Математическое моделирование детектора переходного излучения эксперимента ГЕРА-Б тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.23 ВАК РФ

Введение

1 Глава

B-физика и экспериментальные исследования.

1.1 Стандартная Модель и CP-нарушение.

1.2 Экспериментальная ситуация в В физике.

1.3 Ближайшие эксперименты по изучению В-физики.

1.4 Физика эксперимента HERA-B.

1.4.1 CP-нарушение.

1.4.2 Редкие распады.

1.4.3 Bs — Bs смешивание.

2 Глава

HERA-B спектрометр.

2.1 Вершинный детектор.

2.2 Трековая система.

2.3 RICH

2.4 Детектор переходного излучения.

2.5 Электромагнитный калориметр.

2.6 Мюонная система.

3 Глава

Практическая теория переходного излучения.

3.1 Переходное излучение на границе раздела сред.

3.2 Переходное излучение для одного слоя (фольга).

3.3 Переходное излучение испускаемое при пересечении X слоев.

3.4 Детектирование РПИ.

3.5 Методы идентификации ДПИ.

3.6 MC моделирование ДПИ.

4 Глава

Анализ и оптимизация детектора переходного излучения эксперимента HERA-B.

4.1 Моделирование детектора HERA-B.

4.2 Оптимизация ДПИ HERA-B.

4.2.1 Анализ загрузки и выбор структуры и детектирующих элементов детектора.

4.2.2 Позиционирование пропорциональных камер в слое.:

4.2.3 Оптимизация радиатора.

4.3 Возможность использования детектора переходного излучения в триггере 1-го уровня эксперимента HERA-B.

4.4 Восстановление трека ДПИ.

4.5 Полная реконструкция событий с использованием информации детектора переходного излучения.

4.6 Описание ДПИ HERA-В.

5 Глава

Экспериментальные результаты.

5.1 Экспериментальное исследование основных элементов ДПИ.

5.1.1 Описание прототипа ДПИ.

5.1.2 Выбор оптимального радиатора.

5.1.3 Сравнение MC моделирования и экспериментальных данных.

5.2 Экспериментальные результаты тестовых сеансов HERA

В 9G

Одним из наиболее интересных и интригующих явлений в физике элементарных частиц несомненно является СР-нарушение, связанное с фундаментальными вопросами пространства, времени и ранней стадии развития Вселенной [1].

Экспериментальное наблюдение СР-ассиметрии до сих пор проверенное только в системе нейтральных К-мезонов. Однако, выполнить точную проверку СР-нарушения в Стандартной Модели (СМ) в системе нейтральных К-мезонов нельзя из-за больших теоретических неопределенностей в вычислениях. Система нейтральных В-мезонов представляет из себя прецизионную систему в которой возможно наблюдение СР-нарушенпя. В отличии от системы К-мезонов - в распадах В-мезонов предсказывается значительный эффект СР-нарушения. Кроме того исследование системы В-мезонов вероятно позволит провестп оценку основных положений СМ [2].

Наблюдение СР-нарушения - ближайшая задача современной экспериментальной физики. В настоящее время на наблюдение СР-нарушения нацелено большое число экспериментов физики высоких энергий, для большинства из них планируется строительство новых ускорителей или существенное изменение уже действующих. В этой области остро ощущается необходимость использования последних достижений и преимуществ современной экспериментальной методики.

Эксперимент HERA-В - "Экспериментальное изучение СР-нарушени: в системе В-мезонов с использованием внутренней мишени на протонном накопительном кольце HERA предлагает использовать дей-ствзпющее накопительное кольцо HERA (DESY) с внутренней мишенью в гало пучка.

Основной физической целью предполагаемого эксперимента является экспериментальное наблюдение СР-нарушения в системе нейтральных В-мезонов с множественным лептонным конечным состоянием, в частности распад В —у J/%l)KQs —> 1+1~тт+7т~1 с пептонами в конечном состоянии, представляется наилучшим как с теоретической так и с экспериментальной точки зрения [3].

Эффективная лептонная идентификация является одним из принципиальных требований эксперимента HERA-B и играет ключевую роль в реконструкции распадных каналов, идентификации В-мезонов (мечение пептонов) и возможности исследования многих аспектов В-физики. Использование детектора переходного излучения в системе электронной идентификации совместно с электромагнитным калориметром позволяет достичь требуемой эффективности для решения поставленной задачи.

Данная работа выполнена в рамках создания детектора переходного излучения для эксперимента HERA-B.

Актуальность темы диссертации.

Развитие физики высоких энергий привело к созданию ускорителей элементарных частиц с энергией в сотни ГэВ, что предъявляет новые требования к детекторам и методам идентификации частиц, которые позволяют проводить изучение новых явлений и поиск новых физических процессов, происходящих при свервысоких энергиях. При решении задачи идентификации редких процессов в условиях высокой плотности частиц, необходимо обеспечить подавление фоновых событии на достаточно высоком уровне 10°) при высокой эффективности регистрации сигнального процесса. Это требует использования для идентификации частиц одновременно несколько детекторов на основе различных физических принципов. Чрезвычайно важным и актуальным представляется разработка и создание детектора, способного с высокой эффективностью выделять пептоны на фоне большого количества адронов, который способен решать такие задачи совместно с использованием электромагнитного калориметра. Наиболее полно таким требованиям удовлетворяет детектор переходного излучения.

Цели и задачи исследования.

Настоящая диссертация посвящена дальнейшему развитию методов идентификации частиц высоких энергий с помощью переходного излучения, а именно созданию математического обеспечения для моделирования, оптимизации, а также анализа и реконструкции экспериментальных данных детектора переходного излучения на основе современной многослойной структуры.

Детектор переходного излучения создается в рамках международного эксперимента по физике высоких энергий HERA-В - эксперимент по изучению СР-нарушения в системе В-мезонов с использованием внутренней мишени на протонном накопительном кольце HERA (820 ГэВ/с).

Целью диссертации также является экспериментальная проверка созданной математической модели и алгоритмов данных с детектора переходного излучения, как элемента системы электронной идентификации совместно с электромагнитным калориметром в условиях событий с высокой множественностью - адронные В-фабрики.

Научная новизна п значимость работы.

Впервые произведена оптимизация детектора переходного излучения в условиях физических событий, отвечающих условиям работы эксперимента HERA-B, что позволило произвести выбор оптимальных параметров детектора с точки зрения фактора электрон-адронной режекцип при обеспечении высокой эффективности регистрации электронов.

Показаны дополнительные возможности использования детектора в эксперименте HERA-B, а также получены экспериментальные данные с применением разработанного детектора, на основе новейшей технологии многослойной структуры прибора, в реальных условиях эксперимента HERA-B, которые совпадают с расчетами сделанными по методу Монте Карло.

Автор защищает:

1. Результаты анализа и оптимизации детектора переходного излучения на основе современной многослойной структуры в условиях эксперимента HERA-B - эксперимент по исследованию нарушения СР-симметрии в системе В-мезонов с использованием внутренней мишени на протонном накопительном кольце HERA (р = 820 ГэВ/с). ;

2. Результаты исследования возможностей использования детектора переходного излучения в триггере первого уровня эксперимента HERA-B и в качестве трекового детектора в области с максимальными загрузками.

3. Алгоритм обработки сигналов и реконструкции событий детектора переходного излучения эксперимента HERA-B в каналах чувствительных к СР-нарушению.

4. Экспериментальные результаты исследования прототипа детектора переходного излучения для эксперимента HERA-В на основе современной многослойной структуры - радиатор, тонкостенные цилиндрические дрейфовые камеры на пучке электронного ускорителя DESY-II.

5. Экспериментальные результаты и анализ данных детектора переходного излучения эксперимента HERA-B на протонном накопительном кольце HERA (820 ГэВ/с) в условиях реальных физических данных.

Практическая полезность.

Работа выполнена в рамках международного соглашения по кол-лаборации HERA-B (физика высоких энергий) - эксперимент по исследованию нарушения СР-симметрии в системе В-мезонов с использованием внутренней мишени на протонном накопительном кольце

HERA (820 ГэВ/с). Группа МИФИ является ответсвенным за создание субсистемы электронной идентификации частиц высоких энергий на основе переходного излучения.

Результаты анализа были включены в Предложение эскперимен-та и технический проект эксперимента, одобренные международным научным комитетом по физике высоких энергий и научным советом центра физики высоких энергий DESY (г.Гамбург).

Результаты моделирования и оптимизации использованы при создании детектора переходного излучения международного эксперимента по физике высоких энергий HERA-B, начинающего в этом году набор физических данных по исследованию нарушения СР-симметрии

Разработаное математическое обеспечение Детектора Переходного Излучения включено в официальную версию программного обеспечения эксперимента HERA-B в разделах моделирования физических процессов, программы комплексной р о ко н с т р у к ц и и и анализа экспериментальных данных.

Созданный Детектор Переходного Излучения является активной частью электронной системы идентификации эксперимента HERA-В, позволяющий совместно с электромагнитным калориметром обеспечить высокую эффективность идентификации электронов в каналах, выбраных для исследования нарушения CP-симметрии, наиболее интересной задачи современной физики.

Апробация и публикации.

Результаты работы и выводы диссертации докладывались и обсуждались на научных семинарах в МИФИ (г.Москва,Россия) и DESY (г.Гамбург.Германия). Опубликованы в следующих работах:

1. T.Lohse, . V.Yeg'orichev et al., An Experiment to Study CP Violation in the В System Using an Internal Target at the HERA Proton Ring, Proposal, DESY-PRC 94/02 (1994).

2. Hartouni E., . V.Yegorichey et. al., An Experiment t.o Study CP Violation in the В System Using an Internal Target at the HERA Proton Ring. Design Report. DESY-PRC 95/01; January 1995.

3. Егорычев В. и др., Экспериментальные исследования прототипа детектора переходного излучения для эксперимента HERA-B, сборник научных трудов, т.4, стр.134, Москва 1999.

4. Егорычев В. и др., Экспериментальные результаты тестирования детектора переходного излучения, МИФИ 001-99, 1999.

5. Егорычев В., Оптимизация Детектора Переходного Излучения эксперимента HERA-В, ITEP-10-98.

6. V.Egorytchev, V.Saveliev, Monte Carlo simulation of transition radiation and electron identification for HERA-B, ITEP-11-99.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации 128 страниц, 48 рисунков, 10 таблиц, 74 наименование цитированной литературы. Работа построена следующим образом:

Основные результаты работы:

1. Создано математическое и программое обеспечение, моделирующее работу детектора переходного излучения для условий эксперимента HERA-В - экспериментальное изучение СР нарушения в системе В-мезонов с использованием внутренней мишени на протонном накопительном кольце HERA. Впервые выполнен анализ и оптимизация детектора переходного излучения на основе современной многослойной структуры детектора переходного излучения эксперимента HERA-В.

2. Получены результаты исследования возможности использования детектора переходного излучения в триггере первого уровня эксперимента HERA-B и в качестве трекового детектора в области максимальхой множественности вторичных частиц.

3. Разработаны алгоритмы обработки сигналов и реконструкции событий детектора переходного излучения эксперимента IIER А-В в рамках полного спектрометра для анализа каналов чувствительных к СР- нарушению.

4. Получены экспериментальные результаты исследования прототипа детектора переходного излучения эксперимента HERA-В на пучке електронов ускорителя DESY II, позволившие сделать выбор структуры и высокоэффективного радиатора переходного излучения.

5. Проведены експериментальные исследования возможности работы детектора переходного излучения на протонном накопительном кольце HERA в реальных условиях эксперимента HERA-В. Детектор показал себя как надежный прибор, работающий в стабильном режиме длительное время в реальных условиях эксперимента HERA-B. Произведена проверка соответствия Монте Карло моделирования прототипа детектора переходного излучения и экспериментальных данных. Основные результаты Монте Карло анализа позволяют оценить имеющиеся экспериментальные результаты с погрешностью не более 10 % в условиях полного моделирования эксперимента HERA-В.

В заключение я хочу выразить искреннюю благодарность В.Савелье! под руководством которого я сделал первые шаги в области экспериментальной физики высоких энергий. Я очень благодарен ему за плодотворные дискуссии, постоянное внимание и создание атмосферы творчества, в которых мог возникнуть этот труд, а также за ту выдержку и терпение, которое он проявил при работе со мной.

Мне приятно поблагодарить профессора Б.А.Долгошеина за обсуждение работы и внимание, которое он оказывал во время получения данных результатов, а также за теплое отношение ко мне.

Я выражаю благодарность моим коллегам - В.А.Канцерову, A.M. Константинову, В.В.Сосновцеву, С.А.Семенову, С.В.Фурлетову п Ю. Шаманиной за многолетнюю совместную работу в области детекторов переходного излучения, за помощь в создании ДПИ HERA-В.

Я благодарен И.Л.Гавриленко и П.Л.Невскому за возможность использования их опыта в области моделирования физических процессов в газовых детекторах и переходного излучения.

Особую благодарность и искреннюю признательность я хочу выразить моим друзьям и коллегам из института теоретической и экспериментальной физики (ИТЭФ): С.Я.Барсуку, И.М.Беляеву, профессору А.И.Голутвину, профессору Ю.М.Зайцеву, О.Б.Игонькиной, Р.В.Кагану, Ф.Д.Ратникову, С.В.Семенову, М.П.Титову за обсуждение результатов, поддержку в трудные, критические минуты и за теплоту, которой они меня окружали в период нашей совместной работы.

Мне очень приятно поблагодарить коллектив коллаборации НЕЫА-В за предоставленную возможность участвовать в эксперименте и обработке данных, полученных на детекторе.

Я благодарен профессору В.Н.Беляеву и академику А.Н.Скринскому за создание на кафедре условий, необходимых для научной работы.

Ссылки

1] I.I.Y.Bigi et all., in C.Jarlskog (ed.): CP violation: Advaced Series on Directions in High Energy Physics, Vol. 3, World Scientific, Singapore, 1989.

2] M.Gronau : CP violation in the standart model: the В mezon system, TECHNION-PH-93-36, Oct 1993. 19pp. Invited talk at the Workshop on В Physics at Hadron Accelerators, Snowmass, CO, 21 Jun - 2 Jul 1993 and at 5th International Symposium on Heavy Flavor Physics, Montreal, Canada, 6-10 Jul 1993.

3] H.Albrecht et al., An Experiment to Study CP Violation in the В System Using an Internal Target at the HERA Proton Ring, Letter of Intent, DESY-PRC 92/04 (1992).

4] А. Д. Сахаров,ЖЭТФ, 6 (1967) 21.

5] A.Pich, Proceeding of the XXIII International Meeting on Fundamental Physics. Comillas, May 1995, ed. T.Rodrigo and A.Ruiz

6] A.B.Carter and A.I.Sanda, Phys. Rev. D23 (1981) 1567.

7] I.I.Bigi and A.I.Sanda, Nucl. Phys. B193 (1981) 85.

8] N.Cabibbo , Phys. Rev. Lett, 10 (1963) 531.

9] F.J.Gilman and M.B.Wise, Phys. Rev. D27 (1983) 1128.

10] A.J.Buras et al., Nucl. Phys. B238 (1984) 529.

11] T.Inami and C.S.Lim, Prog. Theor. Phys. 65 (1981) 297.

12] R.M.Barnett et al. (Particle Data Group), Phys. Rev. D54 (1996) 1.

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

14] M.Neubert, Proceeding of the 17th International Conference on Lep-ton Photon Interactions, Beijing, August 1995.

15] P.Coyle, Proceeding of XI Topical Workshop on pp Collider Physics, Abano, May 1996.

16] C.T.Sachrajda, B-decay (2nd Edition) edt. S. Stone (Wold Scintific, Singapore, 1994).

17] R.Aleksan et al., Z. Phys C 54 (1992) 653.

18] I.Dunietz, Phys. Lett. B270 (1991) 75.

19] T.Nakada," Workshop on Kaon Physics",Orsay,May 1996

20] S.W.Herb et al., Phys. Rev. Lett. 39 (1977) 252.

21] K.Berklman, Proceeding of the III German-Russian Workshop on Heavy Quark Physics, Dubna, May 1996.

22] R.Forty, Proceeding of the XXIII International Meeting on Fundamental Physics, Comillas, May 1995, ed. T.Rodrigo and A.Ruiz

23] KEKB B-factory desing report, KEK, 1995.

24] M.K.Sullivan, Proceeding for International Workshop on B Physics, Nagoya, 1994, ed. A.I.Sanda and S.Suzuki.

25] T.Lohse et al., An Experiment to Study CP Violation in the B System Using an Internal Target at the HERA Proton Ring, Proposal, DESY-PRC 94/02 (1994).

26] W.Schmidt-Parzefall, Nucl.Instr.Methods A368 (1995) 124

27] G.Kramer and W.F.Palmer, Phys. Rev. D46 (1992) 3197.

28] F.Ukegawa, Proceeding of the 2nd International Conference on В Physics and CP Violation, Honolulu, March 1997

29] B.Grinstein, M.J.Savage and M.B.Wise, Nucl.Phys. B319 (1989) 271.

30] S.L.Glashow, J.Illiopoulos, L.Maiani, Phys. Rev. D2 (1970) 1285

31] И.И.Азимов,Н.Г.Уральцев, В.А.Хозе, ЯФ. Т.45 (1987) 1412.

32] A.Datta, E.A.Paschos, U.Tuerke Phys. Lett. B196 (1987) 376.

33] A.Ali and D.London, DESY 93-022 (1993)

34] Hartouni E. et. al., An Experiment to Study CP Violation in the В System Using an Internal Target at the HERA Proton Ring. Design Report, DESY-PRC 95/01; January 1995.

35] T. Hamacher, Nucl.Instr.Methods A368 (1995) 234

36] B.Dolgoshein, Nucl.Instr.Methods A368 (1995) 239

37] A.Golutvin, DESY, HERA-B 94-017

38] Yu.Zaytsev, DESY, HERA-B 94-033

39] В.Л.Гинзбург, И.М.Франк, ЖЭТФ 16 (1946) 15

40] G.M.Garibian, Zh. Eksp. Teor. Fiz. 33 (1957) 1043.

41] Г.М.Гарпбян, Л.А.Геворгян, Ян Ши, ЖЭТФ 66 (1974) 552

42] S.Paul, "Particle identification usihg transition radiation detectors', CERN/PPE 91-199

43] M.Castello, C.Favuzzi, N.Giglietto, E.Nappi, Comp. Phys. Comm. 51 (1988) 431

44] X.Artu, G.B.Yodh, G.Mennessier, Phys. Rev. D12 (1975) 1289.

45] Б.А.Долгошеин, Идентификация частиц высоких энергий с помощью переходного излучения. Москва, 1981.

46 [47 [48

49 [50 [51 [52

53 [54

55 [56 5

58 [59 [60

RD6 Collaboration, ATLAS note ID ET - # - 318 (1992).

ATLAS Letter of Intent CERN/LHCC/92-4 (1992).

M.L.Cherry, G.Hartmann, D.Muller, T.A.Prince, Phys. Rev. D10 (1974) 10.

B.Dolgoshein, Nucl. Instr. Methods À326 (1993) 434.

B.Dolgoshein, Nucl. Instr. Methods A252 (1986) 137.

B.Dolgoshein et al., Nucl.Instr. Methods. A294 (1990) 473.

А.Г.Хрпак, И.Г.Якубов. Электроны в плотных газах и плазме. М.:Наука, 1981

M.Benot et al., Nucl. Instr. Methods A105 (1972) 431.

M.Sheaff, Workshop on В Physics at Hadron Accelerators, Snow-mass, Colorado, June 1993

GEANT3.21, Detector description and simulation tool, CERN

V.Saveliev, Proceeding of the International Conference on Computing in High-energy Physics (CHEP 95). Rio de Janeiro, Sept. 1995.

V.Saveliev, Proceeding of the International Conference on Computing in High-energy Physics (CHEP 97). Berlin, Apr 1997.

Y.Ducros et al., Nucl. Instr. Methods A277 (1989) 401.

V.Ermilova et al., Nucl. Instr. Methods A145 (1977) 555

PYTHIA 5.7 and JETSET7.4, Physics and Manual, CERN-TH.7112/93

61] D.Ressing et al., HERA-B Note 97-017.

62] Kalman R.E. A New Approach to Liner Filtering and Prediction Problems. Trans ASME. J.Basic Engineering series D. Vol.82 (1960) 33

63 [64 [65 [66 [67

68 [69 [70

71 [72

73 [74

P.Billoir ,Nucl. Instr. Methods A225 (1984) 352

P.Weyers et al., HERA-B Note 97-110.

B.Lewendel et al., HERA-B Note 97-196.

T. Akesson et al., Nucl.Instr.Methods A361 (1995) 440

H.Albrecht, S.Nowak ARTE.The event Reconstruction and Analysis Tool for HERA-B, DESY, January 1996

M.Millmore, RAL 118, September 1992

F.M.Newcomer et al., IEEE Trans. Nucl. Sei., 40 (1993) 630.

B.Bevensee et al., An Amplifier-Shaper-Discriminator with Baseline Restoration for the ATLAS Transition Radiation Tracker, University of Pennsylvania, Philadelphia, PA 19104

B.Dolgoshein et al., Nucl.Instr.Methods A294 (1990) 473

В.С.Асосков и др. Ионизационные эффекты в реальных детекторах релятивистских заряженных частиц. Труды ФИАН 140 (1982) 3

Т. Akesson et al., Nucl.Instr.Methods A367 (1995) 143 Т. Akesson et al., Nucl.Instr.Methods A372 (1996) 70

Заключение.