Методы построения и реализации систем отбора событий по характерным параметрам пар частиц в конечном состоянии в экспериментах в ГэВ-ной области энергий тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

0030В432В

[дшшшшв

.».„Пи.

ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

1-2007-44 На правах рукописи УДК 539 1 07 + 539 17

КУЛИКОВ Анатолий Владимирович

МЕТОДЫ ПОСТРОЕНИЯ И РЕАЛИЗАЦИИ СИСТЕМ ОТБОРА СОБЫТИЙ ПО ХАРАКТЕРНЫМ ПАРАМЕТРАМ

ПАР ЧАСТИЦ В КОНЕЧНОМ СОСТОЯНИИ В ЭКСПЕРИМЕНТАХ В ГэВ-НОЙ ОБЛАСТИ ЭНЕРГИЙ

Специальность 01 04.01 —приборы и методы экспериментальной физики

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

0 2 АВГ 2007

Дубна 2007

003064328

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

Официальные оппоненты

доктор физико-математических наук, профессор

Будагов Юлиан Арамович

доктор физико-математических наук, профессор

Нурушев Сандибек Байтемирович

доктор физико-математических наук, профессор

Смирнова Лидия Николаевна

Ведущая организация

Институт теоретической и экспериментальной физики им А И Алиханова

Защита диссертации состоится "___" 2007 года в___часов

на заседании диссертационного совета Д 720 001 03 в Объединенном институте ядерных исследований, 141980, г Дубна, Московская область, Россия

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОИЯИ Автореферат разослан " __ 2007 года

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук, профессор

Ю А Б ату со в

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

При проведении экспериментальных исследований в области физики частиц и атомного ядра необходимо оптимальным образом организовать взаимодействие всех компонент экспериментальной установки детекторов, триггерной системы и аппаратуры сбора данных Все эти системы должны работать согласованно, обеспечивая высокую скорость приема данных при максимальной эффективности регистрации событий изучаемой реакции

Задачей триггерной системы в любом эксперименте на ускорителе является выделение событий исследуемого процесса из большого потока информации с детекторов и управление системой сбора данных, которая осуществляет передачу и накопление отобранной полезной информации При изучении редких процессов создание высококачественной системы отбора событий становится особенно актуальным в условиях, когда общая частота взаимодействий на много порядков величины превосходит скорость генерации событий исследуемой реакции, необходимо максимальным образом подавить регистрацию всех процессов, не связанных с поставленной физической задачей

Многие исследования фундаментальной важности проводятся на установках среднего масштаба, характерных для промежуточных энергий и нижнего сегмента области высоких энергий (до ~20 ГэВ) Триггерные системы таких экспериментов (к которым относятся все рассматриваемые в данной диссертации) имеют ряд особенностей, отчасти связанных с ограниченными доступными ресурсами, как материальными, так и по числу участников работ Продуманное использование критериев оценки событий и применение многоуровневого отбора с помощью аппаратных процессоров позволяют, тем не менее, и в этих экспериментах создавать эффективные триггерные системы Важным фактором при их построении является также умелое использование коммерчески доступной электроники, позволяющее сократить сроки создания аппаратуры и объем новых электронных разработок

Диссертация посвящена вопросам создания триггерных систем трех экспериментов ДИРАК в ЦЕРН, ANKE в Исследовательском центре Юлих и PAX в GSI Физические цели этих экспериментов заметно различаются, однако в отношении отбора событий они имеют общую черту б конечном состоянии регистрируются две частицы с характерными для изучаемого процесса параметрами Разработка методов использования таких отличительных свойств при отборе событий позволяет создавать триггер-

ные системы, обеспечивающие существенное подавление фоновых запусков при высокой эффективности регистрации полезных событий

Цель работы

К началу настоящей работы триггерных систем для экспериментов ДИРАК и ANKE не существовало, а сами установки находились в стадии проектирования Для проекта PAX не имелось каких-либо оценок триггерных возможностей Целью работы являлось

1 Разрабоака и создание многоуровневого триггера установки ДИРАК в ЦЕРН для отбора пар частиц с малым относительным импульсом с целью измерения времени жизни атома, состоящего из положительного и отрицательного 7г-мезонов

2 Разработка и реализация логики считывания информации, оптимизированной для уменьшения мертвого времени

3 Разработка и создание триггерной системы переднего детектора установки ANKE на ускорителе COSY для изучения развала дейтрона протонами pd —> (рр)п, однопионного рождения рр —> (рр)тг0 и других процессов

4 Исследование возможных способов построения триггерной системы для планируемого эксперимента PAX в GSI в области спиновой физики высоких энергий

Научная новизна работы

Разработаны и реализованы методы построения триггерных систем для изучения процессов, сопровождающихся испусканием пар частиц, и с их применением получены новые физические результаты, в том числе

в эксперименте ДИРАК в ЦЕРН-

• Создана многоуровневая триггерная система, впервые выполняющая отбор пар частиц с малыми относительными импульсами Система является полностью компьютерно-управляемой и не требует ручных операций

• Разработаны и реализованы многоступенчатые процедуры контроля за качеством работы триггерной системы

• Разработана и реализована логика счшываиия данных, позволяющая, nyie\i оптимального взаимодействия с тршгерной системой и с учетом временной структуры пучка ускорителя, сократить мертвое время

• Разработан новый метод измерения потерь из-за мерiвот времени аппаратуры с учетом всех его возможных исючников

• С применением созданной триггерной системы впервые измерено время жизни 7г+7г~ атомов

в экспериментах па установке ANKE на ускорителе COSY (Юлих).

• Создана триггерпая система переднего детектора, позволившая выполнить большинство экспериментов на ANKE, в частности, впервые измерить сечения процессов с образованием протонной пары в ISo состоянии развала дейтронов протонами pd —> (рр)3п в коллипеарной кинематике при 0,6-1,9 ГэВ и однопнонного рождения рр —> (pp)s^° при 0,8 ГэВ, а также исследовать околопороговое рождение г/ и и>-мезонов и другие процессы

• Разработан и реализован топологически-независимый трш 1 ерный отбор пар частиц в переднем детекторе, позволивший существенно уменьшить мертвое время и повысить скорость набора полезных событий

в проекте PAX для GSI

• Впервые проведен анализ особенностей установки PAX с точки зрения использования детекторов в триггерной системе

• Впервые предложена возможная архитектура триггерной системы Научно-практическая значимость работы

Система многоуровневого триггера для эксперимента ДИРАК обеспечила успешное проведение исследований пионных атомов, в которых было измерено их время жизни, и послужит основой для второю этапа эксперимента, па котором будут изучаться также и ттК атомы Разработанные процедуры контроля за качеством работы триггерной системы, меюды создания полностью компьютерно-управляемой системы отбора событий в реальном времени, методы измерения потерь из-за мертвого времени,

эффективная организация совместной работы аппаратуры сбора данных и многоуровневого триггера, позволяющая сократить мертвое время установки, могут быть полезны при проектировании других экспериментов

Триггерная система переднего детектора ANKE позволила провести эксперименты по изучению развала дейтрона протонами pd —> (рр)п с большой передачей импульса протонной паре, исследовать одпогшошюе рождение рр —> (рр)тт°, а также обеспечила получение физических результатов и во многих других экспериментах на ANKE Аппаратура и логика топологически-независимого двухчастичного триггера могут найти применение на других установках, в которых используются годоскогшческие детекторы

Впервые рассмотрены вопросы, касающиеся создания триггерной системы для эксперимента PAX, предложенного для исследовании с поляризованными антипротонами на новом ускорительном комплексе GSI Этот анализ закладывает основу для создания в дальнейшем триггерной системы эксперимента PAX, многообещающего проекта в спиновой физике высоких энергий

Материалы исследований, выполненных по теме диссертации, используются автором в учебных курсах, читаемых студентам МФТИ и Учебного центра ОИЯИ

Автор защищает

1 Результаты работ по созданию многоуровневого триггера установки ДИРАК с отбором событий, основанном на величине относительного импульса частиц пары

2 Методы, разработанные для компьютерного управления триггерной системой с исключением ручных операций

3 Методы полного контроля за качеством работы триггерной системы, реализованные в эксперименте ДИРАК

4 Решения, реализованные для оптимального взаимодействия триггерной системы с системой сбора данных, и методы измерения потерь из-за мертвого времени

5 Результаты работ по созданию триггерной системы переднего детектора установки ANKE, включая разработку топологически-независимого отбора пар часхиц

6 Предложенную архитектуру триггера для планируемого эксперимента PAX

Апробация работы и публикации

Результаты работ, на которых основана диссертация, докладывались автором на семинарах Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ, Института ядерной физики Исследовательского центра Юлих, рабочих совещаниях коллабораций ДИРАК, ANKE, PAX, международной конференции по ядерной физике на накопительных кольцах STORI05 (Бонн, 2005), международном совещании по спиновой физике адронов (Тбилиси, 2006), а также были представлены на ряде других международных конференций (STORI02, У писала, 2002, HadAtom03, Тренто, 2003, HadAtom05, Берн, 2005, HADRON05, Рио де Жанейро, 2005, ICHEP2006, Москва, 200G)

Основные результаты диссертации опубликованы в российских и зарубежных журналах [1,3-5,8,10,14,16,18-20,22,24,26], материалах конференций [25,27], а также в виде препринтов ОИЯИ [17,23] и других изданий [2,0,7,9,11-13,15,21]

Объем и структура работы

Диссертационная работа изложена на 164 страницах и состоит из введения, четырех глав и заключения, содержит 57 рисунков, 2 таблицы и список цитируемой литературы из 114 наименований

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении отмечена актуальность решаемой проблемы и изложена структура диссертации

В первой главе обсуждаются общие требования к триггерным системам и методы их реализации [1]

Главными задачами, решаемыми системой отбора событий в любом эксперименте на ускорителе, являются г) подавление регистрации фоновых событий, не связанных с исследуемым процессом, и гг) эффективная регистрация событий исследуемой реакции Критерии отбраковки фоновых событий, заложенные в логику отбора, не должны заметно подавлять прием полезных событий

Кроме того, качество работы триггерной системы характеризуют и другие факторы быстрота принятия решения о записи либо отбраковке события, возможность гибкого изменения критериев отбора, возможность параллельного функционирования разных типов триггеров, простота эксплуатации, допускающая использование системы экспериментаторами, не

являющимися специалистами в области триггера или электроники

Для отбора событий в реальном времени в триггерных системах желательно использовать как можно больше характерных свойств исследуемого процесса Это достигается путем применения

- комбинаторной логики (схем, реализующих булевские функции И, НЕ, ИЛИ),

- идентификации продуктов реакции с помощью детекторов черепковского или переходного излучения, измерения времени пролета, ионизационных потерь,

- топологических критериев, в том числе множественности,

- энергетических критериев, включая полное энерговыделение и энерговыделение в отдельных сегментах детектора,

- кинематические соотношения между частицами, характерные для данной реакции

Архитектура триггера в значительной степени зависит от пропускной способности системы сбора данных, которая по аппаратным и программным причинам всегда лимитирована Применение триггера двух (или более) уровней позволяет уменьшить мертвое время На первом уровне производится быстрый отбор событий с помощью относительно несложных алгоритмов На следующий уровень отбора, требующий больше времени для анализа события, поступает уже меньший поток данных, прореженный на предыдущем уровне

В крупных экспериментальных установках при энергиях в сотни ГэВ и выше перерабатываются огромные потоки информации, например, на ЬНС ожидается до 100 Тбайт в секунду При этом на высших уровнях триггера, как правило, используются мощные вычислительные процессоры для отбора полезных событий

В экспериментах среднего масштаба потоки данных не сюль велики, однако все приведенные выше требования к трштерным системам остаются в силе Многоуровневый триггер здесь часто реализуехся на аппаратном уровне, без применения сложных вычислительных операций в реальном времени Часть электронной логики можег быть построена с использованием коммерчески производимых модулей

Во второй главе описываются системы многоуровневого триггера и сбора данных, создашгые для эксперимента ДИРАК на ускорителе РБ в ЦЕРН

Целью эксперимента ДИРАК [2] является измерение времени жиши агома (Лгтг), состоящего из 7Г+ и тг~ мезонов, которое позволяет определить модельно-независимым способом разность пион-пионных длин рассеяния

|<2о — 021 В б'-ВОЛНС

Пионные атомы рождаются при взаимодействии выведенного протонного пучка с тонкой пленочной мишенью При их дальнейшем движении в результате кулоновского взаимодействия с веществом той же мишени Лгтг может развалиться на пару свободных 7г+ и 7Г~ мезонов Такие пары обладают отличительным свойством - малым относительным импульсом С5 < ЗМэВ/с Эта характеристика и используется в качестве основного параметра, по которому производится отбор полезных событий на триг-герном уровне1

Рис 1 Схема спектрометра ДИРАК 1 - мишень, 2- MSGC, микрострипо-вые газовые камеры, 3- SFD, сцинтилляционный фиберный детектор, 4 ~ IH, сцинтилляционный годоскоп для измерения ионизационных потерь, 5 - магнит, 6- DC, дрейфовые камеры, 7 (8) - VH (НН), сцинтилляционные годоскопы с вертикальной (горизонтальной) ориентацией сцинтилляторов, 9- Ch, газовые черенковские счетчики, 10— PSh, годоскоп-преконвертор, И - Ми, мюонный детектор, 12 - поглотитель из железа Масштаб одно деление соответствует 1 м

Схема установки ДИРАК [3] показана на Рис 1 В пучке вторичных частиц до спектрометрического магнита установлены 4 плоскости микро-стриповых газовых камер MSGC, 3 плоскости сцинтилляционных фибер-ных детекторов SFD и 4 плоскости сцинтилляционных годоскопов IH После магнита имеются два идентичных плеча спектрометра, содержащие по 4 пакета дрейфовых камер DC, сцинтилляционные годоскопы VH и НН с вертикально и горизонтально ориентированными сцинтилляторами,

1Метод наблюдения пионных атомов предложен JI Л Неменовым, ЯФ, 41 (1985) 980

газовые черепковские счетчики Ch, ливневые счетчики PSh и мюонные детекторы Ми, состоящие из двух плоскостей сцинтилляционных счетчиков, расположенных за поглотителем из железа

При типичной интенсивности протонного пучка, равной 1010 протонов за сброс пучка (длительностью 400-500мс), одиночные счета детекторов составляли за сброс около 3 х 106 в детекторах до магнита и до 8 х 105 после магнита Триггерная логика должна была обеспечить снижение скорости поступления событий до уровня, приемлемого для системы сбора данных, который составлял около 2000 событий за сброс Пионные пары рождаются в мишени, главным образом, в свободном состоянии и имеют широкое распределение по относительному импульсу Q Триггерная система отбрасывала пары с Ql > ЗОМэВ/с или Qx > ЗМэВ/с или Qy > ЗМэВ/с, но в то же время обеспечивала высокую эффективность регистрации пар с компонентами Q ниже этих значений {Ql, Qx и Qy - продольная и две поперечные компоненты относительного импульса, соответственно ) Значение критерия отбраковки событий Qi > ЗОМэВ/с преднамеренно выбрано существенно большим, чем максимальное для А^ значение Ql = ЗМэВ/с для того, чтобы проследить за формой распределения по Q за пределами области физического сигнала

В установке ДИРАК реализован многоуровневый триггер [4] с использованием аппаратных процессоров В выработке триггера участвовали, на разных уровнях, все детекторы, за исключением MSGC и Ми

В течение нескольких лет проведения эксперимента схема триггера постоянно развивалась Можно выделить его две основные конфигурации

В первоначальной версии триггера использовалась схема, показанная на Рис 2, включающая, помимо триггера 1-го уровня Т1, триггерные процессоры Т2, ТЗ и DNA (DIRAC Neural Atomic trigger) Триггер T1 в совпадении с Т2 инициирует оцифровку данных в электронных модулях системы сбора данных (ADC, TDC, счетчики, регистры) На следующем уровне отбора используются триггерные процессоры ТЗ и DNA, накладывающие дополнительные ограничения на величину относительного импульса пары Быстрый предварительный триггер ТО служит для запуска процесса обработки события в подсистемах Т2 и DNA Положительные решения ТЗ и DNA объединяются по функции ИЛИ для повышения эффективности к полезным событиям В случае отрицательного решения в обоих процессорах ТЗ и DNA, производится быстрый сброс, и системы выработки триггера и сбора данных возвращаются в состояние готовности к приему нового события

В окончательной, основной версии триггерной системы, Рис 3, был внедрен процессор Т4, использующий информацию с дрейфовых камер,

Рис 2 Первоначальная версия многоуровневого триггера установки ДИРАК

а нейронный триггер DNA был расширен до версии DNA/RNA (Revised Neural Atomic trigger) с улучшенными характеристиками Это позволило существенно усилить избирательность триггера, а также повысить его эффективность к полезным событиям С внедрением Т4 и DNA/RNA триг-герная логика Т2 и ТЗ уже не обеспечивала вклада в избирательность и эффективность триггера и поэтому была исключена

Рис 3 Окончательная версия многоуровневого триггера установки ДИРАК

Триггер первого уровня Т1 Для выработки триггера первого уровня [5-7] используются сигналы со сцинтилляционных годоскопов УН и НН, черенковских счетчиков СЬ и ливневых счетчиков РЭЬ в каждом из плеч спектрометра, а также (в качестве опции) с годоскопа 1Н, расположенного до спектрометрического магнита Триггер первого уровня

1) организует совпадения сигналов с детекторов отдельно в каждом из плеч спектрометра,

2) классифицирует частицу в каждом плече как пион или электрон2,

2На триггерном уровне в класс "пионов" включаются также протоны, каоны и мю-оны

3) организует совпадения между двумя плечами спектрометра;

4) для пионных пар выполняет отбор по копланарности;

5) отбирает события ряда физических процессов, необходимых для калибровки установки.

Надежное разделение пионов и электронов на триггерном уровне про- J изводится с использованием газового черепковского счетчика С'Ь. Различ- 1 ное включение сигналов СЬ в логику отбора позволяет реализовать триггер с участием электронов либо, наоборот, с подавлением событий, в которых присутствуют электроны. Исследования прототипа черепковского счетчика [8] позволили создать детектор с эффективностью к электронам выше 99,5%.

Пионные нары подвергаются анализу на коп л ан ар ноеть с использованием сигналов горизонтальных годоскопов НН. Поскольку относительный [ импульс пионов от развала гш он но го атома не превышает ЗМэВ/с, вертикальная составляющая относительного импульса, также ограничена этим значением. Малые значения С}у соответствуют малым рас стоит- 1 ям Ау между пионами в левом и правом плечах спектрометра. Поэтому отбрасывание триггером событий с большими значениями Ау приводит лишь к подавлению фона, не затрагивая полезных событий. Величина Ау в событии оценивается по разности номеров и ^'нт сработавших

счетчиков годоскопов.

I

Рис. 4: Отбор по копланарности: распределение по разности номеров сработавших счетчиков в горизонтальных годоскопах НН1 и НН2. Сплошная линия - включен отбор AN < 2, штриховая линия - без отбора.

Отбор по копланарности выполняется в специально разработанном3 электронном модуле. Схема проверки копланарности осуществляет такой

3Разработка выполнена В.В.Карпухиным.

отбор за 15 нс и уменьшает количество триггеров и 2 раза. Па Рис, 4 показано распределение событий но величине разности \Num — Nhh2\ при включенном и выключенном отборе.

Предварительный триггер ТО. Для работы трштерпых процессоров Т2 и DNA/RNA необходим стартовый сигнал с возможно более короткой задержкой. Для этой цели формируется быстрый предварительный триггер ТО [9|, вырабатываемый простыми совпадениями сигналов VH и PSh в самом начале их электронной цепи.

Триггер Т2 - отбор по Ах. Триггер Т2 организован для отбора пар

частиц с малым расстоянием но горизонтальной координате х. D результате отбрасываются события с большими значениями компоненты Qx относительного импульса. Отбор производится по сигналам ионизационного годоскопа III и сцинтилляциошюго фиберного детектора SPD. Типичные значения относительного импульса пионов от развала /Ьд соответствуют в этой области расстояниям между частицами Да' < 9 мм.

Триггер Т2 включает три независимые моды, поясненные па Рнс, 5. В модах I и 2 используется информация с ионизационного годоскопа IH, а в моде 3 сцинтилляциошюго фиберного детектора SFD. Решения всех трех мод триггера Т2 объединяются по функции ИЛИ.

ГН 1Н SFD

1 2 3

Рис. 5: Различные моды триггера Т2. Для положительного решения требуется выполнение хотя бы одного из условий: 1 - двукратные ионизационные потери в одном счетчике первой плоскости IH и в сдвинутом на пол-шага соответствующем счетчике второй плоскости; S срабатывание двух соседних счетчиков в первой или второй плоскости 111; 3 - сигналы с двух фиберпых колонок в SFD, находящихся на расстоянии Ах < Эмм.

Возможности использования сцинтилляционных фиберпых детекторов для организации топологического триггера исследовались в ¡10]. Было показано, что применение многоанодных фотоумножителей и специального алгоритма электронной обработки сигналов позволяет сделать взаимное влияние каналов (cross-talk) несущественным и построить быстрый и эф-

фективный триггер. Детальное обсуждение использования ионизационного годоскфпа IH в триггере Т2, а также разработка блок-схемы электроники выполнены в ¡llj.

Коэффициент подавления запусков при применении триггера Т2 составляет около 1,4 по отношению к Т1. При этом эффективность регистрации событий с малыми Q составляет 90-95%.

Триггер ТЗ, Для дальнейшего подавления событий с большими знамениями относительного импульса пары используется триггерный процессор ТЗ, в котором производится анализ карты сработавших элементов в вертикальных годоскопах VH1, VH2 и в ионизационном годосконе Iii. Возможные методы реализации такого отбора были впервые рассмотрены в [12] Один из двух предложенных там способов впоследствии осуществлен на практике .

Если регистрируется пара частиц с малым знамением продольной составляющей относительного импульса {Ql < ЗОМэВ/с), го существует корреляция между номерами сметчиков, сработавших в VH1 и VH2: при попадании одной частицы в счетчик VH2¿ частица в другом плече может быть обнаружена лишь в ограниченной группе счетчиков VHl^-bVHU, см. Рис. 6. Избирательность алгоритма отбора становится намного лучше, если использовать также информацию об -координатах часгиц до входа в магнит, которую предоставляет годоскоп IH.

Рис. 6: Корреляция срабатываний вертикальных годоскопов VII1, VH2 и Ионизационного годоскопа III, используемая в логике отбора процессора ТЗ.

Логика отбора ТЗ организована на базе программируемого универсального логического модуля LeCroy 2366. Интегральная схема Xilinх этого модуля запрограммирована в соответствии с необходимым триггерпьш ал-

4М.Gallas. NIM, А482 (2003) 222.

горитмом Корреляционные карты допустимых срабатываний VH1, VH2 и IH были получены путем моделирования методом Монте-Карло и впоследствии проверены па экспериментальных данных

Коэффициент подавления числа триггеров схемой ТЗ при типичных условиях эксперимента составляет 2,0 по отношению к Т1 Эффективность ТЗ к парам с малыми относительными импульсами составляет 97%

Трш геры DNA и RNA Еще один быстрый процессор5 для отбора событий с малыми Q создан на базе нейронной сети Принцип отбора событий с малыми значениями относительного импульса близок к использованному в процессоре ТЗ, то есть заключается в учете корреляций срабатывания элементов детекторов в двух плечах спектрометра после магнита и в области до магнита Подсистема DNA использует сигналы с ионизационного годоскопа IH, вертикальных годоскопов VH и ливневых счетчиков PSh, в то время как в RNA вместо IH анализируются данные со сцинтил-ляционного фиберною детектора SFD

Нейронная сеть была тренирована на регистрацию пар частиц, удовлетворяющих критериям отбора по малой величине относительного импульса пары Обучение системы производилось с помощью событий, построенных путем моделирования по методу Монте-Карло В дальнейшем парамегры алгоритма отбора и характеристики DNA/RNA в целом бы пи проверены на экспериментальных данных

Аппаратура DNA/RNA начинает обработку события с приходом предварительного триггера ТО и выдает решение через фиксированное время, равное 250 нс Коэффициент подавления фона составляет 1,9-2,0, эффективность к событиям с малыми Q равна 99%

Триггер Т4 - отбор событий с использованием информации с дрейфовых камер Триггер Т4 является завершающим уровнем отбора В нем восстанавливаются прямолинейные треки в Х-проекции и анализируются их параметры по отношению к относительному импульсу двух частиц Процессор Т4 работает только с номерами проволок, времена дрейфа в триггере не используются6

Процессор Т4 состоит из двух частей распознавателей треков и анализатора треков Принцип действия Т4 иллюстрируется на Рис 7

Распознаватель треков производит поиск сработавших проволок в пределах коридора заданной ширины с использованием опорных плоскостей Если трек найден, ему приписывается уникальное значение "идентификатора трека" Если хотя бы по одному треку найдено в обоих плечах спектрометра, к работе приступает анализатор треков

5Р Kokkas et al NIM, A471 (2001) 358

6Электро1шка T4 разработана В В Карпухиным

проволок

Рис. 7: Схема прохождения данных и триггерном процессоре дрейфовых камер Т4. Х\{Х2), - опорные плоскости.

В анализатор треков поступают все найденные в данном событии идентификаторы треков, и среди них производится поиск пары, удовлетворяющей критериям С^ь < ЗОМэВ/с и < ЗМэВ/с. В память процессора занесены необходимые для этого данные, полученные путем моделирования методом Монте-Карло с использованием точной геометрии установки. Как и в случае других триггерных процессоров, результаты моделирования проверялись на экспериментальной информации перед включением Т4 в качестве активного триггера.

Время решения в процессоре Т4 зависит от сложности события и составляет в среднем 3,5 мкс. Триггер Т4 уменьшает поток событий в 5 раз по отношению к Т1 или в 2,5 раза но отношению к ОН А/1ША. При этом эффективность к событиям в области малых превышает 99%.

В окончательной версии полного триггера (Рис. 3) скорость счета составляла около 700 за сброс, что вполне соответствовало возможностям системы сбора данных, позволявшей принимать до 2000 событий.

Качество работы триггерной Системы можно иллюстрировать распределениями по относительному импульсу и эффективностью регистрации событий с малыми у. На Рис. 8 показано распределение событий но относительному импульсу после прохождения отдельных ступеней триггерно-го отбора. Видно, как но мере ужесточения отбора происходит обрезание событий с большими На Рис.9 отображена зависимость от С? эффек-

тивности регистрации событий различными триггерами. Высокая эффективность при малых Q очевидна и тстэвмяст 98% ири Q < 22 МэВ/с.

i JSMO

I

i

JKW

1ООЭ0 ЫЯС

Рис. 8: Распределение rio относительному импульсу Q для событий, прошедших различные уровни триггера.

Вспомогательные триггеры. Помимо основного триггера, служащего

для набора тт+7г_ пар от развалапионных атомов, организован ряд вспомогательных триггеров, служащих для регистрации событий других физических процессов, а также для калибровки и проверки функционирования аппаратуры. Эти триггеры могут работать параллельно с основным, либо применяться отдельно.

Различные вспомогательные триггеры осуществляют:

1) регистрацию е+с.'~ пар (для временных калибровок и коррекции долговременного дрейфа аппаратуры);

2) выделение распадов А —> + (для точной юстировки координатных детекторов по положению восстановленной массы Л-гнперона);

3) выделение распадов К —> ~±я+тг~;

4) регистрацию событий с образованием двух пар е+е~~ (13];

5) регистрацию 7r4"7r~ пар без наложения условия коплайарноСТи|

6) измерение пьедесталов ADC;

7) проверку работы систем выработки триггера и сбора данных от генератора, имитирующего реальные события;

8) прием данных с использованием простейшего триггера (minimum bias bigger) для проверки работы триггерной системы, главным образом, на низших уровнях Т1 и ТО.

Ш (ОЧАог RNAjevfni»

4 Г 4 eventi

t Г* ontf (ОНА or RfiA) eviftli

Рис, 9: Эффективность регистрации пар на разных триггерных уровнях как функция С), Слева во всем диапазоне, справа в области малых А

Управление триггерной системой и контроль за ее работой. Управление триггерной системой и системой сбора данных полностью выполняется [14j с помощью компьютера. При этом исключены любые ручные операции, которые могли бы потребоваться для изменения триггерных условий (переключение кабелей, тумблеров и т.п.). Это позволило упростить управление и значительно уменьшить вероятность ошибок экспериментаторов при проведении длительных круглосуточных измерений. Состояние всех электронных блоков задастся триггерным файлом, который описывает конфигурацию триггерной логики и front-end электроники. При загрузке файла в начале цикла измерений задаются значения порогов дискриминации, задержек, ширины сигналов, активируются нужные процессоры, выбираются типы вспомогательных триггеров и коэффициенты деления частоты для них и т.д.

Основная часть электронной аппаратуры эксперимента ДИРАК изготовлена в стандартах КЛМАК и VME. Наряду с этим применяются также и модули а стандарте NIM, который не предусматривает связи с компьютером и обычно может использоваться только с ручным управлением. Чтобы осуществить полностью компьютерное управление, те из блоков NIM, состояние которых должно изменяться при разных триггерных условиях, включены в электронную логику специальным образом, с использованием выходных регистров в стандарте КАМАК. Это позволило реализовать управление от Компьютера также и для электроники ь стандарте NIM,

Качество работы триггериой системы постоянно контролировалась, поскольку ошибки при отборе событий могут приводить к потере данных или к регистрации их смещенной выборки Такой контроль осуществлялся [14] как в реальном времени, так и путем off-lme экспресс-анализа данных, получаемых при периодических специальных измерениях, и включал в проверку конфигурации электроники и работоспособности электронных модулей при загрузке триггерного файла,

• автоматическое тестирование процессора дрейфовых камер при начале каждого набора данных,

• контроль скорости счета всех типов триггеров на всех триггерных уровнях,

• контроль гистограмм в реальном времени,

• проверку качества работы процессоров при off-line экспресс-анализе,

• эпизодическое использование minimum, bias триггера,

• проверку без пучка с использованием генератора,

• возможность получения сведений (из записанных данных) о параметрах электронной аппаратуры в любом прошедшем цикле измерений

Для облегчения эксплуатации аппаратуры и диагностики неисправностей была разработана унифицированная техническая документация [15], детально описывающая конфигурацию всей электроники эксперимента

Система сбора данных Система сбора данных [16] организована с учетом временной структуры пучка ускорителя PS в ЦЕРН В течение суперцикла ускорителя (длительностью 15-20 с) на установку ДИРАК производится от 1 до 5 сбросов пучка с интервалом между сбросами не менее 1 с Чтобы уменьшить мертвое время при приеме данных, во время сброса пучка происходит только передача отобранных триггерной системой событий в буферные памяти, а считывание их содержимого в VME процессор, построение событий и другие относительно медленные компьютерные операции выполняются в промежутках между сбросами пучка

Архитектура аппаратуры системы сбора данных показана па Рис 10 Источники данных сгруппированы в ветви таким образом, чтобы в каждой из них получить приблизительно равные размеры под-событий Всего имеется 12 ветвей считывания четыре для микростриповых газовых камер MSGC, три для дрейфовых камер DC и пять ветвей FERA для всех остальных детекторов Каждая ветвь подключена к отдельной буферной памяти в VME крейтах

Во время сброса пучка все ветви передают в буферные памяти информацию параллельно со скоростью около 10 МГц под управлением созданной системы синхронизации считывания (ССС) ССС вырабатывает

сигнал, по которому начинается передача даных, и затем ожидает, когда передача закончится во всех ветвях Получив индивидуальные сигналы окончания считывания от каждой ветви, ССС очищает все регистры данных и затем, после охранной паузы, снимает блокирующий сигнал, тем самым разрешая прием нового события

Clear ■

NT -

detector mounted electronics

"О es го

тз тэ тэ "О

"О о Х> я <э « •а

я "g -С х> я -С

ш Ш Ш W

о ? S

S > > Р> >

о 1 и и и и

g О О О О

<S) un

cu p¿ s s s 5

buffer memories are incorporated in the modules

tti

S >

DC block FbRA block buffer memories

ТЗ

43 О -С »N

о О с О о а о ON о г- о n'- о г- о о г« о Ov TJ >

g 0- I х> с c¿ о и 3 о и л со в en ш и [Л L2- о сл ш и и ш и и 3 с « ш с и

Рис 10 Архитектура аппаратуры сбора данных эксперимента ДИРАК

Логика считывания организована таким образом, чтобы минимизировать мертвое время, возникающее при анализе событий процессорами и при передаче данных в буферные накопители При отрицательных решениях триггерных процессоров вырабатывается сигнал быстрого сброса Для оптимальной настройки управляющих сигналов Gate и Clear применительно к разным детекторным группам была организована [17] работа системы FERA с использованием множественных сигналов запуска и очистки, что позволило уменьшить "подхват" случайных сигналов при измерении амплитудных спектров и уменьшить мертвое время

Мертвое время В эксперименте ДИРАК вклад в мертвое время дают front-end электроника, триггерные процессоры и система сбора данных Помимо этих "прямых" потерь во время набора информации, мертвое

время в каналаМ детекторов может сказаться также и при off-line анализе данных

В [18] рассмотрены все источники потерь из-за мертвого времени и описана разработанная процедура их измерения. Во время сброса пучка к сигналам с детекторов подмешиваются тестовые сигналы, относительны! задержки которых в разных каналах подобраны такими же, как у реальных событий. Поэтому, если тестовый сигнал генерирован не в мертвое время, он вызывает триггер. Сравнение числа генерированных тестовых событий с числом принятых и записанных системой сбора данных позволяет определить потери с учетом всех источников мертвого времени.

4M

(а) для ьсех принятых событий (т.е. как от пучка, так и от тестовых сигналов). Вблизи канала 645 - ник от тестовых сигналов

(b) событий с меткой тестового сигнала, отобранных из того же массива данных

Рис. II: Временные спектры с тестовыми сигналами в канале вертикального годоскопа VH2.

Более полный анализ мертвого времени, включая также и его роль на этапе off-line обработки, можно провести при анализе временных спектров. Поскольку тестовые сигналы подмешиваются к сигналам ФЭУ в самом начале электронного канала, они распространяются по всему электронному тракту и, в частности, регистрируются в TDC соответствующих детекторов наряду с сигналами ФЭУ. Тестовый сигнал должен присутствовать в TDC-спектрах всех детекторов, а его временное положение не должно выходить за пределы, допускаемые при off-line обработке. Для иллюстрации на Рис, 11(a) показан временной спектр для всех событий, зарегистрированных в канале годоскопа VH2. Узкий пик от тестовых сиг-налои ясно выделяется на фоне широкого распределения от частиц, детектированных в истинных (в районе канала 600) и случайных совпадениях. Па Рис. 11(b) видно, как меняется спектр, если из того же массива данных отобрать только события с меткой тестового сигнала.

Потери статистики из-за мертвого времени в течение эксперимента составляли 30-35%

Физические результаты С использованием созданных систем выработки триггера и сбора данных получен значительный экспериментальный материал На основании анализа около 40% накопленных данных опубликованы первые физические результаты В [19] показано выделение сигнала от 7Г+7Г~ атомов с большой статистикой 6500 событий) В результате последующей обработки того же массива информации было впервые измерено [20] время жизни пионных атомов

т= [2 91 ±8ii] X Ю-15 С,

в пределах ошибок совпадающее с теоретическим значением и, как следствие, новым модельно-независимым способом определена разность пионных длин рассеяния

|«о — «21 = 0, 264+°;020 гп~х

Базовые принципы триггерной системы эксперимента ДИРАК будут использованы на новом этапе исследований, который включает регистрацию 7ГК атомов и измерение их времени жизни, а также позволит увеличить статистику 7Г7Г атомов Необходимая для этого модификация триггерной системы описана в [21] и включает изменения во front-end электронике и триггерной логике, что вместе с новой аппаратурой считывания обеспечит более высокую скорость приема данных

В третьей главе описывается триггер установки ANKE в целом и разработанная триггерная система переднего детектора Установка ANKE располагается на внутреннем пучке ускорителя COSY в Юлихе (Германия) и служит для проведения исследований в области адронной физики при импульсах пучка до 3,7ГэВ/с

На ANKE проводится широкая программа исследований, связанных с рождением мезонов и динамикой NN взаимодействия Ряд исследуемых процессов включает образование протонной пары в конечном состоянии реакции Если отобрать только пары с малой относительной энергией, то в таких дипрогонах доминирует lSo состояние Изучение процессов, содержащих в конечном состоянии ^о протонную пару, представляет значительный интерес, поскольку, согласно существующим теоретическим представлениям, ожидается качественное изменение в наблюдаемых характеристиках, связанное с поведением NN взаимодействия на малых расстояниях

В состав установки ANKE [22], Рис 12, входит триплет магнитов D1-

D3, мишень, расположенная между D1 и Е)2, и несколько детекторных групп: боковые детекторы Для положительных и отрицательных частиц, передний и задний детекторы, а также спектаторный детектор вблизи мишени для регистрации медленных частиц.

Боковой детектор положительных частиц включает в себя годоскоп TOF-Start сцгштилляциоппых счетчиков, пропорциональные камеры MWPC1,2 и телескопы счетчиков, расположенных на фокальной поверхности D2. Телескопы вырабатывают сигналы Stop для врем япролотпой системы, а также используются для измерения ионизационных потерь. Аналогичный набор детекторов (с другим количеством элементов) имеется в боковом отрицательном плече.

COSY beam

II Side wall

Range telescopes

with TOF-slop, ЛЕ, ...

%

jj counters

Negative particle deteclors

Forward detectors: 3 MWPC, scintillation hodoscope, Cherenkov counters

Backward detectors: 6 drift chambers, scintillation hodoscope

Negalive side detectors: 2 MWPC, scintillation hodoscopes, Cherenkov counters

Spectator detector: telescope of 3 silicon detectors

Positive side detectors; 2 MWPC, scintillation hodoscope, counter telescopes

Рис. 12: Схема экспериментальной установки ANKE.

Передний и задний детекторы разработаны и изготовлены в ОИЯИ. Передний детектор7 служит для регистрации быстрых фрагментов, вылетающих из мишени под малыми углами (< 10°) и покидающих вакуумную камеру D2 через переднее тонкое окно. Он состоит из трех пакетов

7 B.Chi! adze, A.Kulikov et al. Particles arid Nuclei, Letters, 4(113] (2002) 95, S.Dymov, A.Kulikov et al Particles and Nuclei, Letters, 2(119] (2004) 40.

пропорциональных камер, сцинтилляционного годоскопа и черенковских счетчиков, использующих полное внутреннее отражение Задний детектор регистрирует частицы, вылетевшие из мишени назад под углами, близкими к 180° в лабораторной системе, покидающими вакуумную камеру через тонкое боковое окно D1, и включает три пакета дрейфовых камер и сцип-тилляционный годоскоп

Спектаторный детектор представляет собой телескоп из трех кремниевых полупроводниковых детекторов и служит для идентификации медленных протонов и дейтронов с энергиями менее 40 МэВ

Триггер установки ANKE имеет одноуровневую конфигурацию, что связано со свойствами системы сбора данных, используемой в экспериментах на COSY В зависимости от исследуемого физического процесса, в измерениях участвует та или иная комбинация детекторных групп В каждой группе детекторов вырабатывается свой индивидуальный триг-герный сигнал Система сбора данных запускается либо непосредственно таким сигналом, либо результатом совпадения триггерных сигналов разных групп

Телескопы бокового детектора положительных частиц расположены на фокальной поверхности магнита D2, поэтому в каждый из них попадают частицы с примерно одинаковыми импульсами и, следовательно, при разных массах с разными скоростями Это позволило организовать триггер (ГО^-триггер)8 на определенный тип частицы, основанный на измерении времени пролета между годоскопом TOF-Start и телескопами В боковом детекторе отрицательных частиц триггерная логика ограничена использованием коммерческих схем совпадений NIM

Для выработки триггера в передней и задней детекторных группах используются сигналы с соответствующих сцинтилляционных годоскопов Триггерная аппаратура переднего и заднего детекторов [23] изготовлена в стандарте КАМАК и управляется от компьютера В переднем детекторе, использующемся в большинстве экспериментов на ANKE, предусмотрены варианты выработки триггера либо от одиночной частицы, пересекающей плоскости годоскопа, либо от пар частиц В заднем детекторе применяется только одночастичный триггер

Схема переднего и заднего годоскопов и их расположение в установке показаны на Рис 13 Передний годоскоп состоит из двух плоскостей, А и В, с 8 и 9 счетчиками, соответственно, сдвинутых на половину ширины счетчика Задний годоскоп включает плоскости А и В, каждая по 8 счетчиков, и, в качестве опции, Veto-плоскость из 3 счетчиков, расположенную за клинообразным железным поглотителем

8Разработка TOF-триггера (VME) выполнена Р Шляйхертом (IKP, Юлих)

Backward hodoscope

Forward hodoscope

A S

Velo

I I - ----

stopper

Рис. 13: Схема переднего и заднего годоскопов ANKE и их расположение в установке,

Поскольку в переднем детекторе счетчики в двух плоскостях годоско-па сдвинуты между собой, электронная логика одно частичного триггера конструируется из "мини-башен" 71, каждую из которых можно логически описать как совпадение Т, = А; • (Б1 + Bt+i). Полный триггерный сигнал переднего годоскопа формируется как логическое ИЛИ восьми секций Т\ -7-7s. С помощью команд по шине КАМАК можно активировать любую комбинацию минибашен Т,

Потоки частиц через задний детектор малы (обычно менее 1000с-1), поэтому для детектирования в нем событий требуется простое совпадение сигналов в любом счетчике плоскости А и любом счетчике плоскости В. С помощью команд КАМАК в аппаратуре одиочастичного триггера можно активировать триггер только от переднего детектора, только от заднего, либо от их совпадений.

Для выделения процессов с попаданием в передний детектор двух частиц был разработан более жесткий триггер [23|. Использование для этого обычной мажоритарной логики неэффективно, поскольку велика вероятность попадания обеих частиц в один и тот же счетчик годоскопа, в особенности для пар с малой относительной энергией. Поэтому в созданной триггерной аппаратуре отбор пар заряженных частиц производится независимо от топологии события, то есть как для частиц, попавших в разные счетчики годоскопа, так и в один и тот же счетчик. Чтобы различить прохождение одной Или двух частиц через сцинтиллятор, используется

информация об амплитудах сигналов

Триггсрная система па две частицы выполнена в стандарте КАМАК и состоит из двух блоков интегратора-дискриминатора и блока логического отбора В интеграторе-дискриминаторе производится зарядовая дискриминация суммарного сигнала с двух фотоумнологгелей, просматривающих сцинтиллятор с противоположных концов, н на выходе формируются логические сигналы, информирующие о превышении порога однократной или двойной ионизации в каждом счетчике Блок логического отбора анализирует комбинации этих сигналов и в результате может генерировать триггерный сигнал

На Рис 14 показаны все возможные варианты прохождения частиц через счетчики годоскопа В блоке логического отбора реализовано построение логических функций, соответствующих всем вариантам топологии события Любую из них или любую их комбинацию можно активировать с помощью команд КАМАК

,1,1,1,1 I , I 71 , АЗ(1)*[В5(1)+ВЗ(1+1)]

'+4 ^ I

Г. I 1 1 I I I

-о с ' 1+1

А5(0*[В8(0+В8(1+1)]* *А50ЛВ$(|)+В$0+1)]

с) III I.'. I I 1+1' 'П 1

АО(1)*[ВП(|)+ВО(1+1)]

а> III сп

АОО)*В5(1)*В5(1+1)

е) , ' I ' I ' I

I 1 | ' I ' 1 А?(0*А5(1-1)*ВП(1)

Рис 14 Возможные комбинации срабатывания счетчиков переднего годоскопа при прохождении а) одной и Ь)-е) двух частиц Справа указаны логические формулы отбора А и В обозначают плоскость годоскопа, Б (г) и Б (г) - сигналы, соответственно, однократной или двойной ионизации в счетчике г

Избирательность триггера на две частицы можно охарактеризовать коэффициентом К подавления числа триггеров по отношению к скорости

счета простого одночастичного триггера Этот коэффициент зависит от энергетического диапазона частиц, попадающих в передний детектор, фоновыми условиями и оптимальным подбором порогов дискриминации для одиночных и двойных частиц

Первые испытания двухчастичного триггера проводились при регистрации процесса pd —> ррптт0 при энергии протонов 2 ГэВ Было найдено, что скорость счета подавляется в К=10—11 раз (по сравнению с одно-частичным триггером), а эффективность регистрации собыгий искомого процесса составляет 95% Применение этого триггера в дальнейших экспериментах существенно уменьшило мертвое время системы сбора данных и поэтому позволило в несколько раз увеличить скорость набора полезных событий

С применением ариггсрной аппаратуры переднего детектора была впервые измерена9 в диапазоне от 0,6 до 1,9 Гэв энергетическая зависимость развала дейтрона pd —> (pp)sn с большой передачей импульса протонной паре в % состоянии Теоретический анализ10 полученной зависимости позволил выбрать вид нуклон-нуклонного потенциала (CD Bonn), с которым достигается удовлетворительное описание экспериментальных данных, в то время как более жесткие потенциалы (Parts, RSC) им резко противоречат

Впервые в области энергий значительно выше порога измерено [24] при 0,8 ГэВ дифференциальное сечение однопионного рождения рр —> (pp)sir° с регистрацией 1So дипротона Полученное сечение на два порядка величины меньше, чем для кинематически аналогичного процесса рр —> dn+, и имеет аномальную угловую зависимость, что демонстрирует различную динамику этих реакции и может быть использовано для проверки существующих моделей пионного рождения

Функциональные возможности аппаратуры двухчастичного триггера позволяют использовать ее также для отбора событий с применением разных порогов при регистрации одиночных частиц Такая конфигурация триггера была реализована при исследованиях11 процесса dd —*4Нег], где высокий порог применялся для выделения ядер 4Не, а низкий - для параллельной регистрации минимально ионизирующих частиц с целью получения данных для калибровок

Помимо уже упомянутых процессов, триггерная аппаратура переднего детектора позволила также выполнить эксперименты по околопороговому

9V Komarov, , A Kuhkov et al Phys Lett , B553 (2003) 179

10J Haidenbauer and Yu Uzikov Phys Lett , B562 (2003) 227

UA Wronska, , A Kuhkov et al Eur Phys J , A26 (2005) 421

рождению w-мезонов12, измерить векторную и тензорную анализирующие способности в dp реакциях13, векторную анализирующую способность при развале дейтрона поляризованными протонами14, а также используется в других исследованиях

В четвертой главе рассмотрены вопросы, связанные с организацией триггера в планируемом эксперименте PAX15 Проект PAX предложен для исследований в области спиновой физики высоких энергий на создаваемом комплексе FAIR в GSI, Дармштадт Отличительной особенностью эксперимента является то, что в нем будет использоваться пучок поляризованных антипротонов высокой интенсивности, недоступный в существующих или планируемых где-либо в мире ускорительных комплексах

В широкой программе планируемых опытов центральное место занимает определение распределения transversity, описывающего поперечную поляризацию кварков в поперечно поляризованном протоне и являющегося последним недостающим звеном для понимания партопной структуры нуклонов в квантовой хромодинамике Источником получения сведений о transversity будет измерение поперечной двуспиновой асимметрии Ахт при рождении лептонных пар посредством механизма Дрелла-Яна в процессе рТрТ~* е+е~Х Другие физические задачи включают изучение односпи-новых асимметрий, электромагнитных формфакторов адронов, жесткого и мягкого рассеяния антипротонов Как при измерении transversity, так и для некоторых других процессов, необходимо выделять е+е~ пары с большой инвариантной массой

Планируется осуществить эксперимент в два этапа сначала с фиксированной поляризованной водородной мишенью в пучке поляризованных антипротонов с импульсом 3,5ГэВ/с, а затем на протон-антипротонном асимметричном коллайдере с импульсами 3,5(р)х15(р) (ГэВ/с)2, где оба пучка поляризованы

Схема детектора PAX приведена на Рис 15 Он представляет собой широкоапертурный спектрометр с тороидальной конфигурацией магнитного поля Основной, центральный, детектор имеет геометрическую апертуру в пределах полярных углов от ±20° до ±130° в лабораторной системе координат Передний детектор (рассматриваемый в качестве опции) перекрывает область полярных углов от ±8° до ±20°

Центральный детектор включает в себя 3 двусторонних кремниевых

12S Barsov, , A Kulikov et al Eur Phys J , A31 (2007) 95-104

13D Chiladze, , A Kulikov et al Phys Lett , B637 (2006) 170-175

14S Yaschenko, , A Kulikov et al Phys Rev Lett , 94 (2005) 072304

15Antiproton-Pioton Scattering Experiments with Polarization (PAX Collaboration) Technical Proposal arXiv hep-ex/0505054 vl, 17 May 2005

Scintillation

Forward hodoscopes Drift chambers

Magnet coils

Рис 15 Схема детектора PAX

микростриповых детектора (SiDet), 2 станции дрейфовых камер (DC), газовый черепковский счетчик, электромагнитный калориметр (EMCal) и сцинтилляционные годоскопы (Hod)

Архитектура триггера PAX впервые кратко обсуждалась в [25] Более подробно возможная структура триггера рассмотрена в [26,27] Основные требования к триггерной системе РАХа включают

• высокую избирательность триггера При частоте взаимодействий, достигающей нескольких МГц, и множественности около 10, необходимо подавить поток событий не менее чем в 103 раз,

• эффективный отбор е+е~ пар в присутствие большого адронного фона Сечение процессов с образованием пар Дрелла-Яна составляет и Ю-7 от полного сечения рр взаимодействия, поэтому необходим высокий уровень сепарации электронов и адронов на триггерном уровне,

• одновременное функционирование различных типов триггера,

• возможность гибкого изменения триггерной конфигурации при переходе от работы с фиксированной мишенью к коллайдерной стадии эксперимента, а также для изучения новых физических процессов, которые могут вызвать интерес в будущем

Все эти требования могут быть выполнены, если организовать двухуровневый триггер, в котором анализ событий на первом уровне (hardware trigger) реализован на базе аппаратных процессоров, а на втором применяются вычислительные процессоры (software trigger) для окончательного отбора полезных данных В триггерную систему предлагается включить все имеющиеся в установке детекторы и для выделения нужных процессов использовать идентификацию частиц черепковскими счетчиками, локаль-

ное и полное энерговыделение в калориметре, информацию о множественности, реконструкцию треков в ОС и ЗШеЦ восстановление импульсов частиц и вычисление инвариантной массы.

~г

ОгеИ-Уап е1

600

<100

о,

I 1-г^ 1 !*1

о.

о о.г о,4 о.б ое 1 1.2 1,4 1.6

ВО

0 02 0.4 06 0.8 1 1.5 1 4 16

ер

Рис. 16: Ожидаемое отношение энергии £, измеренной калориметром, к импульсу Р для электронов из пар Д ре л л а-Яна. (слева) и для фона заряженных частиц (справа),

В [26] показано, что в условиях РАХа для падежной идентификации электроне© на триггерном уровне информации только черепковских счетчиков недостаточно. Необходимо также в реальном времени сравнивать величину отношения измеренных для каждой частицы энергии Е и импульса Р, что потребует использования и других детекторов. На Рис. 16 показаны ожидаемые распределения отношения энергии Е, измеренной калориметром, к импульсу Р для электронов из процессов Дрелла-Яна и для фоновых заряженных частиц. Из приведенных распределений следует, что при введении границ отбора Е/Р =1.0 ± 0.1 достигается значительное, примерно в 50 раз, подавление фона.

Возможная архитектура триггера показана на Рис. 17. Данные с детекторов разветвляются на два канала: 11 электронную логику триггера первого уровня (Т1) и в задержки, реализованные как ргреНпе тетопев и обеспечивающие хранение данных до принятия решения триггером Т1.

Поток данных фильтруется решениями Т1, и отобранные Под-события складываются в буферные памяти. Триггер второго уровня, Т2, получает данные из буфера, строит собы тие и анализирует его I! соответствии с заложенными алгоритмами. Положительное решение Т2 приводит к генерации команды о считывании события и его записи в накопитель. На

........ ----- - (

j ! всех этапах обработки событий производится мониторинг потока данных

Рис. 17: Возможная архитектура триггерной системы РАХ,

I I

Аппаратура тряггерной логики на уровне Т1 будет основана па процессорах на базе интегральных схем типа FPGA. Такой выбор в настоящее Время и в ближайшие годы представляется оптимальным для построения гибких триггерных конфигураций.

Чтобы легко создавать или видоизменять триггерную конфигурацию, сначала строятся триггерпые " примитивы" , логическая комбинации которых формирует затем сигнал TL Примитивы включают годоскопический триггер НТ, черепковский триггер CHT, триггер дрейфовых камер DCT, калориметрические триггеры CALT, CALTOT и триггер силиконового детектора SТ:

\ НТ вырабатывается при совпадении разрешенных комбинаций счетчиков \ в плоскостях спинтилляционных годоскопов;

CHT генерируется, если имеется сигнал с той ячейки черепковского счетчика, через которую прошла траектория частицы. Траектория определя-j ется по сработавшим счетчикам годоскопов;

DCT возникает, когда в дрейфовых камерах найден (по номерам проволок) трек, ассоциированный со сработавшими счетчиками годоскопов, С ALT и С ALT ОТ вырабатываются по информации с калориметра в том случае, когда амплитуда сигнала в кластере превышает установленный порог для локального или полного энерговыделения В случае триггера на заряженные частицы требуется наличие сопоставленного кластеру трека, ST вырабатывается при совпадении сигналов в плоскостях микрострипо-вого детектора с использованием грубой сегментации детектора на этом этапе

Из построенных триггерных примитивов можно создать их логические комбинации для того, чтобы отбирать частицы-кандидаты в электроны, адроны или гамма-кванты

Как видно из Рис 18, поле тороидального магнита локализовано между трековыми подсистемами SiDet и DC, поэтому внутри каждой из них магнитное поле отсутствует и траектория частицы близка к прямолинейной Как следствие, могут быть использованы довольно простые алгоритмы поиска сегментов трека, выполняемые на триггерном уровне Предложено дополнить установку еще одним сцинтилляционным годоскопом (Hod2 на Рис 18) , что позволит существенно улучшить условия для триг-герного отбора, в частности, для построения триггерных примитивов НТ,

Рис 18 Схема регистрации треков в центральном детекторе Каждая из трековых подсистем SlDet и БС находится вне магнитного поля

CHT и DCT

со

£

Если на уровне Т1 принято положительное решение, то данные о со-быши помещаются в буферную память, где ожидают анализа логикой триггера Т2 В буферную память записываются также указатели, полученные при обработке события на первом уровне, позволяющие ускорить выполнение компьютерных вычислений в Т2, например, в дрейфовых камерах - номера проволок, вошедших в трек при формировании ОСТ, в БШе! - области срабатывании, найденные алгоритмом БТ

На втором уровне грш гера могут выполняться следующие операции

- реконсфукция треков в дрейфовых камерах с использованием времен дрейфа,

- поиск сегментов трека в БЮс^

- сшивание сегментов трека, найденных в подсистемах БС и БЮсЬ, с использованием карты магнитного ноля,

- реконструкция вершины,

- восстановление импульсов частиц,

- улучшение качества идентификации электронов путем сравнения восстановленного импульса Р с энергией Е, измеренной калориметром,

- вычисление инвариантной массы

Предложенная структура триггерной системы эксперимента РАХ является первым шагом в направлении ее создания В процессе дальнейшей разработки предстоит выполнить детальное моделирование исследуемых и фоновых физических процессов с учетом точной геометрии и структуры установки

В заключении отмечается, что в ходе проведенных исстедоваипй сформировалось новое научное направление в методике эксперимент, связанное с разработкой и реализацией триггерных систем для изучения процессов в ГэВ-ной области энершй с отбором событий по харакюрным параметрам нар частиц в конечном состоянии Результатом работы является создание систем 01бора событий и получение с их применением новых физических результатов, в том числе

1 Создана многоуровневая триггерпая система, в коюрой впервые используется отбор пар частиц по величине их малого относительного импульса Система, включающая триггер первою уровня и аппаратные процессоры на более высоких уровнях, реализована в эксперименте ДИРАК в ЦЕРН и обеспечила подавление фоновых запусков в 103 раз при эффективное ш к полезным событиям 98%

2 Разработаны и реализованы методы компьютерного управления триг-

герной системой, позволившие полностью исключить ручные операции при задании или изменении триггерных условий Разработаны и реализованы методы контроля за функционированием триггерной системы на всех уровнях, что позволило диагностировать любые отклонения в качестве принимаемой информации

3 Разработана и реализована логика считывания данных, оптимизированная для уменьшения мертвого времени Разработан и применен новый метод измерения потерь из-за мертвого времени электроники, позволяющий учесть все его источники

4 С применением созданной триггерной системы впервые измерено время жизни атомов, состоящих из 7г+ и 7г~ мезонов

т = [2 91 t^]xl0-15 с, и, как следствие, новым модельно-независимым способом определена разность пионных длин рассеяния

К - а21 = 0, 264^O|Q2O т^

5 Создана система отбора событий в переднем детекторе ANKE, обеспечившая выполнение большинства экспериментов на этой установке Разработан топологически-независимыи отбор пар заряженных частиц для изучения процессов, сопровождающихся испусканием протонной пары (pp)s с малой относительной энергией, позволивший в несколько раз увеличить скорость набора полезных событий

6 С применением триггерной системы переднего детектора ANKE впервые измерена энергетическая зависимость сечения развала дейтрона pd —> (pp)sn в диапазоне 0 6-1 9 ГэВ и впервые получено дифференциальное сечение однопнонного рождения рр —» (рр)3тг° в области, существенно выше пороговой Эти результаты позволили при теоретическом анализе сделать новые выводы о структуре NN взаимодействия на коротких расстояниях и динамике пноиного рождения

7 Для планируемого эксперимента PAX в GSI впервые выполнен анализ использования различных детекторов установки в триггерном отборе, состоящем в выделении электрон-позитронных пар с большой инвариантной массой па высоком уровне фона, и предложена двух} ровневая архитектура триггера с применением аппаратных и вычислительных процессоров

Список литературы

|1] А В Куликов Триггерные системы в экспериментах среднего масштаба на ускоршелях высоких и промежуточных энергий ЭЧАЯ, т 36, №3 (2005) 650-686

[2] В Adeva, , A Kulikov et al Lifetime measurement of 7г+7г~ atoms to test low energy QCD predictions CERN/SPSLC 95-1, SPSLC/P284, Geneva

1995 http //doc cern ch//archive/electromc/other/generic/public/cer-0222463 pdf

[3] В Adeva, , A Kulikov et al DIRAC a high resolution spectrometer for piornum detection NIM, A515 (2003) 467-496

[4] L Afanasyev, , A Kulikov et al The multilevel trigger system of the DIRAC experiment NIM, A491 (2002) 376-389

[5] L Afanasyev, M Gallas, V Karpukhin, A Kulikov First level trigger of the DIRAC experiment NIM, A479 (2002) 407-411

[6] A Kulikov First level trigger for DIRAC DIRAC Note 96-26, CERN,

1996

[7] A Kuliko\ First level trigger for DIRAC DIRAC Note 97-04, CERN,

1997 http //dirac web cern ch/DIRAC/note/note9704_Tl pdf

[8] M Bragadireanu, , A Kulikov et al A prototype threshold Cherenkov counter for DIRAC NIM, A426 (1999) 254-267

[9] A Kulikov Fast zero level trigger DIRAC Note 98-01, CERN, 1998 http //dirac web cern ch/DIRAC/note/note9801_T0 pdf

[10] V Agoritsas, , A Kulikov et al Development of a scmtillating-fibre detector for fast topological triggers in high-luminosity particle physics experiments NIM, A411 (1998) 17-30

[llj A Kulikov Trigger scheme of the ionization hodoscope DIRAC Note 9802, CERN, 1998

http //dirac web cern ch/DIRAC/note/note9802_T2 pdf

[12] V Karpukhin, A Kulikov, V Yazkov Third level trigger for DIRAC Versions of implementation DIRAC Note 96-27, CERN, 1996 http //dirac web cern ch/DIRAC/note/note9627_T3 pdf

[13] A Kulikov, М Zhabitsky 4e-trigger for DIRAC DIRAC Note 2003-05, CERN, 2003 http //dirac web cern ch/DIRAC/note/notc0305 pdf

[14] J1 Г Афанасьев, В В Карпухин, А В Куликов, В Г Ольшевский, С В Трусов Управление триггериой системой и контроль за ее работой в эксперименте DIRAC Письма в ЭЧАЯ, т 4, №1[137] (2007) 132-138

[15] A Kulikov Schematics of DIRAC trigger and readout electronics DIRAC Note 2000-12, CERN, 2000

[16] V Karpukhm, A Kulikov, V Olshevsky, S Trusov Readout logic and its hardware implementation m the DIRAC experiment NIM, A512 (2003) 578-584

[17] V Karpukhm, A Kulikov Multigate and fast clear logic m FERA readout Preprint JINR E10-2001-2, Dubna, 2001, 8p

[18] A Kulikov, M Zhabitsky Dead time losses and their measurement m DIRAC NIM, A527 (2004) 591-597

[19] В Adeva, , A Kulikov et al Detection of 7Г+7г~ atoms with the DIRAC spectrometer at CERN Jour Phys G. Nucl.Part Phys , 30 (2004) 1929-1946

[20] В Adeva, , A Kulikov et al First lifetime measurement of the 7Г+7Г~ atom Phys Lett , B619 (2005) 50-60

[21] A Kulikov Upgrade of the DIRAC trigger system DIRAC Note 2005-17, CERN, 2005 http //dirac web cern ch/DIRAC/note/note0517 pdf

[22] S Barsov, , A Kulikov et al ANKE, a new facility for medium energy hadron physics at COSY-Julich NIM, A462 (2001) 364-381

[23] S N Dymov, V I Komarov, A V Kulikov et al Trigger electronics for the forward and backward hodoscopes of ANKE JINR Communications E10-2002-19, Dubna, 2002, 15 p

[24] S Dymov, , A Kuhkov et al Production of the 15o diproton m the pp —> ppir0 reaction at 0 8GeV Phys Lett., B635 (2006) 270-274

[25] A Kulikov Triggering at storage rings Proc of the 6th Int Conf on Nuclear Physics at Storage Rings (STORIOS), Bonn, 23-26 May 2005, p 394-397

[26] A Kulikov, G Macharashvili Prospects for triggering m experiment PAX at GSI Письма в ЭЧАЯ, №1[137] (2007) 139-149

[27] A Kulikov Prospects for triggering m the PAX experiment Proc of the 2nd International Workshop "Spin in Hadron Physics" (CGSWHP), Tbilisi, 4-7 September 2006 Schriften des Forschungszentrum Jülich, Matter and Material, Vol 33, ISBN-10 3-89336-453-6

Получено 21 марта 2007 г

Отпечатано методом прямого репродуцирования с оригинала, предоставленного автором

Подписано в печать 22 03 2007 Формат 60 х 90/16 Бумага офсетная Печать офсетная Уел печ л 2,37 Уч-изд л 2,61 Тираж 100 экз Заказ № 55716

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

Проведение исследований в области физики частиц и ядерной физики на ускорителях требует высокоэффективной организации и оптимального взаимодействия всех компонент экспериментальной установки. В состав любой установки входят детекторы для регистрации частиц, система отбора событий в реальном времени, или триггерная система, и аппаратура сбора данных, обеспечивающая передачу и запись отобранной информации в память компьютера для последующего анализа. Все эти системы должны работать согласованно, обеспечивая высокую скорость приема данных при максимальной эффективности регистрации событий изучаемой реакции.

Задачей триггерной системы в эксперименте является выделение событий исследуемого процесса среди большого потока информации с детекторов и управление системой сбора данных, которая осуществляет передачу и накопление отобранной полезной информации. При изучении редких процессов создание эффективной системы отбора событий становится особенно актуальным. В условиях, когда общая частота взаимодействий на много порядков величины превосходит скорость генерации событий исследуемой реакции, необходимо максимальным образом подавить регистрацию всех процессов, не связанных с поставленной физической задачей. Пропускная способность системы сбора данных всегда ограничена по аппаратным и программным причинам, поэтому триггерная система должна снизить поток информации до уровня, на котором возможные потери из-за возникающего мертвого времени будут невелики.

Широкий класс исследований выполняется на ускорителях с энергиями пучков в диапазоне 1-20 ГэВ. При таких энергиях типичными являются эксперименты среднего масштаба. Заметим, что слово "средний" ни в коей мере не относится к физической значимости проводимых опытов, а лишь характеризует масштаб экспериментальной установки и количество участников эксперимента.

Диссертация посвящена вопросам создания триггерных систем для трех экспериментов среднего масштаба: ДИРАК в ЦЕРН, ANKE в Исследовательском центре Юлих (Германия) и PAX в GSI (Германия). Физические цели этих экспериментов существенно различаются, однако в отношении отбора событий они имеют общую черту: в конечном состоянии регистрируются две частицы с характерными параметрами, по которым при эффективно организованной триггерной системе можно выделить полезные события на высоком уровне фона.

К началу исследований, изложенных в настоящей работе, триггерных систем для экспериментов ДИРАК и ANKE не существовало, а сами установки находились в стадии проектирования. Для эксперимента ДИРАК предстояло создать компьютерно-управляемую многоуровневую триггер-ную систему для отбора пионных пар с малыми относительными импульсами в условиях больших фоновых загрузок, аналогов которой не было известно. Требовалось также реализовать логику считывания данных, обеспечивающую минимальные потери из-за мертвого времени и разработать методы их измерения. Для спектрометра ANKE, на котором выполняется широкий спектр исследований, необходимо было создать триггерную систему переднего детектора для отбора протонных пар с малой относительной энергией, удовлетворяющую также требованиям экспериментов и с другими конечными состояниями. Для проекта PAX, недавно предложенного для реализации на новом ускорительном комплексе в GSI, не существовало каких-либо оценок триггерных возможностей. Основной физический процесс в этом эксперименте включает образование электрон-позитронной пары с большой инвариантной массой.

В первой главе диссертации обсуждаются общие методы, используемые при построении систем отбора событий в реальном времени. Во второй главе описываются созданные системы многоуровневого триггера и сбора данных для эксперимента ДИРАК в ЦЕРН, а также представлены его результаты. Третья глава посвящена триггерной системе установки ANKE на ускорителе COSY в Юлихе и полученным физическим результатам. В последней, четвертой главе диссертации анализируются вопросы, связанные с проектированием триггерной системы для планируемого эксперимента PAX на новом ускорительном комплексе в GSI.

Заключение.

В ходе проведенных исследований сформировалось новое направление в методике эксперимента, связанное с разработкой и реализацией триггер-ных систем для изучения процессов в ГэВ-ной области энергий с отбором событий по характерным параметрам пар частиц в конечном состоянии. Результатом работы является создание систем отбора событий и получение с их применением новых физических результатов, в том числе:

• Создана многоуровневая триггерная система, в которой впервые используется отбор пар частиц по величине их малого относительного импульса. Система, включающая триггер первого уровня и аппаратные процессоры на более высоких уровнях, реализована в эксперименте ДИРАК в ЦЕРН и обеспечила подавление фоновых запусков в 103 раз при эффективности к полезным событиям 98%.

• Разработаны и реализованы методы компьютерного управления триг-герной системой, позволившие полностью исключить ручные операции при задании или изменении триггерных условий. Разработаны и реализованы методы контроля за функционированием триггерной системы на всех уровнях, что позволило диагностировать любые отклонения в качестве принимаемой информации.

• Разработана и реализована логика считывания данных, оптимизированная для уменьшения мертвого времени. Разработан и применен новый метод измерения потерь из-за мертвого времени электроники, позволяющий учесть все его источники.

С применением созданной триггерной системы впервые измерено время жизни атомов, состоящих из 7Г+ и 7Г~ мезонов, г = [2.91 i°f2] х Ю-15 с, и, как следствие, новым модельно-независимым способом определена разность пионных длин рассеяния а0 - а21 = 0,264+oS то"1 ■

Создана система отбора событий в переднем детекторе ANKE, обеспечившая выполнение большинства экспериментов на этой установке. Разработан топологически-независимый отбор пар заряженных частиц для изучения процессов, сопровождающихся испусканием протонной пары (pp)s с малой относительной энергией, позволивший в несколько раз увеличить скорость набора полезных событий.

С применением триггерной системы переднего детектора ANKE впервые измерена энергетическая зависимость сечения развала дейтрона pd —> (pp)sn в диапазоне 0.6-1.9 ГэВ и впервые получено дифференциальное сечение однопионного рождения рр —(pp)s7Г° В области, существенно выше пороговой. Эти результаты позволили при теоретическом анализе сделать новые выводы о структуре NN взаимодействия на коротких расстояниях и динамике пионного рождения.

Для планируемого эксперимента PAX в GSI впервые выполнен анализ использования различных детекторов установки в триггерном отборе, состоящем в выделении электрон-позитронных пар с большой инвариантной массой на высоком уровне фона, и предложена двухуровневая архитектура триггерной системы с применением аппаратных и вычислительных процессоров.

Диссертация основана на работах, опубликованных в реферируемых журналах [1, 5, 6, 29-31, 34, 47, 49, 55, 59,60, 90, 98], а также в материалах конференций, препринтах и других работах [4,32,33,35,36,40,46,48,54,62, 82,95,97].

Работы, вошедшие в диссертацию, докладывались автором на семинарах Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ, Института ядерной физики Исследовательского центра Юлих, совещаниях международных коллабо-раций ДИРАК, ANKE, PAX, 6-ой Международной конференции "Nuclear Physics at Storage Rings" STORI05 (Бонн, 2005) Международном совещании "Spin in Hadron Physics" (Тбилиси, 2006), а также были представлены на ряде других международных конференций ((STORI02, Уппсала, 2002; HadAtom03, Трент, 2003; HadAtom05, Берн, 2005; HADRON05, Рио де Жанейро, 2005; ІСНЕР2006, Москва, 2006).

Автор считает своим приятным долгом выразить благодарность многим коллегам, без участия которых данная работа не была бы выполнена, и в особенности:

В.И.Комарову и Л.Л.Неменову, руководителям экспериментов на установках ANKE и ДИРАК, за многочисленные полезные обсуждения в ходе исследований и оказанную поддержку;

Л.Г.Афанасьеву и В.В.Карпухину за исключительно плодотворное сотрудничество при создании триггерной системы эксперимента ДИРАК;

А.Д.Волкову, О.Е.Горчакову, А.В.Дудареву, С.Н.Дымову, М.В.Жабицко-му, Н.И.Журавлеву, А.К.Качарава, В.В.Круглову, Л.Ю.Кругловой, А.В.Купцову, В.С.Курбатову, Г.Г.Мачарашвили, С.И.Мерзлякову, М.В.Никитину, В.Г.Ольшевскому, С.В.Трусову, В.В.Язькову, С.В.Ященко, совместно с которыми были выполнены многие работы и подготовлены публикации.

Автор благодарен также: всем участникам коллабораций ДИРАК и ANKE за участие в совместных измерениях на пучках ускорителей PS CERN и COSY; директору IKP FZJ Х.Штрёеру за поддержку экспериментов в Юлихе (ФРГ); дирекции Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ за всестороннюю поддержку.

1. А.В.Куликов. Триггерные системы в экспериментах среднего масштаба на ускорителях высоких и промежуточных энергий. ЭЧАЯ, Т.36, №3 (2005) 650-686.

2. Wesley H.Smith. NIM, А4Т8 (2002) 62.

3. E.Frlez et al. NIM, A526 (2004) 300.

4. B.Adeva, ., A.Kulikov et al. Lifetime measurement of 7г+тГ~ atoms to test low energy QCD predictions. CERN/SPSLC 95-1, SPSLC/P284, Geneva 1995.

5. L.Afanasyev, ., A.Kulikov et al. The multilevel trigger system of the DIRAC experiment. NIM, A491 (2002) 376-389.

6. S.Barsov, ., A.Kulikov et al. ANKE, a new facility for medium energy hadron physics at COSY-Jülich. NIM, A462 (2001) 364-381.

7. M.Adinolfi et al. NIM, A461 (2001) 465. M.Adinolfi et al. NIM, A492 (2002) 134.

8. R.Arcidiacono R. NIM, A443 (2000) 20.

9. F.Balestra F. et al. NIM, A426 (1999) 385.

10. C.Garabatos C. et al. Nucl. Phys., B61 (Proc. Suppl.) (1998) 607.

11. B.Ananthanarayan, G.Colangelo, J.Gasser, H.Leutwyler. Phys. Rep. 353 (2001) 207-279.

12. S. Weinberg, Physica A96 (1979) 327;

13. J. Gasser and H. Leutwyler, Phys.Lett. B125 (1983) 325; J. Gasser and H. Leutwyler, Nucl.Phys. B250 (1985) 465; J. Gasser and H. Leutwyler, Nucl.Phys. B250 (1985) 517; J. Gasser and H. Leutwyler, Nucl.Phys. B250 (1985) 539.13