в 20 Хо при ориентации волокон под углом 0° к направлению входящих частиц и 12 Хо при ориентации волокон под углом 45°.

Прототип калориметра с кварцевыми волокнами был собран и испытан в ИТЭФ в 1993 г. Прототип испытывался на тестовом пучке 4 ГэВ синхротрона ИТЭФ. Объемная доля волокон для этого прототипа составляла примерно 8%.

Одним из главных результатов была зависимость амплитуды сигнала от электронов от угла. Она показала, что хотя сигнал при угле падения ф = 0° в 2-3 раза меньше нежели при ф = 45°, количество собираемого света достаточно, чтобы обеспечить необходимую точность измерений, при существенном упрощении конструкции переднего калориметра при ориентации в нем кварцевых волокон под углом ф = 0° относительно траекторий входящих частиц.

В главе 3 представлены результаты испытаний прототипа кварцевого адронного калориметра на пучках электронов и пионов.

Модуль кварцевого адронного калориметра был собран в ЦЕРН-е в 1995 году совместной группой из ИТЭФ и американских университетов. Модуль испытывался в 1995-96 годах на вторичном пучке Н4 ускорителя SPS (ЦЕРН) в пучках электронов в диапазоне энергий от 8 до 250 ГэВ и пионов от 10 до 375 ГэВ.

В испытывавшемся прототипе были использованы кварцевые волокна с диаметром ядра 0.3 мм и фторированной кварцевой оболочкой 0.015 мм. Волокна были расположены в поглотителе таким образом, чтобы сформировать гексагональную решетку с ребром 2.3 мм, что обеспечивало объемную долю волокон в калориметре около 1.5%. Полная длина прототипа составляла 135 см, что соответствовало 8.5 ядерным длинам взаимодействия (IAq« = 15.8 см) или 94 радиационным длинам (1*о = 1-44 см). Эффективный радиус Мольера был равен 1.50 см для этого прототипа. В калориметре было использовано примерно 6000 волокон, которые были сгруппированы, чтобы образовать 10 ячеек (рис 1). Каждая ячейка имела размеры

53 х 54 мм3 и содержала 598 волокон. Волокна выводились сзади я собирались в жгуты, кошхы которых обрабатывались и полировались.

Рис. 1. Схематическое изображение поперечной структуры прототипа кварцевого адрониого калориметра

Для отбора событий в качестве триггера использовалась схема совпадения для сигналов от сциитиллядиожных счетчиков перед калориметром. В большинстве экспозиций применялись пластины размером 5x5 см2 и 2 х 2 см2 Таким образом из пучка выделялась область, совпадающая по размеру с наименьшей из пластин, то есть 2x2 см2. Информация с дрейфовых камер помогала выделить треки (лишь около 50% их можно было восстановить), попадающие в небольшую область 2x2 см2) на передней поверхности прототипа. Сигнал с фотоумножителей передавался 80 метровыми кабелями на АЦП в измерительной комнате.

Чтобы подавить влияние фонов, для дальнейшего анализа отбирались только те события, для которых в течении заданного промежутка времени (длительности ворот АЦП) был только один отсчет во временно-цифровых преобразователях (ВЦП) системы триггерных счетчиков и один хорошо восстанавливаемый трек, проходящий через область на передней поверхности калориметра размером 20 х 20 мм.

Коэффициенты усиления ФЭУ подбирались таким образом, чтобы в каждой ячейке иметь сигнал примерно в 300 каналов за вычетом пьедестала для пучка электронов с энергией 50 ГэВ, направленного в центр этой ячейки. Так как почти вся (> 96%) энергия электромагнитного ливня выделяется в одной башне, коэффициент усиления ФЭУ соответствует 1.5 пкКл/ГэВ (6 каналам АЦП на ГэВ). Стабильность коэффициента усиления проверялась несколько раз па протяжений всей серии измерений (обычно каждые два дня) повтором калибровочных экспозиций с электронами 50 ГэВ. Средние значения сигналов в каждой ячейке воспроизводились с точностью примерно 2%.

Используя результаты экспозиций с электронами при энергии 50 ГэВ1, была введена энергетическая шкала для прототипа, в которой энергии электрона 50 ГэВ соответствует суммарная амплитуда сигналов со всех ячеек равная 50 ГэВ. В дальнейшем эта шкала будет называться "электромагнитной" шкалой.

S U

1.075 1.05

1.025 1

0.975 0.95

0.925 0.9

0 50 100 150 200 250

Е, GeV

Рис. 2. Отношение амплитуды сигнала для электронов к энергии как функция от энергии

Зависимость амплитуды сигнала от энергии в случае пучков электронов оказалась линейной (отклонения в пределах ±2% в диапазоне энергий электронов от 8 до 250 ГэВ, см. рис. 2). Для приведенной зависимости световыход составляет 0.53 ф.э./ГэВ.

На рисунке 3 представлено энергетическое разрешение для электронов как функция от энергии в диапазоне от 8 до 250 ГэВ. В качестве аппроксимирующей использовалась зависимость а/ Е — А/ \/Ё ® В. Было получено следующее значение параметра А: А = 1.43 ± 0.003 при ограничении на постоянный член В сверху: В < 0.03. Энергетическое разрешение для электронов определяется, главным образом, флуктуацией числа фотоэлектронов. Так, для вышеприведенного световыхода, формула Оф.э. = 1/<уЛф.э. практически полностью определяет энергетическое разрешение (вклад в квадрат <т/Е составляет около 90%).

Пространственная однородность для переднего калориметра является существенной характеристикой при измерении "потерянной" энергии. Пространственная однородность отклика калориметра по отношению к электронам с энергией 80 ГэВ измерялась для области размером 2 х 15 см2. Результат измерений представлен на рисунке 4 в виде зависимости средней амплитуды сигнала от координаты точки входа частицы для прототипа и для отдельных башен.

'В последних сериях экспозиций использовались электроны с энергией 8U ГэВ

V......•.....±......................i............

0. 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0

f25

.1 11.1

16

25

44

Е, GeV 100 400

_ г 1 1 1 | г 1 1 1 | 1 г 1 1 { 1 т 1 1 —r-i—1—1 | i—i—'—i— l 1 1—r-j—i—i—Г-1—

: ;

........rscTi......:......... i ;

i ..... L.............L.................!................ i ;

i J

: Í ; ! : 1

-, , , , i , , . , i , , , , i . , . ,

0.4 0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0

Е'т, GeVm

Рис. 3. Зависимость отношения RMS к амплитуде сигнала от Е-1/2

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

: Towér2 ¡ Tower 5.....L.......Toiver

ti

АШ

Á

■ i ..... I

-100 -75 -50 -25 0 25 50 75 100

у, тт

Рис. 4. Зависимость амплитуды сигнала в прототипе от координаты входа частицы для электронов (Е=80 ГэВ)

Для электронов с энергией 150 ГэВ было выполнено несколько экспозиций при углах между траекториями входящих частиц и осями волокон ф = 0", 3" и 6°. Для этих экспозиций энергетическое разрешение и среднее значение амплитуды совпадают во всех трех случаях с точностью до 1%. Таким образом, для черепковского калориметра отсутствует хорошо известный для калориметров типа SPACAL эффект каналирования.

В экспозициях с адронньши пучками основное внимание уделялось аспектам, специфическим для регистрации адронов.

1.2 1 0.8

0.6 0.4 0.2

° 0 50 100 150 200 250 300 350 400

Е, веУ

Рис. 5. Отношение амплитуды калиброванного сигнала от пионов к энергии как функция от энергии в сравнении с такой же зависимостью для электронов

Сигнал от адронов значительно меньше, чем сигнал от электронов при той же энергии. Кроме того, средняя величина его амплитуды нелинейно зависит от энергии. На рисунке 5 приведена зависимость от энергии отношения амплитуды сигнала от пионов, калиброванного в так называемой "электромагнитной" шкале, к энергии в сравнении с такой же зависимостью для электронов. Видно, что даже для больших энергий адронов калориметр остается сильно нескомденсированным (тг/е кз 0.75).

На рисунке 6 представлена зависимость энергетического разрешения от энергии для пионов. Несмотря ва малый световыход (около 0.4 ф.э./ГэВ), в случае пиопов фотостатистика не доминирует в энергетическом разрешении за исключением области низких энергий. Оцениваемый вклад фотостатистики в квадрат разрешения уменьшается примерно с 50%, при низких энергиях, до 25%, при 375 ГэВ.

Чтобы найти параметры функции, описывающей плотность детектируемой энергии сигнала для адронных и электромагнитных ливней в зависимости от расстояния до трека начальной частицы, был предложен метод нахождения этих параметров, по зависимости средней амплитуды сигнала в ячейках от расстояния до трека частицы,

л»

А А :е

- • - electrons

—1—1--J—■ - , , , , А - piorts L_i_ ..i_i i i i I i i i. 1

§

8.1 11.1 16 25 44 100 400

Е, GeV

0.8

0.6

0.4

0.2

_1 I I , 1 , , , . 1 , 1 , , 1 , 1 1 1 1 , I 1 , \ i i ! • "S. ' 1 1 ' I 1 ' '

i /ш ji \................ i ■ I i i i ; i

-

1 I i _L. 1 . I 1 I i t 1 . 1 1 1 1 1 1_ I. r 1 1 1 ... ..I 1.. 1 1 1 1 I... ! 1

0.35 0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0

Е'т, GeV m

Рис. 6. Отношение RMS к амплитуде сигнала для пионов как функция от £~'/2

1

>-4

10 -

о

300 К, тт

Рис. 7. Зависимость утечки сигнала из цилиндрической области от радиуса для пионов при энергии 80 ГэВ для кварцевого калориметра в сравнепии с результатами для калориметра ЭРАСАЬ

-1

породившей ливень. Наилучшим образом распределение плотности Ф(г) описывается суммой двух экспонент:

Ф(г) = С^ + Съеа*г (1)

На рисунке 7 представлены величины суммарных утечек регистрируемого сигнала из цилиндрического объема в зависимости от радиуса дм 7г-мезонов при энергии 80 ГэВ, восстановленные из экспериментальных данных, в сравнении с аналогичной зависимостью для калориметра БРЛСАЬ. Для сбора той же доли от полной амплитуды детектируемого сигнала от адропных ливней кварцевому калориметру нужна значительно меньшая площадь, чем для сцинтилляциошюго калориметра. Например, площадь, необходимая для сбора 90% сигнала от адронного ливня, в случае кварцевого калориметра меньше примерно в 6 риз, чем для калориметра типа БРЛСАЬ.

Исследования продольного профиля адропного ливня проводились для пионов энергий 50, 150 и 300 ГэВ. Измерялась амплитуда сигнала в калориметре в зависимости от толщины слоя железного поглотителя, расположенного перед ним. Полученные профили оказались примерно на 1 — 1.5Ат, более компактными чем для сшштилля-циошшх калориметров.

Меньшие регистрируемые поперечные и продольные размеры ливня могут быть объяснены тем, что черенковский калориметр малочувствителен к малоэнергетич-ным частицам и нейтронам.

г, /г^

Рис. 8. Сигнал с цифрового осциллоскопа для тг~-мезонов с энергией 375 ГэВ, попадающих в калориметр под углом 0°

Одно из достоинств выбранной методики — практически безынерционное излучение света при прохождении частиц через волокно. Временная постоянная этого процесса гораздо меньше, чем 5-10 не характерных для быстрых сцинтилляторов.

Временная структура сигнала для кварцевого калориметра была изучена при помощи быстрого цифрового осциллографа2 с частотой оцифровки 1 ГГц. На рисунке 8 показан вид сигнала, полученного от пионов с энергией 375 ГэВ, попадающих в прототип под углом 0" к оси волокон.

Испытания продольпо-сегментировапного прототипа были частью испытаний прототипа в 1996 году на пучке Н4 ускорителя SPS (ЦЕРН). В качестве адровной секции (HAD) был использован модуль длиной 135 см. Электромагнитная секция (ЕМ) представляла собой модуль длицой 33 см (23 Хо или 2А/) с такой же поперечной структурой, как в адронпой секции. Волокна из ЕМ выводились вперед по пучку и свет собирался за счет отражения от зазеркаленных концов. Полная длина двух модулей составляла примерпо 10.5А;.

Поскольку зависимости параметров сигнала от энергии для двухсекционного калориметра находятся под влиянием калибровочпых коэффициентов для модулей в целом, основные параметры сравнивались с результатами для односекционнго прототипа в случае, когда калибровочные коэффициенты для обоих секций равны. Амплитудные зависимости для обоех случаев оказались одинаковыми с точпостью 1-2%. Энергетическое разрешение аппроксимировалась функцией вида: ff(E — А/у/Е © В, что дало следующие результаты:

Поскольку в эксперименте тип частиц, попадающих в передний калориметр, будет неизвестен, нужно будет откалибровать калориметр так, чтобы минимизировать отклонение- измеряемой энергии от энергии частиц. При калибровке, использующей равные весовые коэффициенты для продольных секций, при измерениях будет возникать систематическая ошибка из-за различного энерговыделения для адронов и электронов или гамма-квантов. Используя разные калибровочные константы для разных продольных секций калориметра, можно приблизить отношение амплитуды сигнала для электронов к амплитуде сигнала для адронов к единице и тем самым уменьшить систематическую ошибку.

Чтобы сделать количественную оценку ошибки при измерении энергии различных частиц па множестве событий, набранпых экспериментально, и, тем самым, сравнить влияние различных отношений калибровочных коэффициентов на усредненное разрешение калориметра для набора экспозиций,с электронами и пионами разных энергий, была использована величина V?, описываемая следующей формулой:

Наименьшая средняя величина отклонения по набору из всех событий во всех экспозициях с двухсекционным прототипом была получена при отпошении калибровочных констант для ЕМ и НАЛ секции С2/С1 — 1.4 — 1.5.

Глава 4 посвящена оценке характеристик калориметра для возможных физических процессов.

Параметры калориметра исследовались для адронных струй с энергией порядка 1 ТэВ, возникающих в процессе qq —> 22 —> II) Ц в диапазоне псевдобыстрот

А = 1.54 ± 0.01, В = 0.062 ± 0.002 для электронов; А = 2.67 ± 0.02, В = 0.133 ± 0.002 для пионов. .

(2)

W = 2 < (А - Ef > .

(3)

2Lecroy LC7200

2 < Ы < 5 ("тактирующие" струи). Энергия струй изменялась в диапазоне от 400 до 2000 ГэВ. О телик калориметра по отношению к адронам всех типов моделировался на основании данных, полученных при исследовании двухсекционного прототипа на пионном пучке, сигнал для гамма-квантов воспроизводился с помощью дапных, полученных на электронных пучках.

Сигнал от адронов с энергией меньше 350 ГэВ восстанавливался при помощи интерполяционной процедуры, использующей результаты экспозиций продольно-сегментированного прототипа на пионных пучках в диапазоне энергий 12-350 ГэВ. Если энергия адропа превышала 350 ГэВ, отклик калориметра моделировался, используя процедуру экстраполяции из распределений сигнала, полученных на данных. Для гамма-квантов отклик моделировался исходя из параметризации, основанной па дан-пых.

Поиск отношения калибровочных коэффициентов, при которых достигается наилучшее энергетическое разрешение для струй с энергией 1 ТэВ, дал величину С2/С1 = 1.45, что хорошо согласуется с результатами, полученными в главе 3.

Е, GeV

0.2

0.15 -

0.1 -

0.05

0.06

0.05

0.04

0.03

0.02

0

0.01

Е'т, веУ

Рис. 9. Зависимость энергетического разрешения от энергии для адронных струй при различных С2/С1

Зависимость энергетического разрешения для адронных струй от энергии показана на рисунке 9. Приведенные три зависимости соответствуют различным отношениям калибровочных констант С2/С1. Для аппроксимации энергетического разрешения использовалась функция вида: ujms! EJct = Aj Ejct (!) В, численные результаты an-

проксимации приведены ниже:

Очм* _ 3.0

В,«, -

©0.09 для С2/С1 = 1.00, ©0.05 для С2/С, = 1.45, Ш0.08 для С2/Сх= 1.97

0ЯМ£ — 3.0

3.2

В главе 5 кратко изложены основные результаты исследований и выводы.

Впервые были произведены пучковые испытания прототипа адронного калориметра с кварцевыми волокнами, ориентированными под углом близким к нулю по отношению к направлению входящих в калориметр частиц. Испытания производились с электронами в диапазоне энергий от 8 до 250 ГэВ и 7г~-мезонами с энергией от 10 до 375 ГэВ. Были получены следующие результаты.

• Разработаны методы регистрации и отбора данных. Произведена калибровка ячеек прототипа на электронных пучках, она позволила ввести энергетическую шкалу, используемую при анализе данных.

• Измерена зависимость среднего значения амплитуды сигнала от энергии для электронов. В диапазоне от 8 до 250 ГэВ отклонения от линейпой зависимости не превышают 2%; световыход составляет 0.53 ф.э./ГэВ

• Измерено энергетическое разрешение для электронов, оно оказалось равным

при постоянном члене менее 3%.

• Измерена зависимость среднего значения амплитуды сигнала от энергии для пионов, у зависимости наблюдается заметная нелинейность от энергии — отношение амплитуды сигнала к энергии при 12 ГэВ отличалось от такого отношения при 350 ГэВ примерно на 40%. Кроме того, средний отклик для электронов и пионов при одинаковой эпергии значительно различается (в 1.5-2 раза), то есть кварцевый калориметр сильно нескомпенсировал.

• Для 7г~-мезонов было получено разрешение а[Е — 2.72 О 0.13.

• Разработан метод определения параметров продольного и поперечного профилей детектируемых электромагнитных и адронных ливней.

• Измерены поперечные геометрические размеры детектируемого электромагнитного ливня, они оказались близкими к наблюдаемых в сцинтилляционных калориметрах. 90% сигнала собирается в цилиндре радиуса 2.5 см относительно трека начального электрона.

• Измерены поперечные геометрические размеры детектируемого адронного ливня, создаваемого 7г~-мезонами. Для пионов с энергией от 35 до 350 ГэВ 50% сигнала собирается внутри цилиндра радиусом 15-21 мм вокруг траектории начальной частицы, уровень сбора 90% достигается в пределах радиуса 7380 мм. Полученные величины оказались значительно меньшими, чем для сцинтилляционных калориметров. Например, площадь, необходимая для сбора 90% сигнала от адронного ливня, в случае кварцевого калориметра меньше примерно в б раз, чем для сцинтилляциошгого калориметра типа БРАСАЬ.

• Исследовано продольное развитие адронного ливня, вызываемого 7г~-мезонами. Наблюдаемый продольный размер адронного ливня для уровня поглощения сигнала 95% оказался примерно на 1-1.5 длин поглощения меньше, чем для сцин-тиллядионных калориметров.

• Проведены исследования прототипа адронного калориметра, имеющего продольную сегментацию. Показано, что для продольно-сегментированного калориметра можно изменять отношение среднего сигнала от электронов к среднему сигналу от шопов при той же энергии, изменяя калибровочные коэффициенты для электромагнитной и адронной секций, тем самым достигая равенства откликов для этих частиц в среднем по набору событий во всех исследовавшихся экспозициях. Проанализировано влияние различных способов подобной калибровки на погрешность при измерении энергии адрондых струй.

• На основе экспериментальных данных сделаны оценки характеристик калориметра для ожидаемых в эксперименте CMS "таггирующих" струй. Показано, что для смоделированных струй для калориметра с продольной сегментацией и поперечной структурой, как у данного прототипа, можно получить энергетическое разрешение tfttMs/Ejet = 3.0© 0.06. Так для струй с энергией 1 ТэВ оно будет составлять около 11%, что адекватно требованиям CMS, предъявляемым к разрешению переднего калориметра.

• Проведены исследования временных характеристик калориметра, они показали, что время сбора сигнала для электронов и 7г-мезонов совпадает и определяется, главным образом, свойствами фотодетектора. Такое поведение может быть объяснено мгновенным испусканием черепковского света, при пересечении волокон заряженными частицами и чувствительностью калориметра, главным образом, к ультрарелятивистсдсим частицам.

Методика кварцевой калориметрии была предложена исходя из ожидаемой высокой радиационной стойкости кварцевых волокон, которая позволяет обеспечить надежную работу калориметра в интенсивных радиационных полях, что является одним из основных требований для экспериментов на ускорителе LHC (ЦЕРН). В результате проведенных измерений показано, что методика обеспечивает измерение потоков энергии без угечек в неинструмептированные области вплоть до значений псевдо быстрот т] = 4.5, она позволяет измерять энергию адронных струй с необходимой точностью, то есть удовлетворяет требованиям, предъявляемым к калориметрам, которые будут работать в области малых углов в экспериментах на ускорителе LHC. Калориметр такого типа будет использоваться в детекторе CMS.

В приложении А подробно излагается метод, которым восстанавливался отклик калориметра к "таггируюшим" струям, и способы проверки этого метода.

Список публикаций

[1] N.Akchurin et al., Qartz Fiber Calorimeter, NIM A 379 (1996) 526-527

[2] N.Akchurin et al., Beam Test Results from a Fine-sampling Quartz Fiber Calorimeter for Electron, Photon and Hadron Detection, NIM A 399 (1997) 202.

[3] N.Akchurin et al., Beam test results of CMS quartz fibre calorimeter prototype and simulation of response to high energy hadron jets, NIM A 409 (1998) 593-597.

ИНСТИТУТ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКИ

на правах рукописи

КОЛОСОВ Виктор Аркадьевич

КАЛОРИМЕТР НА ОСНОВЕ КВАРЦЕВЫХ ВОЛОКОН

01.04.16 — физика ядра и элементарных частиц

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель — доктор физико-математических наук В.Б.Гаврилов

МОСКВА - 1998

Оглавление

1 Введение 3

2 Обзор ранних работ 8

2.1 Обзор вариантов переднего калориметра............8

2.2 Радиационные испытания кварцевых волокон . . 18

2.3 Испытания прототипа длиной 12 Хо ................23

3 Испытания прототипов адронного кварцевого калориметра 27

3.1 Исследование несегментированного прототипа . . 27

3.1.1 Конструкция модулей............................27

3.1.2 Тестовый пучек....................................30

3.1.3 Схема считывания и калибровка прототипа 31

3.1.4 Данные ...................................33

3.1.5 Методы отбора событий........................37

3.1.6 Флуктуации пьедесталов........................39

3.2 Экспериментальные результаты для электронов 40

3.2.1 Линейность сигнала................40

3.2.2 Энергетическое разрешение....................40

3.2.3 Пространственная однородность..............46

3.2.4 Угловые эффекты..................................50

3.3 Экспериментальные результаты для адронов . . 51

3.3.1 Амплитудно-энергетическая зависимость и энергетическое разрешение для адронов . . 52

3.3.2 Отношение сигналов е/7г........................58

3.3.3 Поперечный профиль адронного и электромагнитного ливня..................................60

3.3.4 Продольный профиль адронного ливня ... 64

3.3.5 Временная структура отклика калориметра 66 3.4 Результаты изучения продольно-сегментированного

прототипа....................................................70

3.4.1 Схема установки и тестовый пучек..........70

3.4.2 Анализ данных....................................72

3.4.3 Анализ экспериментальных результатов для отдельных частиц ................................72

4 Оценка характеристик калориметра для возможных физических процессов 87

5 Основные результаты исследований 98

6 Благодарности 101

А Методы восстановления сигнала от адронов и гамма-квантов при оценке отклика калориметра для адронных струй 102

1 Введение

Новое поколение коллайдеров, в настоящий момент представленное проектом LHC в ЦЕРН-е, предъявляет исключительные требования к элементам детекторов, в особенности, к калориметрам, работающим в области больших величин псевдобыстрот (3 < |?7| < 5). Требования к технологии определяются физическими процессами, которые требуют измерений в области переднего калориметра, и условиями в которых предстоит работать калориметру.

Одной из основных задач, стоящих перед калориметром для передней области, будет измерение потерянной поперечной энергии Одним из процессов характеризующихся потерей поперечной энергии, является распад тяжелого Хиггсова бозона по каналу Н —» Z{—> II) w\ где пара нейтрино от распада Z-бозона уносит недетектируемую поперечную энергию, равную примерно половине массы Хигссова бозона. Канал Н —> ZZ —Uli хотя и более предпочтителен с точки зрения легкости регистрации, но имеет в 6 раз меньшую вероятность. Поэтому, в следствие малого сечения рождения тяжелого (Мн > 500 — 700 ГэВ) Хигссова бозона, его регистрация становится возможной только в канале Н —> Z(—> ll)Z(—vv). При этом он дает широкий пик в распределении E™lss при Е « Мн/2. Физическим фоном к такому процессу является ZZ континуум. Из инструментальных фонов наиболее вероятны рождение Z-бозона в сопровождении адронной струи, покидающей детектор из-за недостаточного перекрытия по псевдобы-

строте и наложение нескольких событий minimum bias, способных сымитировать значительную утечку энергии Необходимость подавлять инструментальные фоны ведет к требованию перекрытия области псевдобыстрот как минимум до г) = 4 и быстрой регистрации событий, чтобы не допустить наложений minimum bias от разных взаимодействий пучков. Увеличение перекрытия до г) = 5 уже не сокращает фон. Требования к поперечной сегментации и разрешению для измерения Ertmss являются более чем умеренными.

При реконструкции массы суперсимметричных Хигссовых бозонов передний калориметр также играет существенную роль, позволяя измерить энергию, уносимую нейтрино при распаде по каналу А(Н) —» тт с последующим полулептонным распадом хотя бы одного т. Массовое разрешение достигается в основном перекрытием по псевдобыстроте, которое должно достигать г) = 5. Энергетическое разрешение в данном случае также не является критическим фактором. Так как измеряемая для этого процесса поперечная энергия мала 50 ГэВ) существенным становится вклад "pile-up", что требует проведения измерений при малой светимости ускорителя.

Кроме измерения E™lss, передний калориметр необходим для регистрации адронных струй, рождающихся в процессе qq —> {WW, ZZ —> H)jj. В случае существования Хиггсова бозона с большой массой он может рождаться в результате испускания начальными кварками пары W/Z, при этом кварки-родители станут разлетаться под малыми углами 2 < \г}\ < 5, определяемыми массами испускаемых частиц, в

область Передних Калориметров. Реконструкция подобных ("тагги-руюгцих") струй позволяет в значительной степени подавить фоны. Основной проблемой при восстановлении таких событий будут флуктуации событий "pile-up", имитирующие реальные струи. Флуктуации уменьшаются с сокращением времени сбора сигнала и зависят от поперечной гранулярности (с ростом размера ячейки начиная с определенной величины начинает заметно рости вклад от фоновых событий). Также существенно перекрытие области псевдобыстроты до ту = 4.5

Для всех вышеупомянутых задач разрешение на уровне 8Е/Е = 300%/у/Ё © 10% будет вполне достаточным[1]. Техническое решение для Переднего Калориметра должно позволить регистрировать предполагаемые физические события с требуемой точностью и одновременно обеспечивать высокую надежности работы без необходимости непосредственного доступа к калориметру:

• Время между очередными взаимодействиями пучков составляет 25 не, что в сочетании с высокой загрузкой от фоновых процессов ведет к необходимости регистрации сигнала за время меньшее, чем период между очередными взаимодействиями.

• Предполагаемые радиационные дозы в передней области будут достигать миллионов Грей, и радиационные повреждения компонентов детекторов в этой области окажутся очень сильными, что делает требования к радиационной стойкости элементов Переднего Калориметра одними из наиболее решающих для технологии[2];

• Еще одним следствием большой светимости будет чрезвычайно высокая плотность потоков нейтронов (до 109 п/см2/сек), что сильно ограничивает применение многих традиционных методик калориметрии, основанных на ионизации. Методики, малочувствительные к воздействию нейтронных потоков, таким образом будут являться одним из решений этой проблемы. Большие дозы радиации неизбежно приведут к активации материалов калориметра, создавая дополнительный источник фона. Это будет означать то, что пьедесталы каналов электроники будут зависеть не только от загрузки в каждый конкретный момент, но и от предистории светимости за достаточно длительные промежутки времени. Малая чувствительность к подобным процессам также одно из основных требований к технологии калориметрии в передней области.

• Светимость и энергия пучков ЬНС будут таковы, что энергия, выделяемая в переднем калориметре фоновыми событиями, будет значительной (около 1000 частиц с общей энергией порядка 10 ТэВ в каждом взаимодействии пучков), то есть, чтобы избежать влияния флуктуаций энерговыделения от таких событий на точность измерений нужно, по возможности, уменьшить видимый поперечный размер адронного ливня, чтобы он не превышал размера струи вплоть до больших величин псевдобыстроты.

• Немаловажным ограничивающим фактором для Переднего Калориметра является цена. Окончательное решение должно удовле-

творять требованиям, накладываемым физическими задачами и условиями работы, и при этом не выходить за рамки бюджета.

Одним из решений, удовлетворяющим перечисленным выше требованиям, является калориметр на основе кварцевых волокон, использующий регистрацию черенковского света. Данная работа посвящена исследованию прототипа калориметра, созданного по этой технологии, на высокоэнергетических пучках электронов и пионов. Кроме прямых результатов пучковых измерений, была проведена оценка характеристик калориметра при измерении ожидаемых объектов (адронных струй), основываясь на данных, полученных экспериментально.

Работа состоит из введения трех глав и приложения. В главе 2 производится обзор работ, предшествовавших исследованию, и рассматриваются варианты других технологий для переднего калориметра. Глава 3 посвящена исследованию полномасштабного прототипа и анализу полученных результатов. В главе 4 на основании экспериментальных данных производится оценка характеристик калориметра при регистрации ожидаемых в эксперименте CMS адронных струй. Приложение А посвящено изложению метода, при помощи которого на основе экспериментальных данных для калориметра с тем же продольным и поперечным делением, что и у прототипа, моделировался отклик от адронных струй.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах [3, 4, 5]. Результаты докладывались автором на конференциях: "VI International Conference on Instrumentation for Experimenta at e+e~ Colliders" в Ho-

восибирске в феврале-марте 1996 года, на "7-th Pisa Meeting on advance detectors" на острове Эльба в Италии в мае 1997 года. Кроме того результаты докладывались членами рабочей группы В.Б.Гавриловым и Л.Суллаком (Бостонский университет) на конференции "6th International Conference on Calorimetry in High Energy Physics" во Фраскатти в Италии.

2 Обзор ранних работ

2.1 Обзор вариантов переднего калориметра

Жесткость требований, предъявляемых к переднему калориметру, вызывает необходимость использования специфических технологий, чтобы им соответствовать, и тем самым выделяет Передний Калориметр в самостоятельный объект. При этом одной из проблем становится обеспечение перехода между калориметром в районе EndCap и калориметром в передней области без возникновения неоднородностей. Возможны два способа расположения переднего калориметра безотносительно к технологии. В первом ("классическом") случае калориметр располагается на удалении от детектора (14-16 м вместо 4-6 м) и с запасом перекрывает отведенный ему диапазон псевдобыстрот, во втором случае калориметр геометрически продолжает калориметр в EndCap.

Первый вариант калориметра предоставляет большую свободу в выборе технологии, так как нет почти никаких ограничений на использование боковой поверхности калориметра и прилегающего простран-

ства. Хотя, как может показаться на первый взгляд, адронный ливень от частицы попавшей в Епс1Сар вблизи границы может дать значительную утечку в Передний Калориметр, которую трудно будет учесть из-за высокого уровня фонов, это реально оказывает минимальное воздействие на энергетическое разрешение при детектировании объектов, состоящих из многих частиц (адронных струй), что было подтверждено исследованиями при помощи пакета СЕАГ\1Т[6, 7].

Интегрированный вариант, требует совместимых технологий для Переднего Калориметра и калориметра в ЕпсЮар. Хотя такой вариант и позволяет освободить место для защиты и улучшить радиационную обстановку в передней области, он ведет к ряду серьезных проблем при детектировании физических объектов и существенному ужесточению требований к технологии, так как радиационные дозы растут обратно-пропорционально квадрату расстояния до точки взаимодействия. Кроме того растет эффективный размер адронного ливня в единицах псевдобыстроты, при сохранении размера струй и плотности фонов в этих единицах, и тем самым эффективно уменьшается соотношение сигнал/шум. С другой стороны уменьшение размеров калориметра может значительно сократить его стоимость.

Поскольку наиболее серьезным требованием к Переднему Калориметру является обеспечение надежной работы в условиях высоких радиационных загрузок возможные технологии делятся по этому критерию на два класса. В одних возможность работы достигается за счет замены веществ с недостаточной радиационной стойкостью, в других

требования выполняются за счет применения радиационно-стойких материалов. Подбор активного вещества с достаточной для Переднего Калориметра стойкостью является наиболее сложной задачей.

К первому классу относятся калориметры на основе газа (газ высокого давления и камеры с плоско-параллельными электродами) и жидкости (жидко-сцинтилляционный калориметр).

Калориметр на основе газа высокого давления предполагалось использовать в экспериментах ATLAS(LHC), GEM и SDC (SSC). Калориметр такого типа является ионизационным прибором. Поскольку ввиду малой плотности газа, собираемый заряд очень мал, это диктует необходимость увеличения давления до 15-40 атм. Типичная газовая смесь, используемая в калориметре — 90%Ar+10%CF4. Такой калориметр не является компенсированным и требует продольной сегментации. Наиболее проработанной конфигурацией является комбинированный вариант, в котором электромагнитный сегмент использует электроды типа параллельных пластин, а в адронном модуле применяется коаксиальная структура электродов — стержни внутри отверстий в поглотителе. Предполагалось, что электромагнитная секция будет иметь глубину 50 см и работать при давлении 15 атм, в то время как адронный модуль должен быть длиной 200 см и иметь давление 40 атм.

Такой вариант позволяет избежать присущей коаксиальной геометрии неоднородности отклика для электронов и значительно уменьшить присущие варианту с параллельными пластинами недостатки: высокий уровень шумов и сложность механической конструкции. Рас-

четы Монте-Карло предсказывают разрешение для струй для такого варианта: а/Е = 85%/у/Ё ф 6%. Наибольшей проблемой для этого калориметра является обеспечение безопасной работы, так как снижение до минимального уровня вероятности разгерметизации и создание надежной системы поиска и ликвидации течей достаточно сложная инженерная задача. Кроме того, необходимость обеспечить работу в мощных нейтронных потоках вызывает определенные сложности с использованием газовых смесей.

В калориметре, использующим камеры с плоско-параллельными электродами (РРС), активная среда также газ, но при атмосферном давлении, что естественным образом минимизирует вероятность течей и разгерметизации. Такой калориметр рассматривался как основной вариант в детекторе CMS[11] до того, как был отклонен в пользу кварцевого калориметра.

Регистрирующим элементом в таком калориметре является газовый зазор между двумя параллельными пластинами 1.5 мм). В качестве смеси предполагалась смесь СО2 и CF4. Высокое напряжение между электродами создает в зазоре однородное поле 40-50 кВ/см. Сигнал формируется за время ~ 1 не. Камеры способны работать в потоках частиц до 108 - 109 см 2сек 1 без заметного искажения поля. Возможный диапазон газового усиления 102 — 105. Одной из проблем технологии является вероятность пробоя, которая может оказаться значительной при больших коэффициентах усиления, низкие же коэффициенты не обеспечивают достаточного уровня усиления. Малый уровень сиг-

нала выдвигает жесткие требования к электронике считывания, для варианта, рассматривавшегося в CMS, предполагалось иметь уровень шумов около 1 ГэВ на электромагнитный ливень. Зазоры и абсорбер в варианте для CMS чередуются, оставаясь перпендикулярными направлению пучка, создавая, таким образом, сэндвич-структуру. Полная длина калориметра должна была составлять 3.3 м (12 ядерных длин поглощения). Технология не обеспечивает компенсации и предполагалось использовать продольную сегментацию. Пучковые испытания прототипов показали разрешение для электромагнитных ливней на уровне <т/Е ~ 70%/л/Ё © 3%, правда при значительной пространственной неоднородности (постоянный член приведен для случая пучка, попадающего в центр пластины). Расчеты Монте-Карло предсказывают разрешение для струй а/Е ~ 130%/л/Ё © 2%, но худшее по сравнению с вариантом калориметра с кварцевыми волокнами разрешение для адронов, полученное на прототипе, заставляет усомниться в этом результате. Кроме того механическая конструкция калориметра достаточно сложна, и газовая смесь чувствительна к мощным потокам нейтронов.

Еще одним вариантом калориметра с заменяемой средой является калориметр, использующий жидкий сцинтиллятор, циркулирующий в стеклянных трубках. При подборе сцинтиллятора с коэффициентом преломления большим, чем у стекла, и обладающего достаточной прозрачностью, система трубка-сцинтиллятор будет работать как световод, захватывая часть света, создаваемого в жидкости и передавая его

к фотоприемнику. Трубки должны располагаться в отверстиях матрицы поглотителя параллельно линии пучка, легко позволяя организовать считывания с псевдопроекционных г) — ф башен. Из-за высо