Поиски бозона Хиггса на коллайдере LEP тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.23 ВАК РФ

Актуальность проблемы

Важным компонентом практически любого исследования на установке DELPHI — ;ной из четырёх установок, действующих на большом электрон-позитронном кол-ьйдере (LEP) Европейского центра ядерных исследований (CERN), является изме-:ние интегральной светимости. Для определения параметров Z-бозона необходимо мерять светимость с точностью ~ .1%. С этой целью в ИФВЭ был создан преци-онный детектор светимости — электромагнитный калориметр в области малых лов STIC.

Для успешного осуществления экспериментальной программы исследований :тановка должна иметь высокую эффективность регистрации различных частиц в частности мюонов. Для обеспечения высокой эффективности мюонного тригге-i и его надёжности в состав установки был включён передний мюонный годоскоп, зданный в ИФВЭ.

После обнаружения t-кварка в опытах на рр-коллайдере FNAL бозон Хиггса ляется последней, ещё не обнаруженной фундаментальной частицей в стандарт->й модели (СМ). Поиск этой частицы имеет принципиальное значение для пробки СМ и её обобщений, например для минимальной суперсимметричной стан-фтной модели (MCCM). LEP является идеальным прибором для поиска бозона иггса с точки зрения фоновой ситуации и ожидаемого числа событий.

Цель диссертационной работы

• Поиск бозона Хиггса в диапазоне масс 0-60 ГэВ/с2.

• Создание детектора светимости(электромагнитного калориметра в области малых углов) и мюонного годоскопа для установки DELPHI. „ , ториметра новой конструкции,

КНИГАИМЕЕТ r ^ „

2. Мюонный годоскоп установки DELPHI, его применение в триггере, методику измерения параметров годоскопа и их контроля в условиях реального эксперимента.

3. Результаты поиска бозона Хиггса в области масс 0-60 ГэВ/с2.

Научная новизна и практическая ценность. Создан электромагнитный калориметр нового типа, измерены его характеристики. Разработана методика его использования для прецизионного измерения интегральной светимости.

Создана система мюонного триггера на базе сцинтилляционного годоскопа большой площади. Разработана методика измерений параметров годоскопа в условиях реального эксперимента. Разработана методика использования мюонного годоскопа для калибровки детекторов DELPHI.

Впервые проведён поиск бозона Хиггса в широком диапазоне масс, как в контексте стандартной модели, так и в её минимальном суперсимметричном расширении.

Апробация работы и публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 13 научных работ. Основные результаты, использованные в диссертации, опубликованы в виде препринтов ИФВЭ и CERN, в журналах "Nuclear Physics", "Zeitschrift fur Physik", "Nuclear Instruments & Methods", "IEEE Transactions of Nuclear Science" [l-lj]. Они докладывались на международных конференциях, семинарах ИФВЭ, ИТЭФ.

Структура диссертации. Работа изложена на 38 страницах, состоит из введения, четырёх глав и заключения, содержит 23 рисунка, 2 таблицы и список цитируемой литературы, включающий 13 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе рассмотрена постановка эксперимента на встречных е+е~-пучках при энергии вц.м. ~ 90 ГэВ/с2 в области пика Z-бозона, описана установка DELPHI, на которой и для которой были выполнены работы, вошедшие в диссертацию.

Цикл работы Большого электрон-позитронного коллайдера (LEP) включает (см. рис.1):

• Ускорение первичных электронов, рождение и ускорение позитронов до энергии 300 МэВ в линейном инжекторе (LIL).

• Накопление электронов и позитронов при энергии 500 МэВ в кольце электрон-позитронного аккумулятора (ЕРА).

• Транспортировку пучков в кольцо протонного синхротрона (PS), ускорение до 3,5 ГэВ.

• Транспортировку пучков из PS в SPS с дальнейшим ускорением до 22 ГэВ.

• Инжекцию в кольцо LEP с последующим ускорением до энергии ~ 45 ГэВ.

1учки электронов и позитронов сгруппированы в 4 (8) банчей (ток ~ 1 мА/банч.) и [ересекаются в четырёх промежутках, где расположены экспериментальные уста-ювки. Типичное время жизни пучков ~ 8 часов. Светимость ~ 1031с lcm 2 с

CERN Accelerators

ALEPH

South Area

P Pb ions

LEP: Large Electron Positron collider SPS: Super Proton Synchrotron AAC: Antiproton Accumulator Complex ISOLDE: Isotope Separator OnLine DEvice PSB: Proton Synchrotron Booster PS: Proton Synchrotron

LPI: Lep Pre-Injector EPA: Electron Positron Accumulator LIL: Lep Injector Linac LINAC: LINear Accelerator LEAR: Low Energy Antiproton Ring

Rudolf LEY, PS Division, CERN, 02.09.

Рис. 1. Схема ускорительного комплекса LEP.

Forward Chamber A Barrel Muon Chambers

Рис. 2. Общий вид установки DELPHI,

Установка DELPHI (детектор с идентификацией лептонов, фотонов и адро-нов) — это один из четырёх детекторов, работающих на е+е~-коллайдере LEP. Детектор (см. рис.2) состоит из центральной цилиндрической секции, перекрывающей диапазон ~ 40° < в < 140°, и двух торцевых частей, перекрывающих "переднюю" (заднюю) области углов.

Сверхпроводящий соленоид, который имеет длину 7,4 м и внутренний диаметр 5,2 м, создает однородное поле, равное 1,23 Тл и направленное вдоль оси пучков (z). Внутри соленоида расположены трековые детекторы центральной части:

- Вершинный детектор, дающий точное измерение траектории частиц. Точность измерения промахов треков в вершине взаимодействия для энергичных треков (Р > 10 ГэВ/с) составляет около 20 микрон.

- Внутренний детектор (ID), перекрывающий область углов 15° < в < 165° и обеспечивающий точность измерения трека и(R(j>) = 40 мкм.

- Время-проекционная камера (ТРС) — основной трековый детектор, дающий до 16 пространственных точек трека в диапазоне 40 см < R < 110 см. Точность реконструкции одной точки 250 мкм (Яф) и 880 мкм (Rz). ТРС участвует в идентификации заряженных частиц путём измерения dE/d,X с точностью 7,4%.

- Внешний детектор (OD) состоит из 5 слоёв дрейфовых трубок, расположенных между радиусами 197 и 206 см. Он существенно используется для измерения импульса частиц и уточнения параметров их траектории.

- В трековую систему входят также дрейфовые камеры FCA и FCB, расположенные в торцевой части установки на расстоянии \z\ = 160 см и \z\ = 275 см от точки взаимодействия.

- Электромагнитные калориметры — проекционная камера высокой плотности (НРС), передний электромагнитный калориметр из свинцового стекла (FEMC) и электромагнитный калориметр в области малых углов (STIC) — обеспечивают регистрацию и идентификацию электронов и фотонов в области углов 2° < в < 178°.

- Более 19000 пластиковых стримерных детекторов, которые являются активными элементами адронного калориметра (HCAL), установлены в 18 мм щелях между 50-мм железными пластинами ярма магнита. Адронный калориметр регистрирует нейтральные частицы, а также является элементом системы мюонной идентификации.

- В идентификации мюонов наряду с адронным калориметром участвуют мю-онные дрейфовые камеры (MUB, MUF и SMC), расположенные за ярмом магнита. Идентификация осуществляется путём сравнения координаты экстраполированного трека и ближайшего реконструированного сигнала мюонной камеры.

- Детектор черенковских колец (RICH) обеспечивает идентификацию как в центральной части установки (BRICH), так и в торцевой (FRICH). Детектор имеет как жидкий, так и газовый радиаторы, что позволяет осуществлять идентификацию частиц в диапазоне импульсов 0, 7 < р < 25 ГэВ/с.

- Сцинтилляционные годоскопы — TOF в центральной части и передний мюон-ный годоскоп в торцевой части используются для выработки триггера и подавления фона от космических мюонов.

- Система триггера DELPHI состоит из четырёх уровней. Два первых уровня (Tl, Т2) синхронизированы по отношению к сигналу пересечения банчей (ВСО). Т1 является быстрым претриггером, в то время как Т2 запускает систему сбора данных. Интервал между пересечениями банчей равен 22 мкс для моды работы LEP с четырьмя банчами, и 11 мкс — для моды с восемью. Времена выработки решения для Т1 и Т2 фиксированы и равны 3,5 и 39 мкс после сигнала ВСО. Т1 вырабатывается на базе информации от индивидуальных детекторов (ID, OD, FCA и FCB — трековый триггер); (TOF, HOF, и система сцинтилляторов НРС — сцинтилляцион-ный триггер), а также EMF и MUB. На втором уровне эти триггеры дополняются сигналами от ТРС, НРС и MUF, а также комбинациями (на базе мажоритарной логики) сигналов от разных детекторов. ТЗ и Т4 являются по сути программными фильтрами и работают асинхронно с ВСО. ТЗ уменьшает уровень триггера примерно вдвое, используя ту же логику, что и Т2, но на основе цифровой информации; Т4 использует полную программу реконструкции, аналогичную основной " off-line" -программе реконструкции DELPHI. Существенной особенностью системы триггера является высокая переопределённость, что обеспечило надёжность, стабильность а также возможность независимого определения эффективности отдельных компонент триггера. Глобальная эффективность триггера к событиям с распадом Z в мюоны или электроны совместима с 1 на уровне Ю-4, однотрековая эффективность для Рт > 1 ГэВ/с больше 95%.

- Система сбора данных базируется на стандарте ФАСТБАС. Всего в DELPHI используется ~ 150 корзин ФАСТБАС и около 70 микропроцессоров (16 Мгц М68020 "FIP"), соединённых с центральным VAX- кластером по Ethernet.

Во второй главе дано подробное описание электромагнитного калориметра в области малых углов STIC [1,2,5].

В начале 1994 года в DELPHI был установлен новый электромагнитный калориметр малых углов (the Small angle Tile Calorimeter-STIC) с целью обеспечения измерения светимости с точностью 0,1% (важно для LEP100) и улучшения герметичности и энергетического разрешения DELPHI в области малых углов (особенно важно для LEP200). STIC состоит из трёх частей:

• калориметра;

• детектора максимума ливня;

• сцинтилляционного "вето" годоскопа.

В работах [1,2,5] описаны в основном конструкция и результаты работы калориметрической части детектора, так как именно эта часть была изготовлена в ИФВЭ и играла решающую роль в измерениях 1994-1995 гг.

Калориметр STIC

STIC (см. рис.3) состоит из двух независимых цилиндров (А и С), расположенных на расстоянии ± 2,2 м от точки взаимодействия.

DELPHI STIC

Рис. 3. Общий вид одного плеча калориметра STIC.

Каждый цилиндр, в свою очередь, состоит из двух независимых полу-цилиндров, смонтированных вокруг вакуумной камеры LEP. Калориметр перекрывает диапазон углов 29 -f 185 мрад по в (65 -Ь 420 мм по радиусу). S i'IC состоит из 47 слоёв свинцовых пластин толщиной 3 мм, обклеенных стальной фольгой (200 мкм). На пластинах с высокой точностью смонтированы сцинтилляционные пластины толщиной 3 мм (см. рис.4). Полная толщина детектора ~ 27Хо- Плоскости конвертора непрерывны, и пластины закреплены на них с помощью штифтов.

Рис. 4. Вид основного элемента STIC- плоскости конвертора с сцинтилляционными пластинами.

Пластины сцинтиллятора оптически изолированы друг от друга с помощью листов и полосок белого пластика Tyvek толщиной 120 мкм и разбивают плоскость на 10 колец, 16 секторов. С увеличением номера слоя все кольца проективно расширяются, и соответствующие пластины группируются в 160 проективных башен. Эта конструкция реализована впервые и позволяет избежать проблем с неоднородностью отклика, типичных для калориметров, состоящих из отдельных счётчиков, даёт возможность построения проективной структуры "башен" калориметра и обеспечивает точность внутренней структуры калориметра < 50 мкм.

Светосбор осуществляется спектросмещающими волокнами (Y-7), диаметром 1 мм, идущими перпендикулярно плоскостям калориметра через отверстия в плоскостях и пластинах. Плотность волокон ~.8 фиб./см2. Эта концепция светосбора получила развитие благодаря усилиям групп ИФВЭ и ИЯИ-РАН и получила на западе название "шашлык".

STIC — один из немногих детекторов в мире, использующих в качестве фотодетектора вакуумные тетроды (Hamamatsu 1" R2149-03), которые работают в магнитном поле 1,2 Т. Они дают в этих условиях усиление порядка 15.

Измерение светимости с точностью 0,1% требует мониторирования всех каналов калориметра и триггерной системы. С этой целью в ИФВЭ была разработана система мониторирования на базе светодиодов (10CR-ND). Она позволяет посылать световые сигналы переменной амплитуды на любой набор башен. Долговременная стабильность системы проверялась в течение 8 часов (характерное время жизни пучков) в реальных условиях LEP и составила ± 0,15%.

Параметры детектора

1. Разрешение по энергии. Зависимость разрешения калориметра от энергии и линейность отклика были изучены в тестах на электронном пучке CERN (см. рис.5.)

DELPHI STIC teslbeam

• data ton er 16 О GEANTMC

6 ^ 5 r 4 ~ 3 a,/E) =( a® b/VE)

DATA : a-(0.0152 ± 0.0002) ; Ь=(0.135 ± 0.001) MC : a = (0.0100 ± 0.0025) I Ь = (0.133 ± 0.007)

0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0. lt\E.(GeVm)

Рис. 5. Зависимость разрешения калориметра от i/Ve.

Она хорошо описывается формулой (Те/Е = 13,5%/у/Е © 1,52%, вклад от шумов фототетрода в разрешение пренебрежимо мал. Линейность калориметра в изученном диапазоне энергий лучше 1%.

В течение двух лет работы калориметром было зарегистрировано порядка 4 миллионов событий рассеяния электронов на малые углы. Калориметр продемонстрировал высокую надежность, за весь период работы всего 3 канала были отключены в течение короткого периода из-за разрядов тетродов. Для получения адекватного

РОССИЙСКАЯ государственная БИБЛИОТЕКА разрешения калориметра необходимо было разработать процедуры вычитания когерентного фона, коррекции модуляции отклика, вызванной оптическими волокнами, коррекции небольшого общего падения отклика калориметра на ~ 2% в год.

Анализ показал, что для пособытийного вычитания когерентного шума достаточно вычислять средний сигнал для башен одного полуцилиндра, не занятых ливнем.

Калибровочные коэффициенты {с;} находятся путём минимизации методом итераций величины:

Ne„ /

I CjADC1- - Ebeam к=1 \j=l пока 5с{ < 0,01%. Здесь ADCj — это сигнал после вычитания пьедестала (в отчётах АЦП) для канала j в событии к. Эта процедура периодически повторялась (примерно раз в месяц), для учёта изменения отклика калориметра со временем.

Пространственные неоднородности отклика учитывались путём составления на большой статистике карты отклика. Энергетическое разрешение после калибровки <те = 3,5%. Она становится равной сте = 3,2% после вычитания когерентного шума и <те = 2,6% после поправок на пространственную неоднородность. Окончательное разрешение 2, 6% близко к предсказаниям Монте-Карло — 2, 5%.

2. Реконструкция радиуса ливня. Первый шаг реконструкции радиуса заключается в определении кривой e(r) = log > гДе г — расстояние центра ливня в радиальном направлении, измеряемое от границы между кольцами г и г -f 1. А — это амплитуда сигнала в соответствующем кольце. Для определения этой зависимости два модуля STIC были откалиброваны на тестовом электронном пучке CERN (пучок Х5). Для определения точки входа электронов в калориметр использовался телескоп полупроводниковых трековых детекторов, обеспечивающий точность 40 мкм. Обратная функция (e^1(log (^т^")) даёт желаемую зависимость, которая приводит к характерному виду ошибки измерения от -г- типа "чайка" (см. рис.6) сг(г) = 0,12 — г 3j3 см. Разрешение равно ~ 200 мкм на границе между кольцами и ухудшается до 1,2 мм в центре кольца.

Из-за разницы в геометрии тестовых измерений и реальной геометрии области пересечения пучков измерение радиуса по определённой выше зависимости содержит в себе систематическую ошибку. Соответствующая поправка £(г) определялась из сравнения наблюдаемого радиального распределения событий Bhabha (N(r), см. рис. 7) и известной 'a priori' v(r), которая является сверткой теоретического распределения (~ г-3) и функции разрешения "чайка".

Так как N(r) = интегрируя, легко получить £(г) = Ф~1(^(г) + а), где Ф(£) = u(p)dp, F(r) = fr N(p)dp и a — константа, которая может быть вычислена из известной геометрии границ между кольцами. Определённая поправка (£(г) — г) меняется в пределах ±300 мкм, т.е весьма существенна для определения светимости. Корректность этой процедуры вычисления поправки была проверена на части статистики, в которой работал детектор максимума ливня, путём сравнения радиусов, независимо реконструированных двумя детекторами.

TESTBEAM

Рис. б. Зависимость пространственного разрешения STIC в радиальном направлении от расстояния до границы между кольцами.

Е о СЧ о о \ Z

10 15 20 ?

Rc , cm

Рис. 7. Наблюдаемое радиальное распределение N(r) для событий Bhabha рассеяния.

Двухглавая структура на границе между кольцами является результатом свертки истинного распределения с функцией разрешения детектора. Широкая модуляция распределения вызвана систематикой в реконструкции радиуса.

R — R,, , mm

Измерение светимости с помощью STIC

Процедура измерения светимости в эксперименте DELPHI подробно изложена s [3]. Точное измерение светимости играет ключевую роль в физике LEP, так как ;лужит основой измерения сечений ряда процессов в области Z-пика. Например, 1змерение сечения образования адронов ведёт к известному ограничению на число ?ипов нейтрино. Более того, точные измерения имеют прямое отношение к поиску юзона Хиггса, так как из результатов глобального фита всех данных получается зграничение на массу бозона Мн < 600 ГэВ/с2.

Светимость на LEP измеряется путём счёта числа событий реакции рассеяния шектронов на малые углы (ВЬаЬЬа-рассеяние) е+е~ —> e+e~(n^f). Масштаб требу-;мой точности измерений задаётся неопределённостью теоретических вычислений - .11%

Для прецизионного измерения необходимо точно задать геометрический аксеп-ганс, в котором регистрируются события реакции. Ошибка 8L существенно зави-:ит от точности знания внутреннего радиуса области геометрического аксептанса цетектора. Наблюдаемое сечение рассеяния Bhabha cracc ~ -д-21— и, следовательно,

А<Гасс — 2Аг™'". В нашем случае rmin ~ 10 см и требование ~ < 0,1% означает < 5о""мкм.

Расположение одного из детекторов STIC на пучке показано на рис.8.

DELPHI

Stainless Steel Beam pipe STIC Calorimeter

Range \ Outer Shield

Aluminum Seam Pipe p" \ J v- , . K „ , . Inner Shield (Side С only) ^— Interaction Point SB Mash . 176 mm ^

Tungsten Nose (Side С only)

STiC Scintillators

Рис. 8. Геометрия расположения одного из детекторов STIC на пучке.

Минимальный угол аксептанса в "правом" детекторе(ЗТЮ-С) определяется с помощью прецизионно обработанной проективной вольфрамовой "маски" (обозначенной на рисунке как "nose"), перекрывающей первое кольцо калориметра. Точность изготовления ~ 15 мкм. Отбор по энергии ливня на стороне "С" приводит из-за поглощения энергии в маске к автоматическому заданию внутреннего радиуса аксептанса с точностью ~ 25 мкм, что было проверено на тестовом пучке. Внешняя граница аксептанса задаётся по радиусу центра тяжести ливня, определяемого калориметром (Umax = 28 см). Аксептанс на противоположной стороне (STIC-А) задаётся менее "жёстким": Rmin = 7 см., Rmax — 31 см. Это делается для того, чтобы ликвидировать линейную часть зависимости аксептанса от движения центра области взаимодействия пучков в плоскости, перпендикулярной оси столкновения (как известно, координаты центра тяжести области взаимодействия пучков (IP) меняются от одного цикла работы LEP ("заполнения") к другому (см. ниже)).

Достоинства применяемого метода очевидны, недостатком является то, что "жёсткий" аксептанс задаётся маской, и нельзя чередовать от события к событию сторону, на которой задаётся "жёсткий" аксептанс (метод Барбеллини). Это приводит к линейной зависимости углового аксептанса от продольного движения области взаимодействия пучков (ось z). Контроль над ^ с точностью лучше 0,1% означает контроль A zip ~ 1 мм. Так как 2х^/р ~ , где d = 4,4 м — расстояние между калориметрами, а г^; г с — реконструированные радиусы ливней в калориметрах А и С, измерение (га — гс) должно иметь точность лучше 100 мкм.

Топология события Bhabha рассеяния — два электромагнитных ливня в левом и правом детекторах STIC с энергией, близкой к энергии пучка. Основной фон — от случайных совпадений электронов из гало пучка. Фон эффективно подавляется отбором по энергии ливней с максимальной энергией на сторонах А и С: ЕтахА,с > .65Еь- Чтобы продемонстрировать, что энергетический отклик калориметра мы понимаем на адекватном уровне, на рис.9 приведена зависимость интегральной светимости 1994 года как функция отбора по минимальной (из двух) энергий. Видно, что изменения заметно меньше 0,02%.

1.0008 1.0005 1.

0.9998 0.9995 0.9993 0.

Рис. 9. Изменение светимости в зависимости от отбора по Emin — минимальной энергии из Еатя. Ес ■

Второй отбор, необходимый для выделения событий Bhabha — по углу акопла-нарности, т.е разнице в азимутальных углах центров тяжести ливней на сторонах А и С: 160° <8ф< 200°.

Как уже отмечалось, основной источник систематики в измерениях светимости в DELPHI — это неопределённость в продольной координате точки взаимодействия пучков (IP). Точка взаимодействия определяется для каждого "заполнения" путём минимизации выражения ~2, где <4 — расстояние от IP до прямой линии, соединяющей центры ливней в калориметрах А и С, a Nb — количество событий

Bhabha в одном "заполнении". Небольшая поправка вводится при этом для учёта искривления траекторий в магнитном поле.

Соответствующая статистическая ошибка получается равной 8zjp — 100 мкм для Nb = Ю4. Зависимость реконструированного положения zip от номера "заполнения" представлена на рис.10. "Скачки" в зависимости в основном обусловлены отключениями отдельных ВЧ-резонаторов LEP. Ключевым моментом является контроль систематики в реконструкции радиуса ливня по всей площади калориметра. 10000 =

1 994 dcia fill number

Рис. 10. Реконструированная z- координата центра области взаимодействия пучков (мкм) в зависимости от номера "заполнения".

На рис.11 показана зависимость zjp от среднего радиуса (г = Тл\Тс )■ Видно, что для области г > 12 см систематика меньше ±0,3 мм, что соответствует систематической ошибке в измерении радиуса меньше ±40 мкм. Окончательный вклад неопределённости в реконструкции zip в измерение светимости ~ 0, 04%. В работе [3] проанализированы и некоторые другие источники систематики:

Измерение расстояния между модулями STIC 8L/L = 6 X 10~4. Температурные эффекты 8L/L = 2 х 10~4. Точность изготовления "маски" 8L/L = 4 х Ю-4. Отбор по энергии 8L/L = 3 х Ю-4. Отбор по углу акопланарности 8L/L = 1 х Ю-4.

Отбор по внутреннему радиусу геометрического аксептанса на стороне А 8L/L = 2 х 10~4.

• Отбор по внешнему радиусу геометрического аксептанса на стороне С 8L/L = 2 х Ю-4.

• Вычитание фона 8L/L = 2 х Ю-4.

• Неэффективность триггера 8L/L = 2 х Ю-4. 9500 =

Рис. 11. z-координата IP (мкм) в зависимости от f для событий Bhabha.

Суммируя различные вклады, получаем полную ошибку измерений 0,09%.