Радиационная стойкость и рабочие характеристики передних калориметров CMS тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

ъ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ИНСТИТУТ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКИ им. А.И. Алиханова

003067203

На правах рукописи

Ульянов Алексей Львович

РАДИАЦИОННАЯ СТОЙКОСТЬ И РАБОЧИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЕРЕДНИХ КАЛОРИМЕТРОВ CMS

Специальность 01.04.01 — приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических паук

МОСКВА 2006 г

003067203

Работа выполнена в ГНЦ РФ — Институте Теоретической и Экспериментальной Физики им. А.И. Алиханова.

Научный руководитель:

доктор физ.-мат. наук В.Б. Гаврилов (ГНЦ РФ ИТЭФ, г. Москва)

Официальные оппоненты:

доктор физ.-мат. наук А.Г. Долголенко (ГНЦ РФ ИТЭФ, г. Москва)

член-корр. РАН С.П. Денисов (ГНЦ РФ ИФВЭ, г. Протвино, Московская обл.)

Ведущая организация:

НИИЯФ МГУ, г. Москва

Защита состоится 23 января 2007 года в 11 часов на заседании диссертационного совета Д.201.002.01 в конференц-зале ГНЦ РФ ИТЭФ по адресу: г. Москва, ул. Б.Черемушкинская, д. 25

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНЦ РФ ИТЭФ

Автореферат разослан 21 декабря 2006 года

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук

/"В.В. Васильев

1. Общая характеристика работы

1.1. Актуальность темы

В 2007 году в ЦЕРН планируется ввести в эксплуатацию Большой Ад-ронный Коллайдер (LHC), который обеспечит протон-протонные столкновения с суммарной энергией в системе центра масс 14 ТэВ, что в семь раз превышает энергию протон-антипротонных столкновений на действующем в настоящее время коллайдере Tevatron (Лаборатория Ферми, США). Светимость в номинальном режиме работы коллайдера LHC должна составить L = 1034 см-2с-1, что в 50 раз больше светимости доступной на ускорителе Tevatron. Такие рабочие характеристики открывают новые возможности для исследований в области физики высоких энергий, но вместе с тем предъявляют более жесткие требования к физическим установкам и системам сбора данных.

Установка CMS (Compact Muon Solenoid) является детектором общего назначения для исследования процессов, происходящих при столкновении протонов (а также тяжелых ионов) высокой энергии на ускорителе LHC. Исследование многих процессов требует измерения недостающей поперечной энергии Eft^, а также регистрации струй в передней области установки, для чего необходимо герметичное калориметрическое покрытие в диапазоне псевдобыстрот \т}\ < 5. Однако работа в области 3 < |т/| < 5 предъявляет к калориметрам очень жесткие требования, в первую очередь в отношении радиационной стойкости, что исключает возможность применения в этой области сцинтилляторов и многих других традиционных технологий. Передние калориметры CMS были построены по новой для калориметров технологии: в качестве активной среды в них используются кварцевые волоконные световоды. ■■

1.2. Цель диссертационной работы

Диссертация посвящена исследованиям, выполненные на этапе разработки и создания передних калориметров для эксперимента CMS. Первой целью исследований являлось определение возможности использования кварцевых волокон в качестве активной среды передних калориметров, с точки зрения радиационной стойкости таких волокон. Другой целью являлось измерение реальных рабочих характеристик передних калориметров на примере полностью собранных модулей калориметра.

1.3. Научная новизна и практическая ценность

На момент выбора технологии для создания передних калориметров отсутствовали подробные данные о степени и характере повреждений кварцевых волокон под воздействием высоких доз радиации, ожидаемых в передних калориметрах (до 1 Град за десять лет работы эксперимента), что и мотивировало исследования, представленные в диссертационной работе. Эти исследования показали, что кварцевые волоконные световоды определенных типов обладают достаточной радиационной стойкостью для использования в передних калориметрах, и позволили сделать окончательный выбор технологии для создания передних калориметров в эксперименте CMS в пользу кварцевых волокон.

Испытания модулей калориметра на пучках частиц высоких энергий позволили произвести калибровку отклика и измерить рабочие характеристики реальных калориметров, которые будут использоваться в эксперименте. • •:

1.4. Положения, выносимые на защиту

/Методика и результаты измерения спектров оптического поглощения ©кварцевых волоконных световодах, подвергнутых высоким дозам 7-облучения (от 10 до 1000 Мрад).

: 2. Методика калибровки модулей переднего калориметра на пучке электронов.

3. Методика и. результаты измерения среднего отклика и энергетического разрешения модулей калориметра на пучках электронов и 7г- мезонов различных энергий.

4. Результаты исследования пространственной однородности отклика модулей калориметра на электроны и ж- мезоны.

5. Результаты измерения поперечного профиля отклика калориметра для электронов и 7г- мезонов.

1.5. Личный вклад диссертанта

Диссертант производил обработку данных измерения спектров поглощения в кварцевых световодах и принимал активное участие в анализе полученных результатов. Автор диссертации участвовал в сборке и настройке экспериментальной установки для испытания модулей калориметра на тестовом пучке, принимал участие в сеансах измерений и сделал основной вклад в анализ полученных данных. Диссертант принимал непосредственное участие в подготовке результатов исследований к публикации.

1.6. Апробация работы и публикации

По материалам диссертации опубликовано четыре научных статьи, одна из них — в российском журнале "Приборы и техника эксперимента". Результаты работы докладывались автором на конференциях: "9th Annual RDMS CMS Conference" (Минск, 2004) и "9th International Conference on Advanced Technology and Particle Physics" (Комо, 2005), а также на рабочих собраниях группы адронного калориметра CMS в ЦЕРН.

1.7. Объем и структура диссертации

Работа изложена на 104 страницах; состоит из введения, трех основных глав, заключения и приложения; включает 58 рисунков и 7 таблиц. Список цитируемой литературы содержит 52 наименования.

2. Содержание работы

Во введении к диссертации изложены основные цели эксперимента CMS, объясняется роль передних калориметров и мотивируется использование кварцевых световодов в качестве активных элементов калориметров.

Передние калориметры расширяют область калориметрического покрытия в установке CMS до г/ « 5. что необходимо в первую очередь для измерения недостающей поперечной энергии E^1SS. Одним из процессов, где требуется измерение недостающей поперечной энергии, является распад бозона Хиггса Н —► WW —> l+vl~V, котбрый является основным каналом для поиска бозона в массовом диапазоне 2М\\ < Мц < 2М%. Другим примером, где важна регистрация недостающей энергии, является поиск суперсимметричных1 частиц, таких1 как слептоны, скварки и глюино. Передние калориметры нужны также для реконструкции передних таггирующих струй, которые являются характерным признаком процессов,- идущих через слияние векторных бозонов. Слияние векторных бозонов является' одним из механизмов рождения хиггсовых частиц в протон-протонных взаимодействиях, и регистрация таггирующих струй позволяет значительно снизить фоны для такого процесса.

Выбор технологии для создания калориметров был продиктован в первую очередь требованием устойчивости к большим радиационным нагрузкам, ожидаемым в передней области установки.

В первой главе дано краткое описание экспериментальной установки CMS, обсуждаются основные требования, предъявляемые к передним калориметрам, затем подробно описаны конструкция и принцип работы этих

детекторов.

Основу экспериментальной установки составляет сверхпроводящий соленоид длиной 13 метров с внутренним диаметром 5,9 метров, создающий внутри установки магнитное поле с индукцией 4 Тесла. Вокруг соленоида располагается мюонная система, а внутри размещены калориметры и центральный трековый детектор. Калориметры, расположенные внутри магнита, покрывает область псевдобыстрот f-sryJ < 3 и состоят из электромагнитных калориметров на основе кристаллов вольфрамата свинца и адронных калориметров на основе пластин органического сцинтиллятора и латунного поглотителя. Область 3 < |7у| < 5,2 закрывается двумя передними калориметрами, расположенными на расстоянии 11 метров от номинальной точки взаимодействия протонов (то есть за пределами соленоида).

Из всех Детекторов установки CMS передние, калориметры располагаются в области максимальных потоков частиц и энергии. Поэтому выбор технологии для создания передних калориметров определялся в первую очередь возможностью их работы в условиях высокой радиации. Другими факторами, учитывавшимися при создании детекторов, являлись следующие:

1. Быстрота отклика. Множественные протон-протонные взаимодействия при каждом столкновении пучков создают заметный фон для сигнального (жесткого) события. Для того чтобы избежать дополнительного фона от соседних столкновений пучков, характерное время отклика калориметра (длина импульса) должно быть меньше времени между последовательными столкновениями .пучков (25 не).

2. Регистрируемый поперечный размер ливня. В области больших псевдобыстрот характерный размер адронных струй становится сравним с поперечным размером адронного ливня. Например, при г] = 4,5 на расстоянии 11 метров от точки взаимодействия (где находятся передние калориметры) Дф — 0,5 соответствует линейный размер около 12 см. Это затрудняет пространственное; разделение струй и фоновых частиц и тем самым ухудшает точность измерения энергии струй. В этом случае оказывается предпочтителен калориметр, который имеет узкую пространственную функцию адронного отклика.

3. Чувствительность к наведенной радиоактивности. Следствием больших доз облучения является радиоактивация материалов детектора, что в свою очередь создает дополнительный фон при измерении сигналов. Для уменьшения этого фона желательно иметь калориметр с низкой чувствительностью к продуктам распада радиоизотопов.

4. Энергетическое разрешение. При равной поперечной энергии полная энергия частиц, попадающих в передний калориметр, на один-два порядка

больше энергии частиц, летящих под углом 90° к оси пучков. Поэтому требования к величине стохастического члена в энергетическом разрешении для передних калориметров существенно ниже, чем требования для центральных калориметров. В случае передних калориметров разрешение для отдельных частиц на уровне 6Е/Н --■ '¿{){)%/\/Ё © 10% вполне достаточно для основных физических задач.

С учетом указанных выше критериев в качестве технологии для создания передних калориметров CMS былы выбраны калориметры на основе кварцевых волоконных световодов. Сигнал в таких калориметрах образуется при пересечении волокон быстрыми заряженными частицами за счет эффекта Вавилова-Черенкова. Небольшая часть излученного света (порядка 1 %) захватывается в апертуру волоконных световодов и распространяется вдоль них без значительных потерь (за счет эффекта полного внутреннего отражения). Мгновенность черенковского излучения обуславливает быстроту отклика детектора: временные характеристики отклика калориметра определяются в основном динамикой ливней и скоростью распространения света по волоконным световодам, а также свойствами используемых фотодетекторов. Другой особенностью рассматриваемых калориметров является то, что сигнал создается лишь достаточно быстрыми частицами (со скоростью v > с/п, где п — показатель преломления кварца). Это делает калориметр чувствительным преимущественно к электромагнитной компоненте адронных ливней.

Передний калориметр (рис. 1) представляет собой цилиндрическую конструкцию с центральным отверстием диаметром 25 см'для' проводки пучков. Стальной поглотитель калориметра собран из 18 отдельных ^клинообразных модулей (секторов) и имеет внешний диаметр 260 см и длину 165 см. Кварцевые волокна проходят через поглотитель параллельно оси пучков. На выходе; из поглотителя волокна собираются Ь пучки и соединяются; с фотоумножителями посредством полых световодов, которые проходят через многослойную радиационную защиту толщиной 42,5 см. В качестве фотодетекторов применяются 8-динодные фотоумножители R7525 фирмы Hamamatsu Photonics (Япония) с рабочим коэффициентом усиления порядка 105. Волокна собираются в пучки таким образом, что каждый модуль оказывается разделен на 24 башни. Поперечный размер большинства башен составляет Ат) х Аф = 0,175 х 0,175. В калориметре используется два типа световодов: длинные световоды, которые проходят через всю длину поглотителя, и короткие, которые начинаются на глубине 22 см от передней поверхности детектора. Волокна уложены в сквозные отверстия, которые в поперечном сечении детектора образуют квадратную решетку, так что расстояние между соседними волокнами составляет 5 мм, при этом в каж-

Рис. 1. Продольное сечение переднего калориметра.

дом ряду чередуются длинные и короткие волокна. Считывание длинных и коротких волокон производится независимо, что обеспечиваег продольную сегментацию детектора. В сегменте с длинными волокнами детектируется полная энергия как адронных, так и электромагнитных ливней, в то время как сегмент с короткими волокнами чувствителен преимущественно к энергии выделяемой адроинымя ливнями. Используемые волокна имеют диаметр кварцевой сердцевины 600 микрон и полный диаметр, включая защитную оболочку, 800 микрон. Объемное содержание кварца составляет 0,57% в первых 22 см калориметра и в два раза больше в остальной его части.

Измерение сигналов калориметра производится с помощью специализированной электроники (С31Е), которая производит непрерывное интегрирование сигналов в последовательных интервалах длительностью 25 не (интервал времени между столкновениями пучков на ЬНС). Для оцифрованных сигналов используется нелинейное 7-битное представление, которое покрывает динамический диапазон 1:10000.

Во второй главе представлена методика и результаты исследований радиационной стойкости кварцевых волоконных световодов с целью их использования в качестве активных элементов передних калориметров. Для

Рис. 2. Схема установки для измерения спектров поглощения световодов: 1 — источник оптического излучения, 2 — светофильтр, 3 — механический модулятор,.^ — световод, 5 — стыковочное устройство, 6— опорный световод, 7 — спектральный измерительный комплекс, 8 — фотоприемник, 9 — синхронный усилитель, 10 — АЦП, И — персональный компьютер.

комплексом. Стыковка исследуемого волокна 4 с опорным волокном 6 осуществлялась с применением иммерсионной жидкости.

При измерениях применялись две методики. Первая (с использованием опорного световода 6, необлученного, того же типа, что и исследуемый световод заключалась в том, что записывался спектр излучения 1\(Л), прошедшего через оба волокна. Затем исследуемый световод убирался, а вход опорного световода подключался к источнику 1 тем же способом, каким перед этим был подключен исследуемый световод. Записывался спектр оптического излучения /гМ, прошедшего теперь только через опорный световод. Спектр потерь ^4(Л), или коэффициент поглощения, выраженный в дБ/м, вычислялся по формуле

10 /2(А)

где I/ - длина исследуемого волокна в метрах.

Вторая методика заключалась в том, что в качестве опорного волокна использовалась часть исследуемого. После записи спектра излучения /1 (Л), прошедшего через весь исследуемый световод, обламывался и удалялся отрезок длиной Ь. Оставшаяся часть использовалась в качестве опорного волокна, то есть подключалась к источнику 1, после чего записывался

спектр /г(А). Спектр потерь определялся по той же формуле 1. Две методики были использованы для уменьшения систематических ошибок и контроля измерений, а также из-за необходимости тестирования как длинных так и коротких облученных образцов (когда вторая методика неприменима). Все спектры измерялись с шагом по длине волны около 0,5 нм.

По результатам измерений волокна, приведенные в табл. 1, можно условно разделить на три группы: кварц-кварцевые волокна с высоким содержанием групп ОН (световоды типов I, II, III), кварц-кварцевые волокна с низким содержанием ОН (световоды типов IV, V) и кварцевые волокна с полимерной светоотражающёй оболочкой (световоды типов VI, VII).

Для всех волокон первой группы были получены качественно схожие результаты (рис. 3). Уже при дозе 10 Мрад наблюдалось сильное поглощение (более 10 дБ/м) в области длин волн менее 330 нм. Одновременно увеличилось поглощение в окрестности 630 нм, что во многих исследованиях идентифицируется как линия поглощения радиационного дефекта "немостиковый кислород" (РДНК). При этом важно отметить существование окна прозрачности (400-550 нм), в котором рост оптических потерь с увеличением дозы остается минимальным.

Для облученных волокон с низким содержанием ОН наблюдалось относительно небольшое поглощение в окрестности 630 нм, что подтверждает известный факт, что присутствие групп ОН способствует образованию РДНК. Однако необходимо отметить, что поглощение в коротковолновой части спектра в сильной степени определяется технологией изготовления "сухих" волокон. В большинстве случаев малая концентрация ОН компенсируется повышенным содержанием хлора (волокно типа IV), что вызывает сильное поглощение в облученных волокнах на длинах волк менее 500 нм. Волокно типа V, в котором содержание хлора было минимально, показало хорошие результать1 при дозах облучения вплоть до 680 Мрад, но в сильной степени потеряло прозрачность при облучении до 1000 Мрад.

Коэффициент поглощения в световодах с полимерной светоотражающей оболочкой уже при дозе 57 Мрад составлял не менее 7 дБ/м во всем диапазоне длин волн менее 600 нм. По-видимому такие сильные потери связаны с существенными повреждениями в цепочках полимеров. В волокнах типа VII полимерная оболочка превратилась в желе после дозы 680 Мрад, и волокно потеряло механическую прочность. Сильные радиационные повреждения в кварц-пластиковых волокнах, в том числе и механическое разрушение, отмечались и в других исследованиях. Необходимо, однако, заметить, что недавние радиационные испытания световодов с полимерной оболочкой от американской фирмы Polymicro Technologies, не выявили существенных различий в прозрачности облученных световодов этого типа и

этого были измерены спектры оптического поглощения в кварцевых световодах различных типов, подвергнутых высоким дозам облучения 7-кван-тами от 60Со. Выбор спектрального диапазона измерений (200-700 нм) был обусловлен, спектром черепковского излучения (¿^^/¿Х ~ 1 /Л2) и областью прозрачности кварца (А > 200 нм). Список исследованных световодов приведен в табл. 1.

Таблица 1. Данные об исследованных световодах

Тип во- Производитель Марки- Тип обо- Концен- Диаметр сердце-

локна ровка лочки трация вины/оболочки,

ОН, ррт мкм

I Инфос (Россия) КУ Кварц 1000 300/325

II Ро1уписго (США) FVP Кварц 1000 300/330

III Вкгоп (США) HCG Кварц 1000 500/550

IV Инфос (Россия) ; КУВИ Кварц 10 300/325

V Инфос (Россия) КС-4В2 Кварц ОД 300/325

VI Сегат Ор1ес (Герма- PUV Полимер 500/550

VII Сегат Ор1ес (Герма- HUV Полимер 500/540

ния)

Образцы волоконных световодов длиной три метра, свернутые в бухты диаметром 290 мм, а также в виде прямых кусков длиной 280 мм облучались в радиационной установке С1ГС-120-М Института физической химии РАН. Облучение производилось непрерывно с мощностью дозы около 640 рад/с. Образцы получили интегральную дозу 10,. 57, 100,, 680 и 1000 Мрад. Через 2-3 часа после извлечения образцов из радиационной установки проводились спектральные измерения оптического поглощения на спектрометре Института радиотехники и электроники РАН (рис. 2).

В качестве источника 1 оптического излучения в диапазоне 200-500 нм использовалась дейтериевая лампа, а в диапазоне 500-700 нм — лампа накаливания. Пройдя через светофильтр 2 и.механический модулятор 3, свет поступал в исследуемый световод 4, который в зависимости от используемой методики пристыковывался либо к опорному световоду 6 с помощью стыковочного устройства 5, либо непосредственно ко входу спектрального измерительного комплекса 7(КСВУ-22). Промодулированньтй оптический сигнал на выходе измерительного комплекса детектировался фотоприемником 8 (ФЭУ-100) и поступал иа синхронный усилитель 9. Сигнал с выхода усилителя оцифровывался при помощи АЦП 10, информация с которого передавалась в персональный компьютер 11, управляющий измерительным

Рис. 3. Оптическое поглощение в волокнах типов 1(а) и П(б) для разных доз облучения в зависимости от длины волны (нм): 1 — необлученный световод, 2- Ю Мрад, 5—57 Мрад, 4 - 100 Мрад, 5 - 680 Мрад, 6 - 1000 Мрад.

аналогичных световодов с кварцевой оболочкой. Более того, испытания ме-: панической прочности таких световодов не обнаружили снижения прочности испытанных волокон с полимерной оболочкой в результате облучения.

Описанные выше измерения проводились через 2-3 часа после завершения процесса облучения. С целью изучения возможного восстановления прозрачности световодов измерения повторялись через несколько суток, однако существенных изменений в спектрах поглощения волокон обнаружено ...не было. Это согласуется с результатами последующих, исследований, где отмечалось частичное восстановление прозрачности волокна в течение первого часа после прекращения облучения, а дальнейшие изменения прозрачности были незначительны.

Помимо измерений оптического, поглощения было также исследовано влияние облучения на апертуру световодов (для волокон типов I, II и IV), поскольку апертура световодов непосредственно влияет на световыход калориметра. Для определения апертуры свет вводился в волокно при помощи короткофокусного объектива, а на другом, конце световода измерялась интенсивность выходного излучения в зависимости от угла между осью волокна и направлением на фотоприемник. Полученная зависимость имела вид колоколообразной кривой, у которой измерялась полуширина на высоте, равной одной десятой от максимальной величины сигнала. За апертуру световода принимался синус этой величины. У всех исследованных волокон (волокон типов I, II и IV) значение апертуры составило 0,23±0,01. В пределах точности эксперимента различий в измеренных значениях апертуры для облученных и необлученных световодов обнаружено не было.

Результаты измерений оптических потерь в облученных световодах, полученные в данной работе, позволили провести подробное моделирование снижения отклика калориметра на адронные струи в результате радиационных повреждений, получаемых волоконными световодами в процессе работы детектора. При использовании кварц-кварцевых световодов типа I ожидаемое снижение световыхода калориметра за десять лет работы установки в режиме высокой светимости не превышает 40 % даже в 'области высоких псевдобыстрот (г/ = 5). Такое снижение световыхода безусловно потребует внесения поправок в калибровку калориметра, но не повлияет существенным образом на качество работы детектора.

Последующие исследования с измерением оптического поглощения непосредственно во время облучения, хотя и выявили частичное восстановление прозрачности световодов после прекращения облучения, в целом подтверждают выводы данной работы. Различие коэффициентов поглощения во время и через несколько часов после прекращения облучения для исследованных световодов не превышало 1 дВ/м, что не является принципиальным с точки зрения функционирования калориметра (измерения проводились при поглощенной дозе около 100 Мрад).

Данные исследования радиационной стойкости волоконных световодов подтвердили возможность использования кварцевых волокон в качестве активной среды переднего калориметра CMS и позволили сделать окончательный выбор технологии для создания этого детектора.

Третья глава диссертации посвящена измерению рабочих характеристик передних калориметров на тестовых пучках электронов, 7г-мезонов и мюонов высоких энергий. Основные свойства черенковского калориметра на основе кварцевых волокон были изучены ранее на примере нескольких прототипов. Эти исследования показали принципиальную возможность ис-

пользования данной технологии для создания переднего калориметра CMS и позволили оптимизировать его окончательную конструкцию. В 2004 году шесть из 36 полностью собранных модулей переднего калориметра были протестированы на вторичном пучке Н2 ускорителя SPS в ЦЕРНе. Основными целями этих испытаний являлись определение рабочих характеристик1 окончательной конструкции калориметра и абсолютная энергетическая калибровка нескольких модулей калориметра. Было также измерено соотношение между откликом калориметра на частицы высоких энергий и откликом на радиоактивный источник 60Cö, что в дальнейшем позволило использовать радиоактивный источник для калибровки остальных модулей калориметра.

Для пучковых тестов модули калориметра поочередно устанавливались на горизонтальную платформу, которая могла перемещаться в горизонтальном (А') и вертикальном (Y) направлениях перпендикулярно оси пучка. Положение платформы измерялось с точностью 0,1 мм. Угол наклона модуля по отношению к оси пучка мог изменяться в диапазоне от в = 0° до в = 5°. В качестве триггера для системы сбора данных использовалось совпадение сигналов от двух сцинтилляционных счетчиков, которые выделяли из пучка область размером 5 см х 5 см. Позади калориметра за массивным стальным блоком был установлен сцинтилляционный счетчик для идентификации мюонов. Пять пропорциональных проволочных камер, установленных перед калориметром на расстояниях 1578, 1471, 1271, 225 и 100 см, позволяли восстанавливать траектории частиц.

Измерение сигналов калориметра производилось посредством QIE — специализированных АЦП, которые будут применяться для считывания калориметра в эксперименте CMS. При обработке данных для всех каналов была введена единая энергетическая шкала отклика'Путем калибровки модулей калориметра на электронах с энергией 100 ГэВ. По определению в этой шкале1 (называемой далее электромагнитной шкалой) полный отклик сегмента с длинными волокнами на электрон с энергией 100 ГэВ при отсутствии утечек составляет 100 ГэВ. Использование электронов обусловлено в первую очередь относительно небольшими поперечными утечками энергии за пределы модуля (по сравнению с утечками при использовании адронов). Чтобы уменьшить влияние пространственной неоднородности на калибровку детектора, передняя поверхность модуля полностью подвергалась сканированию электронами. Затем, для всех частиц, попавших ® определенную башню г, вычислялись средний отклик сегмента с длинными волокнами Afj и средний отклик сегмента с короткими волокнами А?- в каждой башне j. Далее требовалось, чтобы полный отклик всего модуля (для длинных во-

локон) равнялся энергии электронов

A^w)' = 100 GeV,

(2)

з

где иР- — неизвестный калибровочный коэффициент для башни ]. Для всех башен получалось 24 линейных уравнения, решение которых давало искомые коэффициенты. Калибровка сигналов от коротких волокон производилась аналогично, однако полный сигнал нормировался на 30 ГэВ:

поскольку при равных коэффициентах усиления ФЭУ отклик сегмента с короткими волокнами на электроны с энергией 100 ГэВ в среднем составлял 30 % от отклика сегмента с длинными волокнами.

Описанная выше процедура калибровки полностью учитывает утечки энергии из одной башни калориметра в другую. Для снижения влияния поперечных утечек за пределы модуля из процедуры калибровки исключались события, в которых точка попадания частицы в калориметр находилась ближе 2 см от края модуля. Для остальных событий применялась небольшая поправка на утечки энергии за пределы модуля, в зависимости от расстояния до границ модуля. Зависимость утечек сигнала от расстояния до граничной поверхности была определена экспериментально путем измерения отклика в одном полусекторе, в то время когда частица попадала в другую половину модуля (рис. 4). Для электронов поперечное распределение сигнала оказывается шире в сегменте с короткими волокнами, поскольку размеры ливня увеличиваются по мере проникновения в калориметр. Для пионов же лишь небольшая часть сигнала выделяется в первых 22 см калориметра, поэтому отсутствуют существенные различия между распределениями в различных сегментах.

С целью определения удельного световыхода калориметра сигналы фотоумножителей были также откалиброваны в фотоэлектронах (по положению однофотоэлектронного пика). По результатам измерений в нескольких модулях средний световыход калориметра составил 0,28 ф.э./ГэВ ( в электромагнитной шкале энергий) со среднеквадратичным отклонением 11,5%. Разброс значений световыхода обусловлен различиями в квантовой эффективности фотокатодов, а также различными потерями света на выходе из волокон и при прохождении через полые световоды.

Измерения отклика калориметра и энергетического разрешения проводились для электронов с энергией от 30 до 150 ГэВ и для 7г~-мезонов с

(3)

10-

10"

: rrjTT : I j ! • ; r гггттт-т-j i т i • тт

a long segment a short segment

CT

Га i

тЬЧД

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 X (mm)

1 y^iiiiit^^-HaiiiiiHiJi^iiivuL^iiiiiy

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 X (mm)

Рис. 4, Доля сигнала, измеренная половиной модуля, в зависимости от расстояния между точкой попадания частицы в калориметр и границей между двумя половинами модуля для электронов с энергией 100 ГэВ (левый рисунок) и для пионов с энергией 100 ГэВ (правый рисунок). Для нормировки используется сигнал, измеренный полным модулем при попадании частиц в. его центр, соответственно доля сигнала составляет 50%, когда частица •падает на^границу.между, двумя половинами модуля (X = 0)... .

энергией от 30 до 300 ГэВ. Угол между осью пучка и направлением волокон ;в .этих измерениях составлял в = 3,2°. Зависимость отклика калориметра от энергии падающих частиц показана на рис. 5. Электронный отклик сег-;:мента:С длинными'Волокнами линеен в измеренном диапазоне энергий с точностью около 1%. В сегменте с короткими волокнами наблюдается рост удельного отклика с увеличением энергии электрона, что связано с увеличением глубины проникновения электромагнитного ливня в калориметр.

При измерении энергии адронных частиц калориметр на основе кварцевых волокон чувствителен* в основном к электромагнитной составляющей адронных ливней, то есть является сильно некомпенсированным калориметром. -Поэтому отклик сегмента с длинными волокнами существенно ниже для пионов, чем для электронов той же энергии. С ростом энергий пионов удельный отклик увеличивается из-за роста доли электромагнитной составляющей в адронных ливнях. Отклик сегмента с короткими волокнами немного меньше отклика сегмента с длинными волокнами из-за поглощения энергии в первых 22 см детектора (1,4А^).

Различие в отклике калориметра на разные типы частиц делает его чув-

>>

D>

Ш С Ш

Ф w с о

О. (Л

Ш

сс

"О 20 40 60 80 100120140160180200 Energy (GeV)

50 100 150 200 250 300 350 Energy (GeV)

Рис. 5. Удельный отклик калориметра в зависимости от энергии падающей частицы для электронов (левый рисунок) и для заряженных пионов (правый рисунок). Кружками обозначен отклик сегмента с длинными волокнами, квадратиками — отклик сегмента с короткими волокнами. В отклике калориметра сделаны поправки на поперечные утечки энергии.

ствительным к флуктуациям состава адронных струй, ухудшая тем самым их энергетическое разрешение. Различие в отклике калориметра на адроны и электромагнитные частицы может быть уменьшено, если сложить сигналы с обоих сегментов (см. рис. 6). Отношение сигналов 7г/е в этом случае составляет 0,89 при энергии 30 ГэВ и увеличивается до 0,99 при энергии 150 ГэВ.

Зависимость энергетического разрешения калориметра от энергии электронов и пионов представлена на рис. 7. В исследованном диапазоне энергий разрешение калориметра хорошо аппроксимируется суммой стохастического и постоянного членов. При сложении сигналов с двух сегментов калориметра разрешение составляет а/Е = 198%/V^ ф 8,5% для электронов и а/Е = 279%/у/Ё © 11,4% для пионов. Стохастический член в электромагнитном разрешении калориметра определяется статистическими флук-туациями числа фотоэлектронов на фотокатоде ФЭУ, а постоянный член обусловлен пространственной неоднородностью калориметра (расстояние между соседними волокнами сравнимо с поперечными размерами электромагнитного ливня). Так как исследуемый калориметр сильно нескомпен-сирован, существенный вклад в адронное разрешение вносят флуктуации доли электромагнитной энергии в ливне. Относительная величина таких

>Л6 Е?

£ 1.4 ш

Ф 1.2 Iл

с:

§. 1 от

£ 0.8

0.6 0.4

0.2

• е1ес1гопБ (1опд+эЬоЛ) ° р1опэ (1опд+з1то11)

' ' I ' ' ■ ■ 1 ■ ' > ■ ! ■ м 1 1 1 ■ 1 * ' ' ■ ' ' ■ '

50 100 150 200 250 300 350 _ Епегду (Эе\/)

Рис. 6. Суммарный отклик двух сегментов калориметра на электроны (кружки) и пионы (квадратики) в зависимости от энергии частицы.

Рис. 7. Относительное энергетическое разрешение калориметра для электронов (слева) и пионов (справа). Кружками обозначено разрешение для сегмента с длинными волокнами, а квадратиками — разрешение, полученное при сложении сигналов в двух сегментах. Кривые соответствуют аналитической параметризации разрешения в виде суммы стохастического и постоянного членов.

>

а> О

.120

100

<ц

со

о 80 о.

03

<и

^ 60 40 20

" |" 11 ]11'11111111

! ! 1 !

АЛЛА

-40 -

" " I" " Iг"111

лл

АЛ

I I I I . ■ . . I I Ч ■ I

40-30-20-10 0 10 20 30 40 50 X (тт)

Рис. 8. Зависимость отклика калориметра на электрон с энергией 100 ГэВ от точки входа частиц в поглотитель (горизонтальная координата). Верхняя кривая соответствует сегменту с длинными волокнами, нижняя - сегменту с короткими волокнами.

флуктуаций слабо уменьшается с ростом энергии исходной частицы, поэтому их вклад в энергетическое разрешение доминирует при энергиях частиц свыше 100 ГэВ и определяет величину постоянного члена.

Для исследования пространственной однородности отклика поверхность модулей облучалась пучками электронов и пионов с энергией 100 ГэВ. В зависимости отклика калориметра от горизонтальной координаты, показанной на рис. 8, наблюдались осцилляции с периодом 5 см, причем положение пиков сигнала соответствовало координатам световодов. Такая зависимость электронного отклика от координаты связана с тем, что для электронов, попадающих в калориметр вблизи оптических волокон, эффективная доля активного вещества получается выше чем для электронов, которые попадают в калориметр между волокнами. Более сильные осцилляции во втором сегменте обусловлены присутствием дополнительного эффекта: за счет наличия канавок со световодами глубина проникновения электромагнитного ливня в этих местах увеличивается, что приводит к увеличению отклика сегмента с короткими волокнами в местах расположения канавок.

На рис. 8 также видно влияние небольшой вертикальной щели (при X = 0) между блоками поглотителя, из которых изготовлен модуль калориметра, на величину измеряемого сигнала. Из-за несколько увеличенного

расстояния между рядами световодов по разные стороны щели происходит падение отклика в сегменте с длинными волокнами, тогда как в сегменте с короткими волокнами наблюдается увеличение сигнала в месте расположения щели, связанное с более глубоким проникновением электромагнитных ливней внутрь калориметра. При сложении сигналов с обоих сегментов калориметра упомянутые эффекты в значительной степени компенсируют друг друга.

К другим источникам неоднородности отклика относятся наличие сломанных и поврежденных кварцевых волокон, а также зависимость световых потерь в воздушном световоде от положения отдельного волокна в пучке световодов. Для количественной оценки пространственной неоднородности отклика калориметра, связанной с погрешностями сборки, передняя поверхность модуля была разбита на ячейки.размером,2 см х 2 см, и в каждой ячейке был вычислен средний отклик калориметра на электрон с энергией 100 ГэВ. Разброс (дисперсия распределения) в значениях среднего от. клика для разных ячеек составил 5-6 % в зависимости от модуля и сегмента калориметра, что является дополнительным вкладом в энергетическое разрешение. Разброс средних значений отклика для пионов оказался заметно меньше — 3-4%, что связано с существенно большими поперечными размерами адронных ливней.

В эксперименте CMS частицы, летящие из точки взаимодействия, будут попадать к передний калориметр под углами от 0, 7° до 5, 7° относительно ;0.си | калориметра. Поэтому были произведены измерения отклика калориметра на электроны с энергией 100 ГэВ при различных углах наклона калориметрического модуля относительно пучка. Для сегмента с длинными волокнами изменения отклика в диапазоне углов от 0° до 5° не превышали ±1%, однако для сегмента с короткими волокнами наблюдалось заметное увеличение среднего отклика при, углах менее 1°: при уменьшении угла от 1° до,0° рост сигнала составил около 3%. Этот эффект обусловлен глубоким проникновением в калориметр электромагнитных ливней от электронов, попадающих в канавки для волокна под малыми углами. При углах менее 1° также происходит существенное ухудшение энергетического разрешения. Это объясняется увеличением пространственной неоднородности отклика при малых углах: когда электрон попадает в калориметр вблизи волокна^ порожденный им ливень оказывается сконцентрированным вокруг световода и отклик калориметра резко возрастает.

Для изучения чувствительности калориметра к мюонам несколько башен калориметра были облучены мюонами с энергией 150 ГэВ. Так как .энергетические потери мюона внутри калориметра невелики, отклик самого детктора является незначительным (около 3 ГэВ). Однако измерения по-

казали, что мюоны, траектория которых проходит через фотоумножители, в среднем создают сигнал эквивалентный 125 ГэВ. Этот эффект обусловлен черенковским излучением мюона в стеклянном окне фотоумножителя. Такие события характеризуются большим сигналом в отдельной башне калориметра, причем лишь в одном из продольных сегментов, что дает возможность их идентификации в будущем эксперименте.

Исследование свойств установки CMS в отношении реконструкции ад-ронных струй проводилось при помощи компьютерного моделирования событий. Полученные оценки показывают, что при равной поперечной энергии адронных струй передние калориметры обеспечивают энергетическое разрешение лучшее, чем разрешение для струй в центральной области детектора. Это связано с тем, что для заданного значения Ет полная энергия струй, попадающих в передние калориметры значительно больше энергий центральных струй.

В заключении кратко изложены основные результаты работы:

1. Измерены спектры оптического поглощения и апертура кварцевых волоконных световодов нескольких типов, подвергнутых облучению 7-кван-тами от радиоактивного источника 60 Со . Дозы облучения составляли 10, 57, 100, 680 и 1000 Мрад. Результаты измерений показали, что определенные типы кварцевых волокон обладают радиационной стойкостью достаточной для их использования в качестве активной среды переднего калориметра CMS.

2. Разработан метод энергетической калибровки модулей переднего калориметра на пучке электронов. Шесть модулей калориметра были отка-либрованы этим методом, что обеспечивает основу для переноса калибровки на весь калориметр путем измерения отклика детектора на радиоактивный источник или путем учета поправок на различия в коэффициентах усиления ФЭУ.

3. Произведена калибровка фотоумножителей по положению однофо-тоэлектронного пика, что позволило измерить световыход калориметра. Удельный световыход в среднем составил 0,28 фотоэлектронов на 1 ГэВ поглощенной энергии (в электромагнитной шкале). При этом разброс значений световыхода для разных ячеек калориметра составил 11,5%.

4. Измерена зависимость отклика калориметра от энергии электронов в диапазоне от 30 до 150 ГэВ и от энергии 7г~-мезонов в диапазоне от 30 до 300 ГэВ. Для электронов отклик сегмента с длинными волокнами линеен с точностью до 1 %, в то время как удельный отклик сегмента с короткими волокнами растет с увеличением энергии падающих частиц, что связано с увеличением глубины проникновения электромагнитных ливней. Отклик калориметра па 7г~-мезоиы в сегменте с длинными волокнами существенно

ниже отклика на электроны и к тому же заметно нелинеен, что является следствием сильной нескомпенсированности калориметра. Для суммы сигналов с обоих сегментов калориметра отношение откликов 7г/е близко к единице в измеренном диапазоне энергий.; - - ■■•;■. ¡--,

- 5. В измеренном диапазоне энергий энергетическое; разрешение калориметра хорошо аппроксимируется суммой стохастического и постоянного членов и при сложении ,сигналов с-'обоих сегментов калориметра составляет а/Е = 198%/ч/Я Ф 8, 5% для электронов, и а./Е — 279%/%/Б ® 11,4% для 7г-мезонов:.при,'падении частиц под углом 2° относительно на-

правления волокон. Электромагнитное разрешение определяется в основном статистическими флуктуациями числа фотоэлектронов и конструктивными неоднородностями калориметра. Из-за нескомпенсированности калориметра адронное разрешение имеет значительный вклад от флуктуаций доли электромагнитной компоненты в адронных ливнях, который становится доминирующим при энергиях порядка 100 ГэВ и выше. :,

6. На примере нескольких модулей была измерена, пространственная неоднородность отклика калориметра. Помимо осцилляций отклика, связанных с конструктивными особенностями калориметра, были выявлены неоднородности, связанные с иеидеалыюстью сборки детектора. При усреднении по области 2 см х 2 см неоднородность отклика составляет в зависимости от модуля и сегмента порядка 4-6 % для электронов и 3-4 % для тт~ мезонов, что является дополнительным вкладом в энергетическое разрешение для одиночных частиц. Уже для пионов этот вклад мало существенен, поэтому можно ожидать, что влияние пространственных неоднородностей на энергетическое разрешение адронных струй будет незаметно. ■\:.;;:7. Измерены поперечные профили электромагнитного и.адронного отклика, что позволило ввести поправки на поперечные утечки в процессе калибровки модулей калориметра и при определении средних величин отклика. . ..

8, Измерены зависимости электронного отклика и энергетического разрешения от угла падения частиц на поверхность калориметра. В диапазоне углов от 0Л до ;5° изменения среднего отклика калориметра не превышают нескольких .процентов. В то же время энергетическое разрешение для электронов .заметно ухудшается при углах менее 1° (соответствует псевдобыстроте |т?|> 4,7), что связано с резким увеличением отклика детектора в случае развития электромагнитного ливня вдоль оси волоконного световода. --К:,; :

Полученные результаты показали, что характеристики калориметров соответствуют требованиям, предъявляемым к передним калориметрам в •эксперименте СЫЙ. ...

В приложении приведен краткий обзор известных центров окраски, которые могут возникать в кварцевом стекле под воздействием ионизирующих излучений.

Список публикаций

[1] V.Gavrilov et al, "Study of Quartz Fiber Radiation Hardness", CMS TN-94/324 (1994).

[2] В.Б.Гаврилов и др., "Спектры поглощения волоконных световодов из чистого кварца, облученных гамма-квантами от 60Со", Приборы и техника эксперимента Т.40 (4), 23 (1997).

[3] G. Baiatian et al, "Design, Performance and Calibration of the CMS Forward Calorimeter Wedges", CMS ШТЕ-2006/044 (2006).

[4] A.Ulyanov (for CMS Collaboration), "Test beam results of the CMS forward quartz fibre calorimeter", Proceedings of the 9th ICATPP Conference on Astroparticle, Particle, Space Physics, Detectors and Medical Physics Applications, 416. Singapore: World Scientific, 2006.

Подписано к печати 01.12.06. Формат 60x90 1/16

Усл. печ. л. 1,5 Уч.-изд. л. 1,1 Тираж 100 экз. Заказ 527

Отпечатано в ИТЭФ, 117218, Москва, Б. Черемушкинская, 25

Введение

1. Конструкция передних калориметров CMS

1.1. Общее описание установки CMS.

1.2. Система триггера и сбора данных в эксперименте CMS

1.3. Принцип действия и устройство передних калориметров

1.4. Электроника считывания передних калориметров.

2. Радиационная стойкость кварцевых волоконных световодов

2.1. Методика облучения волоконных свеюводов.

2.2. Методика измерения оптического поглощения

2.3. Результаты измерений оптического поглощения

2.3.1. Волокна с высоким содержанием ОН

2.3.2. Волокна с низким содержанием ОН.

2.3.3. Кварц-пластиковые волокна.

2.3.4. Сравнение прямых и свернутых образцов.

2.3.5. Изменение прозрачности световодов после облучения

2.4. Апертура световодов.

2.5. Сравнение с результатами других работ и выводы.

3. Свойства и рабочие характеристики переднего калориметра

3.1. Тестовый пучок.

3.2. Измерение и калибровка сигналов калориметра

3.3. Калибровка фоюумножителей и удельный световыход калориметра

3.4. Пространственная однородность.

3.5. Отклик калориметра на электроны и заряженные 7г-мезоны

3.6. Энергетическое разрешение.

3.7. Угловые зависимости

3.8. Поперечная форма ливней и утечки.

3.9. Отклик калориметра на мюоны.

3.10. Энергетическое разрешение для адронных струй.

В 2007 году в ЦЕРН планируется ввести в эксплуатацию Большой Ад-ронный Коллайдер (LHC), который (начиная с 2008 года) обеспечит проюн-протонные c'l олкновения с суммарной энергией в системе центра масс 14 ТэВ, что в семь раз превышает энергию протон-ангипротонных столкновений на действующем в настоящее время коллайдере Tevatron (Лаборатория Ферми, США). Светимость в номинальном режиме работы LHC должна составить L = 1034 см"2с1, что в 50 раз больше светимости доступной на ускорителе Tevatron. Интервал между последовательными столкновениями пучков будет составлять 25 не, при этом ожидается в среднем около 20 протон-проюнных неупругих взаимодействий при каждом столкновении пучков. Такие рабочие характеристики открывают' новые возможности для исследований в области физики высоких энергий, но вместе с тем предъявляют более жесткие требования к физическим установкам и системам сбора данных.

Установка CMS (Compact Muon Solenoid) [1, 2] являе1ся детектором общего назначения для исследования процессов, происходящих при столкновении проюнов (а также тяжелых ионов) высокой энергии на ускорителе LHC. Одной из главных целей эксперимента CMS является изучение механизма нарушения симме!рии электрослабых взаимодействий, который ответственен за наличие массы у летонов, кварков, W и Z-бозонов. Эта цель подразумевает следующие основные задачи [3]:

• открыть или исключить существование бозона Хиггса стандартной модели или семейства бозонов Хиггса в суиерсимметричных моделях;

• открыть или исключить суперсимметрию в диапазоне масс вплоть до нескольких ТэВ;

• открыть или исключить сильные (непертурбативные) взаимодействия калибровочных бозонов при энергиях масштаба 1 ТэВ (техницвет и другие модели).

На настоящий момент нижнее ограничение на массу хиггсова бозона стандартной модели составляет 114,4 ГэВ и было получено в экспериментах по прямому поиску бозона на электрон-позитронном коллайдере LEP в ЦЕРН [4]. Оптирование стандартной модели к совокупности данных различных экспериментов позволяет также установить косвенным образом верхний предел на массу частицы Мц < 194 ГэВ [5]. Определенные ограничения на массу частицы Хиггса следуют также из требований внутренней согласованности теоретической модели: для того чтобы теория возмущений оставалась применимой в стандартной модели при энергиях масштаба ~ 1 ТэВ, масса бозона не должна превышать 700 ГэВ [6, 7, 8]. Установка CMS должна обеспечить возможность открытия частицы во всем диапазоне масс, начиная от нижней экспериментальной границы 114,4 ГэВ и вплоть до максимальных значений ~ 700 ГэВ.

На рис. 1 представлены основные каналы для поиска хиггсова бозона стандартной модели в эксперименте CMS [9]. В зависимости от массы частицы наиболее перспективными оказываются поиски бозона Хиггса в распадах II 77, Н —> ZZ —» 4/± и Я —> WW —> l+vl~v, что требует от экспериментальной установки в первую очередь надежной идентификации фотонов, электронов и мюонов с хорошим пространственными и энергетическим (или импульсным) разрешением в диапазоне псевдобыстрот \т]\ <2,5 псевдобыстроюй называется величина г] = — lntgf, где 0 — полярный угол, отсчитываемый or оси пучков). Для последнего из приведенных выше процессов критически важным является измерение дисбаланса поперечной энергии, называемого также недостающей (или потерянной) поперечной энергией E™lss, связанного с двумя нейтрино, которые не регистрируются непосредственно детектором. Измерение потерянной поперечной энергии необходимо и для выделения других процессов, которые имеют энергичные нейтрино в конечном сосюянии (например, Я —» WW lujj). Другим примером, где важна регистрация потерянной энергии, является поиск су-персиммегричных частиц, таких как слептоны, скварки и глюино. Распады этих частиц порождают каскады, которые в случае сохранения R-чегности всегда содержат наилегчайшую суперчастицу (LSP). Такие частицы не взаимодействуют с детектором и щшому также генерируют потерянную поперечную энергию. Для измерения E™ss с достаточной точностью необходимо избежать существенных утечек поперечной энергии в неинструментирован-ные области экспериментальной установки, что требует калориметров с покрытием псевдобыстрогы вплоть до «5 [10].

Помимо измерений но1ерянной поперечной энергии калориметрическое покрытие большого диапазона пссвдобыстрог необходимо для регистрации передних таггирующих струй, которые сопровождают процесс рождения бозона Хиггса при слиянии промежуточных бозонов (см. рис. 2). Эффективная идентификация таких струй в экспериментальной установке позволяет достичь существенного подавления фонов и тем самым обеспечивает дополнительные каналы для поиска хиггсовой частицы [11, 12, 13, 14]. Как видно из рис. 1 наиболее обещающими из них являются каналы qqH —> qqrr и qqH —> qqWW —» qqlvqq.

Область пссвдобыстрог 3 < \r)\ < 5, называемая также передней областью установки, характеризуется значи!ельно более высокими поюками ча

1 -г ■ 1 ■ CMS, 30 fb1 i / \ / 1 * \ * \

А 1 А 1 / ■N 4 п J 1 \ t 1 N —»- Н-»/-/ cuts 4 1 1 s -»- H-»/Y opt H->ZZ-4\

1 1 H-»WW-»2l2v qqH, H-»WW-+Kjj —»— qqH, H~>rwl+)et — qqH, H ->ri ■ loo 200 300 400 500600

MH,GeV/c

Рис. 1. Значимость экспериментального сигнала в различных каналов поиска бозона Хиггса в твисимости от массы частицы для интегральной светимосчи 30 fb-1. Для капала Н—> 77 отдельно показаны ре5ультаты анализа, основанною на простом oi6ope событий по нескольким величинам ("cuts"), и анализа с применением нейронных ceiefi ("opt").

Рис. 2. Диаграмма рождения бозона Хиггса при слиянии W-бозонов (левый рисунок). Рассеянные кварки имеют поперечный импульс рт ~ mw/2 и проявляются в виде характерных струй в передней области установки. Распределение таких струй но псевдобыстроте показано на правом рисунке. стиц и энергии в сравнении с центральной облас1ыо (областью малых псев-добысгрог), что существенно ужесючаот требования к устнавливаемым в этой области детекторам в отношении радиационной стойкости и чувствительности к наведенной радиоактивности. Требование надежной работы в условиях высокой радиации (вплоть до 1 Град за десять лет работы усчанов-ки) делают переднюю область недоступной для калориметров, изготавливаемых по многим традиционным технологиям, например, для калориметров с применением органических сцинтилляторов, которые используются в установке CMS в обласги |т;| < 3. Для создания радиационно стойких калориметров в передней обласги в эксперименте CMS была выбрана технология с использованием в качестве активного вещества кварцевых волоконных световодов. Принцип действия таких калориметров основан на регистрации черепковского излучения частиц, рожденных в электромагнитных и адрон-ных ливнях. Данная диссертация посвящена исследованиям радиационной стойкости кварцевых световодов для передних калориметров CMS и измерению рабочих характеристик модулей переднего калориметра на тестовых пучках.

Работа сосюит из введения, трех основных глав, заключения и приложения. В первой главе дано краткое описание экспериментальной установки CMS, обсуждаются основные требования, предъявляемые к передним калориметрам, затем подробно описаны конструкция и принцип работы этих детекторов. Во второй главе представлена меюдика и результаты исследований радиационной стойкости кварцевых волоконных световодов с целью их использования в качестве активной среды передних калориметров. Третья глава посвящена энергетической калибровке и исследованиям характеристик передних калориметров на тестовых пучках электронов, 7Г-мезонов и мюонов высоких энергий. Дано описание экспериментальной устновки и процедуры измерений, приведены результаты измерения однородности и линейности отклика, энергетического разрешения, поперечного профиля отклика и прочих характеристик детектора. В заключении кратко изложены основные результаты исследований и выводы. В приложение приведен краткий обзор известных центров окраски, которые могут возникать в кварцевом стекле под воздействием ионизирующих излучений.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах [15, 16, 17, 18]. Результаты работы докладывались автором на конференциях "9th Annual RDMS CMS Conference" в Минске (2004) и "9th International Conference on Advanced Technology and Particle Physics" в Комо (2005), а также на рабочих собраниях группы адронного калориметра CMS в ЦЕРНе.

4. Заключение

На этапе разработки технологии для создания радиационно стойких передних калориметров для усшновки CMS были проведены исследования радиационной сюйкости кварцевых волоконных световодов. В процессе исследований были измерены спектры оптического поглощения и апертура кварцевых волоконных световодов нескольких типов, подвергнутых облучению 7-квантами от радиоактивного источника 60Со. Дозы облучения составляли 10, 57, 100, 680 и 1000 Мрад. Результаты измерений показали, что определенные типы кварцевых волокон обладают радиационной стойкостью достаточной для их использования в качестве активной среды передних калориметров CMS.

Принципиальные свойства кварцевого калориметра были изучены на примере нескольких прототипов, что позволило оптимизировать конструкцию калориметра. По окончании сборки несколько модулей переднего калориметра были протестированы на пучках частиц высокой энергии с целью калибровки и измерения характеристик реальных калориметров, которые будут использоваться в эксперименте CMS. В ходе пучковых испытаний получены следующие результаты:

• Разработан метод энергетической калибровки модулей переднего калориметра на пучке электронов. Шесть модулей калориметра были откалиброваны этим методом, что обеспечивает основу для переноса калибровки на весь калориметр путем измерения отклика детектора на радиоактивный источник или путем учета поправок на различия в коэффициентах усиления ФЭУ.

• Произведена калибровка фотоумножителей по положению однофото-электронного пика, что позволило измерить световыход калориметpa. Удельный гветовыход в среднем составил 0,28 фотоэлектронов на 1 ГэВ поглощенной энергии (в электромагнитной шкале). При эюм разброс значений свеювыхода для разных ячеек калориметра составил 11,5%.

• Измерена зависимость отклика калориметра от энергии электронов в диапазоне от 30 до 150 ГэВ и от энергии 7Г~-мезонов в диапазоне от 30 до 300 ГэВ. Для электронов отклик сегмента с длинными волокнами линеен с точностью до 1%, в то время как удельный отклик сегмента с короткими волокнами растет с увеличением энергии падающих частиц, что связано с увеличением глубины проникновения электромагнитных ливней. Отклик калориметра на 7г""-мезоны в сегменте с длинными волокнами существенно ниже отклика на электроны и к тому же заметно нелинеен, что является следствием сильной неском-пенсированиости калориметра. Для суммы сигналов с обоих сегментов калориметра отношение откликов 7г/е близко к единице в измеренном диапазоне энергий.

• В измеренном диапазоне энергий энергетическое разрешение калориметра хорошо аппроксимируется суммой стохастического и постоянного членов и при сложении сигналов двух сегментов составляет а/Е= 198%/\/Ёе8,5%для электронов и а/Е = 279%/\/Ё0 11,4% для 7г-мезонов при падении частиц под углом 0 = 3,2° относительно направления волокон. Электромагнитное разрешение определяен-я в основном статистическими флуктуациями числа фотоэлектронов и конструктивными неоднородноетями калориметра. Из-за нескомпен-сированности калориметра адронное разрешение имеет значительный вклад от флуктуаций доли электромагнитной компоненты в адрон-ных ливнях, который становится доминирующим при энергиях порядка 100 ГэВ и выше.

• На примере нескольких модулей была измерена пространственная неоднородность отклика калориметра. Помимо осцилляций отклика, связанных с конструктивными особенностями калориметра, были выявлены неоднородности, связанные с неидеалыюстыо сборки детектора. При усреднении по области 2 см х 2 см неоднородность отклика составляет в зависимости от модуля и сегмента порядка 4-6% для электронов и 3-4% для 7Г-мезонов, что является дополнительным вкладом в энергетическое разрешение для одиночных частиц. Уже для пионов этот вклад мало существенен, поэтому можно ожидать, чю влияние пространственных неоднородное!ей на энергетическое разрешение адронных струй будет незаметно.

• Измерены поперечные профили электромагнитного и адронного отклика, что позволило ввести поправки на поперечные утечки в процессе калибровки модулей калориметра и при определении средних величин отклика.

• Измерены зависимости электронного отклика и энергетического разрешения от угла падения частиц на поверхность калориметра. В диапазоне углов от 0° до 5° изменения среднего отклика калориметра не превышают нескольких процентов. В то же время энергетическое разрешение для электронов заметно ухудшае1ся при углах менее 1° (соответствует псевдобыстрош \т]\ > 4,7), что связано с резким увеличением отклика детектора в случае развития электромагнитного ливня вдоль оси волоконного световода.

Полученные результаты показали, что характеристики калориметров соответствуют требованиям, предъявляемым к передним калориметрам в эксперименте CMS.

Благодарности

Автор глубоко признателен своему научному руководителю В.Б. Га-врилову за помощь на всех этпах работы. Автор также хочет поблагодарить за поддержку и участие в рабохе своих коллег и соавюров, в первую очередь B.JI. Столица, С.В. Кулешова, С.В. Семенова из Института Теоретической и Экспериментальной Физики, С.К. Моршнева и Ю.К. Чамо-ровского из Института Радиотехники и Электроники РАН, а также всех участников группы адронного калориметра эксперимента CMS.

А Радиационные дефекты в кварцевых стеклах

Сетка стекла из чистого плавленного кварца содержит только тетраэдры o^si-o, а все остальные атомы и молекулы присутствуют в виде примесей, концентрация которых в основном и определяет оптическое поглощение в области видимого света и ближнего ультрафиолета. Далее расматривают-ся известные радиационные дефекты и молекулярные образования в сетке стекла (центры окраски), имеющие полосы поглощения в интересующей области спектра. На рис. 58 показаны соответствующие уровни энергии с указанием длин волн переходов.

Е, эВ б 5 4

3 -2 -1

• о. 1

Л & и и

И к

7 60 й

1/

-5 86 % я S

§1 &й 2 х

- 5 a vi х /1\ U. м

Sa о а 3 о

3 X m «о ч

31»

155

0 83

-275

-5 00JH -4 43 и Я 5 щ

-477 а о 5

О я я

9 1

Кб

S X

3 в оо g о

Я о т> 1

197

00

ТТ 1 85 Я я я ' "" я 3 сп а 11

-482 j

-3 90 g 2 -3 18

Е-ь 5 = Я

6) о

•3 76 S я ф с о СП О fO I

Рис. 58. Схема уровней энергии центров окраски.

Е'-центр o^sr представляет собой атом кремния с валентным электроном, который образуется при разрыве цепочки Si—О—Si под действием ионизирующего излучения и кроме полосы поглощения 212 нм имеет полосу люминесценции на 450 нм [24].

Пероксирадикал o^si-o-o' возникает при избытке кислорода в сетке стекла и может образоваться из £"-центра при наличии возле него молекулы О2. Пероксирадикал имеет самую коротковолновую полосу поглощения (163 нм). При накоплении пероксирадикалы могут быть причиной поглощения в области 200-220 нм [24].

Кислородная вакансия o^si-si^o возникает как радиационный дефект при разрыве обеих связей кислорода в цепочке стекла или в процессе изготовления волоконного световода при недостатке кислорода и обуславливает поглощение на 248 и 280 нм.

Радиационный дефект "немостиковый кислород" (РДНК) o^si-o' образуется вместе с £"-центром при разрыве цепочки Si—О—Si. При отсутствии добавочных повреждений может рекомбинировать с ^'-центром с восстановлением нормальной сетки стекла, имеет сильные полосы поглощения на 260 и 630 нм, а также полосу люминесценции на длине волны 670 нм [24].

Связанный хлор o^si-ci ci-Si^o возникает в процессе изготовления световодов при избытке хлора, обычно используемого для осушения стекла. Имеет характерные полосы поглощения на 257 и 318 нм и полосу люминесценции на 318 нм [25].

Молекулярный хлор CI—С1 имеет полосу поглощения на 330 нм [25], активно вступает в реакцию с ^'-центрами и РДНК, если последние появляются поблизости.

1. CMS Collaboration, "The Compact Muon Solenoid Letter of Intent", CERN/LHCC 1992-3 (1992).

2. CMS Collaboration, "The Compact Muon Solenoid Technical Proposal", CERN/LHCC 94-39 (1994).

3. ATLAS and CMS Collaborations, "High transverse momentum physics at the Large Hadron Collider", Eur. Phys. J. direct C4 N1 (2002), hep-ph/0110021

4. G.Abbiendi et al, "Search for the Standard Model Higgs boson at LEP", Phys. Lett. B565, 61 (2003).

5. W.-M. Yao et al, "Review of Particle Physics", J. Phys. G33, 129 (2006).

6. C.Quigg, B.W.Lee, H.Thacker, "Weak interactions at very high energies: The role of the Higgs-boson mass", Phys. Rev. D16, 1519 (1977).

7. M. Veltman, "Second threshold in weak interactions", Acta Phys. Polon. B8, 475 (1977).

8. J.Kuti, L.Lin, and Y.Shen, "Upper bound on the Higgs mass in the Standard Model", Phys. Rev. Lett. 61, 678 (1988).

9. CMS Collaboration, "The CMS Physics Technical Design Report", Volume 2, CERN/LHCC 2006-021 (2006).

10. CMS Collaboration, "The CMS Physics Technical Design Report", Volume 1, CERN/LHCC 2006-001 (2006).

11. N.Kauer et al, "H->WW as the discovery mode for a light Higgs boson", Phys. Lett. B503, 113 (2001).

12. C.Foudas, A.Nikitenko, M.Takahashi, "Observation of the Standard Model Higgs boson via H тт leptonrjet channel" CMS NOTE-2006/088(2006).

13. H.Pi et iil., "Search for Standaid Model Higgs boson via vector boson fusion in the H W+W~ Pujj with 120<шя<250 GeV/c2", CMS NOTE-2006/092(2006).

14. M.Dubinin et al., "Vector boson fusion production with H —» 77", CMS NOTE-2006/097(2006).

15. V. Gavrilov et al., "Study of Quartz Fiber Radiation Hardness", CMS TN-94/324 (1994).

16. В.Б.Гаврилов и др., "Спектры поглощения волоконных све!оводов из чистого кварца, облученных гамма-квантами от 6()Со", Приборы и техника эксперимента Т.40 (4), 23 (1997).

17. G. Baiatian et al., "Design, Performance and Calibration of the CMS Forward Calorimeter Wedges", CMS NOTE-2006/044 (2006).

18. CMS Collaboration, "The CMS Heal Technical Design Report", CERN/LHCC 97-31 (1997).

19. M.Huhtinen, "Radiation Environment Simulations for the CMS Detector", CMS TN-95/198 (1995).

20. Yu.Gershtein, "Impact of Single Particle Resolution on Very Forward Physics", CMS TN-95/075 (1995).

21. P.Gorodetzky et al, "Quartz fiber calorimetry", Nucl. Instr. and Meth. A361, 161 (1995).

22. J.D.Chesser, "Radiation testing of optical fibers for a hot-cell photometer", IEEE Trans. Nucl. Sci. 40, 307 (1993).

23. А.В.Амосов, "Новая концепция механизма образования радиационных парамагнитных центров окраски в кварцевых стеклах", Физика и химия стекла Т.9 (5), 569 (1983).

24. А.В.Абрамов, Н.Г.Карпычев, В.О.Соколов, "Радиационно-оптические свойства хлор- и фторсодержащих кварцевых стекол для волоконной оптики", Физика и химия стекла Т.16 (5), 769 (1990).

25. P.Reiser, "Spectral losses of unclad fibers made from high-grade vitreous silica", Appl. Phys. Lett. 23, 45 (1973).

26. J.E.Shelby, "Radiation effects in hydrogen-impregnated vitreous silica", J. Appl. Phys. 50, 3702 (1979).

27. А.В.Амосов, Г.Т.Петровский, ДАН СССР Т.268, 341 (1983).

28. А.В.Курочкин, Л.М.Майлибаева, Д.К.Саттаров и др., Оптика и спектроскопия Т.73 (4), 741 (1992).

29. Л.Н.Скуя, А.И.Стрелецкий, А.Б.Пакович, "Спектроскопические свойства двухкоординированных атомов кремния в С1еклообразном диоксиде кремния", Физика и химия стекла Т.14 (4), 481 (1988).

30. D.L.Griscom, "7 and fission reactor effects on the visible-range transparency of aluminum-jacketed, all-silica optical fibers", J.Appl.Phys. 80, 2142 (1996).

31. O.Deparis et ai, "Gamma radiation tests of potential optical fiber candidates for fibroscopy", IEEE Trans. Nucl. Sei. 43, 3027 (1996).

32. I.Dumanoglu et ai, "Radiation hardness studies of high OH~ content quartz fibres irradiated with 50 GeV electrons", Nucl. Instr. and Meth. A490, 444 (2002).

33. А.В.Андрияш и др., "Исследование оптического пропускания кварцевого волокна при воздействии гамма- излучения", Приборы и техника эксперимента Т.46 (5), 20 (2003).

34. А.С.Попов и др., Доклад на Седьмой всесоюзной научно-технической конференции по кварцевому стеклу, Санкт-Петербург (1991).

35. Е.М.Дианов, Л.С.Корниенко, Е.П.Никитин и др., Квантовая электроника Т.10 (3), 473 (1983).

36. Е.М.Дианов, В.Н.Карпечев, Л. С.Корниенко и др., Квантовая электроника Т.11 (12), 2480 (1984).

37. В.Н.Вагратишвили, А.И.Миланич, В.Л.Попков и др., Квантовая электроника Т.17 (3), 325 (1990).

38. D.Litvintsev, "Study of degradation of the quartz VFCAL response due to fiber radiation damage", CMS TN-96/106 (1996).

39. N.Akchunn et ai, "Quartz fiber calorimeter", Nucl. Instr. and Meth. A379, 526 (1996).

40. N.Akchurin et al, "Beam test results from a fine-sampling quartz fiber calorimeter for electron, photon and hadron detection", Nucl. Instr. and Meth. A399, 202 (1997).

41. N.Akchwin et al, "Test beam of a quartz-fibre calorimeter prototype with a passive front section", Nucl. Instr. and Meth. A400, 267 (1997).

42. N.Akchurin et al, "On the differences between high-energy proton and pion showers and their signals in a non-compensating calorimeter", Nucl. Instr. and Meth. A408, 380 (1998).

43. N.Akchurin et al, "Test beam results of CMS quartz fibre calorimeter prototype and simulation of response to high energy hadron jets", Nucl. Instr. and Meth. A409, 593 (1998).

44. V.Konophanikov, A.Ulyanov, O.Kodolova, "Jet Calibration using gamma {jet Events in the CMS Detector", CMS NOTE-2006/042 (2006).

45. D. Acosta et al., "Results of prototype studies for a spaghetti calorimeter", Nucl. Instr. and Meth. A294, 193 (1990).

46. Particle Data Group, "Review of Particle Physics", Phys. Rev. D50, 1257 (1994).

47. V. Gavrilov et al, "Sensitivity of Photomultipliers to Protons and Gammas", CMS TN-1995/146 (1995).

48. Particle Data Group, "Review of Particle Physics", Phys. Rev. D50, 1256 (1994).

49. A.Heister et al, "Measurement of Jets with the CMS Detector at the LHC", CMS NOTE-2006/036 (2006).51j T.Sjostrand et al., "High-energy-physics event generation with PYTHIA 6.1", Computer. Phys. Commun. 135, 238 (2001).

50. S.Agobtinelli et al., "Geant4 — a simulation toolkit", Nucl. Instr. and Meth. A506, 250 (2003).