Сцинтилляционные детекторы установки CDF II в экспериментах по физике тяжелых кварков на тэватроне тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

13-2007-159

На правах рукописи УДК 539.1.074.3+539 1 08+ +539 128 417 162.8

ЧОХЕЛИ Давид

СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЕ ДЕТЕКТОРЫ УСТАНОВКИ CDF II В ЭКСПЕРИМЕНТАХ ПО ФИЗИКЕ ТЯЖЕЛЫХ КВАРКОВ НА ТЭВАТРОНЕ

Специальность 01 04 01 — приборы и методы экспериментальной физики

Автореферат диссертации на соискание ученом степени кандидата физико-математических наук

Дубна 2007

003176337

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

Научные руководители кандидат физико-математических наук доктор физико-математических наук

Официальные оппоненты доктор физико-математических наук

доктор физико-математических наук

Мерзон Г И

(Физический институт им П Н Лебедева Российской академии наук

(ФИАН), г. Москва)

Ведущее научно-нсследовательское учреждение-

НИИ ядерной физики им Д В Скобельцына МГУ им М В Ломоносова

(НИИЯФ)

А М Артиков Ю А Будагов

Савченко О В (НЭОФ ЛЯП ОИЯИ, г Дубна),

Защита состоится «

<1

^ 200 ^в_часов на заседании

диссертационного совета Д 720 001 03 в Объединённом институте ядерных исследований, г Дубна Московской области

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ОИЯИ.

н 007 г

Автореферат разослан <

Ученый секретарь диссертационного совета Д 720 001.03 доктор физико-математических наук, профессор

Ю А Батусов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы.

В современной физике высоких энергий весьма важное место занимают эксперименты по физике тяжелых кварков, проверке СМ, поиску новых частиц за пределами СМ и др Проводимые с участием ОИЯИ исследования на Тэватроне ФНАЛ включают эксперименты такого рода Их эффективность существенным образом повышена в последние годы, что стало возможным благодаря модернизации в 1996-2000 гг одного из главных спектрометрических комплексов ФНАЛ - установки «Central Detector Facility» (CDF) Увеличение светимости Тэватрона и аксептанса установки CDF в RUN II (далее - CDF II) обеспечили накопление интегральной светимости, в несколько раз превышающей светимость, набранную в первом сеансе (1992-1995) Таким образом осуществлен переход к статистически обеспеченным экспериментам и, в частности, начато новое направление в физике высоких энергий - физика /-кварков

Неизменной принципиальной составной частью современных спектрометрических комплексов для экспериментов по физике высоких энергий являются сцинтилляционные и газовые координатные детекторы, которые часто составляют единый комплекс, где быстродействующий сцинтилляционный детектор используется для однозначного выбора искомого события среди многих других, зарегистрированных трековыми детекторами Примерами такого комплекса являются детекторы мюонного триггера CDF II, а также сцинтилляционный преконвертор и дрейфовая камера, составляющие единую систему вместе с электромагнитным калориметром и повышающие точность определения параметров ливня

Диссертация отражает вклад автора в создание- мюонного комплекса установки CDF II, включая изготовление и исследование некоторых важных свойств сцинтилляционных счетчиков, аппаратно-программного комплекса для их оперативного контроля и мониторирования, нового 2600-канального сцинтилляторного преконвертора электромагнитного калориметра

Цель работы:

Создание системы сцинтилляционных детекторов мюонного триггера установки CDFII, включающего более 1140 сцинтилляционных

1

i

счетчиков разного типа и размера, создание аппаратно-программного комплекса для их оперативного контроля и мониторинга Создание нового, сцинтилляционного, преконвертора электромагнитного калориметра с увеличенной на порядок сегментацией по псевдобыстроте для продолжения набора статистики при возросшей светимости Тэватрона

Проведение цикла исследований естественного старения сцинтилляционных счётчиков установки CDF II и прогнозирование их долговременной эффективности

Исследование и обоснование возможности использования нового мюонного триггера L1 в области 1.0<|//|£1 25 путём включения в него сигналов с дополнительного слоя мюонных сцинтилляционных детекторов

Научная новнзна:

Создание нового мюонного триггера установки CDF путем включения в его состав системы крупногабаритных сцинтилляционных счётчиков нового поколения со светосбором спектросмещающими волокнами Ранее подобная методика в практике экспериментов по физике высоких энергий применялась только в калориметрии

Цикл исследований старения сцинтилляционных счётчиков с разной полимерной основой и разными способами съёма света в радиационных условиях Для счетчиков нового поколения с оптоволоконным съёмом света впервые определён вклад спектросмещающих волокон (20%) в старение, найдено, что величина технической длины ослабления1 света слабо зависит от времени

Созданные нами детекторные комплексы обеспечили получение важных новых научных результатов по ряду фундаментальных проблем современной физики высоких энергий В частности, среди результатов подобного класса, достигнутых с применением созданных детекторов мюонного комплекса CDF, одни из наиболее точных, по времени

1 Техническая длина ослабления пластмассовой сцинтилляционной пластины определяется как длина, на которой световой сигнал уменьшается в е раз В нашем случае вместо сцинтиллятора подразумевается система

«сцинтиллятор+спектросмещающие волокна»

получения, измерений массы топ-кварка М,ор= 173,5^ J(stat) ГэВ/с2 и

М,ор= 170 1 ГэВ/с2 ± 6 0(stat) ± 4.1(syst) в тн. модах "лсптон+струи" и "дилептон" соответственно, наиболее точное измерение массы W-бозона Mw= 80413±48 (stat) МэВ/с2 и др

Практическая ценность:

В соответствии с программой повышения энергии и светимости Тэватрона в RUN II существенно модернизирована система сцинтилляционных счетчиков мюонного триггера установки CDF II во ФНАЛ на 60% увеличен ей аксептанс Это достижение обусловлено созданием нами и включением в состав спектрометрического комплекса CDF II более 650 крупномасштабных сцинтилляционных счетчиков с общей площадью более 300 м2, в том числе 608 счетчиков с оптоволоконным съемом света (изготовленных в ОИЯИ), обеспечением системой управления и контроля более чем 1140 сцинтилляционных счетчиков установки CDF II

Для выполнения исследовательской программы CDF II при возросшей светимости Тэватрона (до 2х1032 cm'V и выше), в которой требуется идентификация электронов и фотонов, создан новый прибор - 2600-канальный годоскопический сцинтилляционный преконвертор с общей площадью более 40 м2 с увеличенными на порядок быстродействием и сегментацией по псевдобыстроте в сравнении с ранее существовавшей системой, пригодной для использования при светимости менее 1032 см"

V1

Проведен цикл исследований и получены ранее отсутствовавшие сведения по старению сцинтилляционных счётчиков установки CDF II в условиях реального эксперимента и интегрального учета многих факторов, влияющих на деградацию сцинтилляционной пластины, установлено статистически достоверным способом, что сцинтилляционные счетчики на основе поливинилтолуола стареют в 2 раза быстрее, чем счетчики из полистирола аналогичной геометрии На основании наших исследований коллаборация имеет мотивированную программу замены теряющих эффективность счетчиков, использующихся на установке CDF с 1992 г. Более того показано, что изготовленные нами в ОИЯИ полистирольныс счетчики нового

поколения могут быть использованы для набора статистики без заметного уменьшения эффективности до 2010 г в условиях Тэватрона Предложен и экспериментально апробирован новый мюонный триггер 1-го уровня в области 1.0<|»/|<1.25, необходимость в котором возникла в связи с повышением светимости Тэватрона Этим достигается существенное (более 10%) увеличение количества отбираемых событий с мюонами в качестве сигнатурной (триггерной) частицы

Автор защищает:

1 Результаты завершённого комплекса разработок и исследований, выполненных с целью создания, внедрения и применения системы сцинтилляционных детекторов в мюонном комплексе и новом преконверторе CDF II в проводимых на Тэватроне ФНАЛ экспериментах по физике высоких энергий (измерению масс /-кварка и W-бозона, и др)

2 Результаты исследования долговременной эффективности мюонных сцинтилляционных счётчиков установки CDF II.

3 Результаты исследования нового мюонного триггера 1-го уровня в области 1 0<|//|<1 25 в условиях повышенной светимости Тэватрона

Апробация работы и публикации. Основные результаты работы докладывались на научно-методических семинарах Лаборатории Ядерных Проблем Объединенного Института Ядерных Исследований (ЛЯП ОИЯИ), регулярных совещаниях мюонной группы CDF, международном симпозиуме по ядерным исследованиям и конференции по медицинским приложениям в Риме (2004 г) они опубликованы в виде журнальных статей и изданий ФНАЛ и ОИЯИ

Присуждена первая премия ОИЯИ (2006) за цикл работ по сцинтилляционным детекторам мюонов установки CDF (№3147) и вторая премия ЭЧАЯ по итогам конкурса публикаций в журнале "Письма в ЭЧАЯ" за 2005 год

В диссертации обобщены результаты работ, выполненных автором в 1999-2006 гг в ЛЯП ОИЯИ и в Национальной Ускорительной Лаборатории им Ферми (ФНАЛ)

Структура диссертации Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, в котором приводятся основные результаты

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении показана важность и актуальность работы, сформулированы ее цели, перечислены выносимые на защиту результаты, подчеркнуты их новизна и практическая ценность

В первой главе приводится общее описание ускорительного комплекса Тэватрон и установки CDF, в создании ряда ключевых узлов которой автор принимал непосредственное участие. Дается программа основных физических исследований на данной установке в рамках RUN II

Установка CDF является детектором общего назначения и спроектирована для изучения протон-антипротонных столкновений на ускорителе Тэватрон в Фермилабе

Повышение полной энергии в системе центра масс сталкивающихся частиц с 1 8 ТэВ до 1 96 ТэВ, светимости с 2 5х1031 cm'V до ЗхЮ32 cm"V (в RUN I и RUN II соответственно), а также дальнейшее усовершенствование детекторов и увеличение аксептанса установки CDF позволили резко увеличить набираемую статистику В исследовательской программе на установке CDF II можно выделить следующие направления, относящиеся к числу особо значимых проблем современной физики высоких энергий

• изучение свойств /-кварка, измерение массы /-кварка с высокой точностью,

• измерение массы ff-бозона с высокой точностью,

• поиск частиц Хигтса и т д

Установка CDF (рис. 1) имеет высокоточную систему регистрации заряженных частиц, калориметрическую систему высокой гранулярности и систему детектирования и идентификации мюонов

Непосредственно вокруг вакуумной камеры, где происходят столкновения протон-антипротонных пучков, размещен кремниевый вершинный детектор, позволяющий весьма точно реконструировать треки с целью поиска в триггерном режиме вторичных вершин от распада короткоживущих частиц с тяжёлыми кварками

За кремниевым вершинным детектором расположена центральная газовая трековая система, которая позволяет восстанавливать траектории регистрируемых частиц. Она вместе с кремниевыми детекторами образует единую трековую систему.

Рис. 1. Установка СЭР в разрезе.

Единая трековая система установлена внутри сверхпроводящего соленоидального магнита размерами 1.5 м по радиусу и 4.8 м длиной, который создаёт поле величиной 1.4 Тесла (максимальная величина -1.5 Тесла) параллельно пучку частиц в полезном объёме радиусом 1.4 м и длиной 3.5 м.

За соленоидом расположена калориметрическая система. С её помощью определяют энергии и координаты электронов, фотонов, адронов, а также струй. Калориметрическая система состоит из отдельных электромагнитных и адронных калориметров.

центральная мюонная модернизированная часть

стальные щиты щщ мюонн№ дрейфовые _ МЮОННЫЕ

¡ЩП сцичтилляционные

счётчики центральная мюонная система

щщ: адронный калориметр

«йагкя злектромагкитньм калориметр

ЦЕНТРАЛЬНАЯ ГАЭ08АЯ ТРВЮвАЯ СИСТЕМА

промежуточный кремниевый дете<тор

микроверцмнный детектор область столкновений

соленоид

преконвертор электромагнитного

калориметра

дрейфовые камеры для определения ствола ливня в электромагнитном калориметре

передняя мюонная система

Мюонная система является принципиально важной частью установки CDF II и состоит из сцинтилляционных счетчиков и дрейфовых камер Она условно делится на несколько основных частей Центральная мюонная система состоит из дрейфовых камер, расположенных по окружности за центральными калориметрическими клиньями Передняя мюонная система состоит из пар железных тороидов, прослоенных дрейфовыми камерами и сцинтилляционными счетчиками Центральная мюонная модернизированная часть состоит из дрейфовых камер с расположенными за ними сцинтилляционными счетчиками большой длины Так называемое «центральное мюонное расширение» добавлено для увеличения геометрической эффективности детектирования мюонов

Система сбора данных установки CDF II способна принимать входящую информацию от детекторов с частотой до 1 7 МГц Трехуровневая система триггеров позволяет снизить конечную частоту записи на постоянный носитель до 50 Гц

Специальное разработанное программное обеспечение осуществляет мониторирование и контроль детекторов установки в режиме реального времени при наборе данных на Тэватроне

Во второй главе описывается система мюонных сцинтилляционных счетчиков установки CDF, а также организация сбора данных, управление параметрами, оперативный контроль и мониторирование сцинтилляционных счетчиков Приводится ряд существенных физических результатов, достигнутых с участием мюонного триггера

Мюонный комплекс (МК) играет принципиальную роль на установке CDF II Сцинтилляционные счетчики и дрейфовые камеры МК используются при формировании триггеров и в "off-line" анализе при отборе и исследовании широкого круга протон-антипротонных взаимодействий, где, по условиям эксперимента, ожидается рождение мюона

Мюонная система установки CDF II включает сцинтилляционные счетчики и дрейфовые камеры

Мюонные сцинтилляционные счетчики покрывают область псевдобыстрот 0<|^|<15 и сгруппированы в следующие основные подсистемы (рис. 2)

• Модернизированный Центральный Мюонный Сцинтилляционный Детектор -счётчики CSP2 в интервале 0 < \rj\ < 0.6;

• Расширение Центрального Мюонного Сцинтилляционного Детектора -счётчики CSX' и счётчики CSX «miniskirt» (MSK) в интервале

0.6 < \rf[ < 1.0;

• Сцинтилляционные счётчики Передней Мюонной Системы IMU4: счетчики BSU, облегающие тороиды, и счетчики TSU внутри тороидов в интервале 1.0 < \t]\ < 1.5.

поколения) и совмещающие оба указанных способа (т. н. «модернизированные»). Мюонные сцинтилляционные счётчики CDF II разделяются на два вида по типу используемых фотоумножителей (ФЭУ): счётчики со съемом света плексигласовым световодом и большим ФЭУ; счётчики со съёмом света спектросмещающими волокнами и фотосенсором на основе миниатюрных ФЭУ.

Счётчики со съёмом света при помощи плексигласового световода и ФЭУ с диаметром фотокатода 51 мм - EMI 9814В (производства Electron Tubes Inc., Великобритания) - это все счётчики CSX, MSK и CSP Wall.

Их питание осуществляется от высоковольтных источников5 через разветвители «Pisa Box»6.

2 CSP - Central Scintillator upgrade.

3 CSX - Central Scintillator extension.

4 IMU - Intermediate Muon Upgrade, BSU - Barrel Scintillator Upgrade, TSU - Toroid

Scintillator Upgrade.

5 Gamma Power Supply обеспечивает до 3000 В выходного напряжения при силе тока до 75 мА (производство Gamma High Voltage Research Inc., США).

Север (North) ^^ -pTop Восток

Общее

количество

Рис. 2. Система мюонных сцинтилляционных счётчиков установки CDF II.

мюонных сцинтилляционных счётчиков на CDF II превосходит 1140 штук. Используются счетчики разных типов со съёмом света: с помощью плексигласового световода (т. н. «старые» счётчики), с помощью спектросмещающих волокон (т. н. счётчики нового

В RUN II нами введена в состав CDF отсутствовавшая в RUN I система настройки и контроля разветвителя высокого напряжения «Pisa Box», позволившая сократить время настройки напряжения до нескольких секунд на канал, тем самым в десятки раз уменьшив время настройки и контроля высокого напряжения группы старых сцинтшипцпонных счетчиков в сравнении с ручным способом управления, практиковавшимся в RUN I Для этого использован специальный интерфейс-коммутатор (т н «Pisa Driver» производства CAEN) стандарта КАМАК, который посредством SCSI-контролера Jorway Model 73А обеспечивал связь между компьютером и разветвителем (рис. 3, 4)

Рис. 3. Схема подачи высокого напряжения и система считывания для сцинтмлляционных счетчиков CSP Wall с классическим ФЭУ

Экспериментальный и

CSX Intarnd сч«тчш СЦИКТКПАЯТОр \

Минтаймар TDC

M«

1 CSX External счЯтчм

J фЭу Сциктиллятор

РИА BOX

хг

и

4

UVC MMI

fanotlT

-JOUUCMSAMw

Рис. 4. Схема подключения счетчиков CSX и связанных с ними минтаймеров, задеИстнованная на

устанопкс CDF II

В созданных нами сцинтилляционных счётчиках нового поколения (CSP Тор и Bottom, BSU, TSU7) светосбор производится сисктросмещающими волокнами и фотосенсором Н5783 на основе миниатюрного ФЭУ R5600 (фирмы Hamamatsu)

6 «Pisa Box» (производства CAEN, Италия) может одновременно снабжать высоким напряжением до 40 ФЭУ с максимальным выходным током до 2 .u/4/канал и с точностью фиксации значения выходного напряжения лучше 0 1 %

7 Счетчики TSU были изготовлены нашими коллегами н университете штата Мичиган (США)

Для управления фотосенсором Н5783 прямо на счетчик установлен предусилитель-формирователь - РАБ8 (рис. 5) Он позволяет управлять высоким напряжением на ФЭУ, а также усиливать и отбирать по регулируемому порогу информацию от ФЭУ Далее для организации ранее отсутствовавшего централизованного управления и съёма информации каждый счетчик подключили к специализированному распределителю-приемнику (ССи9), управление которым производится через стандартный СОМ-порт Всего задействовано 20 таких распределителей-приёмников, которые обслуживают до 700 сцинтилляционных счётчиков

Рис. 5. Схема подачи высокого напряжения и система считывания для сцинтилляционных счётчиков со съёмом света при помощи спектросмещающих волокон и фотосенсоров на основе миниатюрных ФЭУ

В числе существенных результатов выполненных при активном участии автора новых разработок, в данной главе указываются следующие • Программа «MuonMonitor», разработанная и созданная на основе программного пакета Visual С++ и Visual Basic от фирмы Microsoft, сделала возможным управление работой всех CCU и Pisa Box устройств Создана ранее отсутствовавшая электронная база данных по основным параметрам сцинтилляционных счётчиков (напряжение плато, пороговое напряжение дискриминации, расположение и индивидуальный номер и т д), обращаясь к которой, программа «MuonMonitor» может самостоятельно выставлять заданные высокие напряжения и уровни порогов на дискриминаторах

8 PAD - РМТ Amplifier and Discriminator

9 CCU - Control and Concentrator Units Используя CCU можно подавать напряжение на 48 PADob, одновременно принимая с них информацию в ЭСЛ-стандарте для дальнейшей её обработки и передачи на время-цифровой преобразователь (TDC)

• Созданная на основе программного обеспечения iFIX10 программа «MuonMain», ранее, до начала наших разработок, отсутствовавшая на CDF, интегрирована в глобальную систему контроля и в режиме реального времени контролирует заданные параметры мюонных сцинтилляционных счётчиков. Каждые 15 минут в течение 30 секунд происходит мониторирование высокого напряжения »1200 ФЭУ и порогов 551 предусилителя.

• Кроме вышеописанных программных решений применяется встроенная в глобальную систему контроля CDF система оперативного контроля состояния отдельных устройств: распределителей-приёмников CCU, источников высокого напряжения, раветвителей Pisa Box, всех задействованных КАМАК крейтов, базисного компьютера контроля и управления.

• Разработанное программное обеспечение для контроля долговременной стабильности параметров счетчиков позволяет выявлять отдельные либо группу счётчиков с низкой эффективностью. Рисунок 6 иллюстрирует эффективность счетчиков CSP Wall, полученную сравнением количества срабатываний счетчиков и треков, проведенных в соответствующих дрейфовых камерах CMP/CMU. В случае наблюдения низкой эффективности счетчиков определяются причины неисправностей и устраняются.

Для оперативного

контроля стабильной работы сцинтилляционных счетчиков мы используем постоянно (в течение сеанса набора данных) набираемые

двумерные гистограммы, изображающие количество срабатываний счетчиков на запуски глобального триггера установки CDF. Как правило, изменение привычного

(стабильного) образа

10 iFix - лицензионный пакет программ фирмы «Intellution»

CSР Wall. Северо-западная станка CSP Wall. Северо-восточная стенка

Счйтчнк, CSP Wall, Юго-западная стенка

Счйтяик, № CSP Wall, Юго-восточная стенка

Рис. 6. Эффективности счётчиков CSP Wall.

гистограммы означает неисправность в счетчике или устройствах, связанных с ним

Вышеописанные меры обеспечили поддержание стабильной эффективной работы сцинтилляционных счетчиков мюонной системы CDF II в длительных сеансах набора физических данных

Созданный аппаратно-программный комплекс сбора данных, управления некоторыми параметрами, оперативного контроля и мониторирования более 1140 сцинтилляционных детекторов обеспечивает эффективное функционирование сцинтилляционных счётчиков мюонного триггера CDF II при наборе физических данных в проводимом ныне на Тэватроне сеансе RUN II и внес важную лепту в получение важных новых результатов принципиального научного значения по физике с, b, t- кварков, ß° _ д0 - смешиванию, проверке СМ и т д В частности, среди результатов

подобного класса, достигнутых с применением созданных детекторов мюонного комплекса CDF, одни из наиболее точных измерений массы топ-кварка М,ор= 173,5!j \ (stat) ГэВ/с2 и Mlop=\10 1 ГэВ/с2 ± 6 0(stat) ± 4 1 (syst) в

т н модах "лептон+струи" и "дилептон" соответственно, наиболее точное измерение массы W-бозона Mw~ 80413+48 (stat) МэВ/с2 и др В получении этих результатов определяющую роль играла высокая эффективность регистрации электронов (до 96 %) и мюонов (до 90 %)

В третьей глапе описывается принцип работы, технология сборки, а также исследование основных параметров более 600 изготовленных в ОИЯИ11 сцинтилляционных счётчиков нового поколения - с техникой сбора света спектросмещающими волокнами на основе украинского сцинтиллятора UPS 923А, впервые примененных в коллайдерных экспериментах, и 60 изготовленных во ФНАЛ мюонных сцинтилляционных счетчиков с классическим методом сбора света плексигласовыми световодами на основе широко известного промышленного сцинтиллятора NE114 Внедрение в состав установки CDF этих счётчиков радикально, на 60%, увеличило аксептанс мюонного комплекса Также приведены результаты наших исследований влияния процесса естественного старения

Этот ко мп тс кс мер осуществлялся группой, руководимой И С Чириковым-Зоршмлч

на светосбор сцинтилляционных счётчиков, что сделало возможным прогнозирование долговременной эффективности их использования в условиях Тэватрона.

Оптоволоконный съём света (рис. 7) имеет важные преимущества в сравнении с классическим методом сбора света плексигласовыми световодами:

• меньшие потери света благодаря более короткому пути его распространения в объёме сцинтилляционной пластины;

• меньшая зависимость эффективности от деградации оптических свойств самой сцинтилляционной пластины - больший срок эксплуатации;

• уменьшение нечувствительной зоны - компактность детектора из-за использования миниатюрного ФЭУ.

Сбор света в сцинтилляционных счетчиках нового поколения происходит следующим образом: часть голубого света, излученного сместителем спектра РОРОР, достигая оптоволоконной ленты, поглощается добавкой У11 (или К27) и изотропно переизлучается в более

длинноволновую зеленую область. Использовались многооболочечные спектросмещающие волокна Б-типа фирмы К1ЖА11АУ и фирмы Pol.Hi.Tech, включающие добавки У11 (250 ррт) и К27 (200 ррт) соответственно.

Переизлучённый свет

распространяется по волокнам к ФЭУ и к противоположному от ФЭУ концу (рис. 7). Зеркало на дальнем торце волоконной ленты увеличивает на 60% светосбор. Типичная квантовая эффективность фотосенсора Н5783 равна « 12% на длине волны излучения сместителя спектра У11 или К27 (~ 500 нм).

зеркало

Рис. 7. Схематический вид сцинтилляционных счётчиков со съёмом света оптоволоконной лентой.

Исследования созданных счётчиков по светосбору нами проводились в ОИЯИ и в Фермилаб на космических мюонах (рис. 8). На рисунке 9 показаны распределения светосбора в фотоэлектронах (ф.е.) для счётчиков ВБи и СЭР при прохождении космических мюонов через пластину в дальнем от ФЭУ конце счётчиков.

Телеокоп Счетчик

ФЭУ

Рис. 8. Блок-схема аппаратуры для

измерений светосбора с дальнего от ФЭУ конца счётчика.

IS 10 I* 30 >3 40 4', 30

светосбор. ф.э.

10 13 30 13 10 33 40 43

светосбор, ф.э.

3 10 13 10 аз 30 3! 40 43 50

светосбор, ф.э.

EntiM 72 Mean 79 в

Рис. 9. Светосбор с дальнего от ФЭУ конца для сцинтилляционных счётчиков BSU, CSP L2 и CSP L3 типов, изготовленных в ОИЯИ.

Для увеличения аксептанса установки CDF II в области псевдобыстрот 0.6 < \ rf[ < 1.0 и азимутального угла А(р=90° (от (/>,=225° до (£ь=315°) мы создали, исследовали и включили в состав установки CDF 48 счетчиков MSK со съёмом света световодами с обоих концов (рис. 10).

Таким образом, сумма выполненных работ по созданию новых счётчиков обеспечила достижение существенного результата: аксептанс мюонной системы установки CDF увеличен на 60% (рис. 11).

40 50 00 70 80 »0 ПО 110

Светосбор. ф э

Рис. 10. Светосбор с центра сцинтилляционной пластины для счётчиков MSK.

Проведённое нами исследование процесса естественного старения, то есть измерение уменьшения светосбора сцинтилляционного счётчика со временем, сделало возможным прогнозировать долговременную эффективность их использования. Мюонная система установки CDF включает более 1140 сцинтилляционных счётчиков разного типа. Часть этих счётчиков осталась со времени RUN I, другая часть была создана специально в рамках модернизации установки CDF RUN И.

Были выполнены

систематические измерения параметров одного и того же набора счётчиков разного типа. Исследовано в общей сложности до 60 счётчиков (см. Таблицу 1). Счётчики CSP и BSU, изготовленные в Дубне, представляют собой счётчики нового поколения с оптоволоконным съёмом света, размерами 3200x305x20 мм3 и 1638x166x15 мм1 соответственно. Основа сцинтиллятора - полистирол (ПС). Счётчики CSP Wall - это так называемые "модернизированные" счетчики со смешанным способом сбора света, с размерами 3200x320x20 мм3. Счётчики CSX имеют трапециидальную форму, с размерами 1800х(300, 400)х25 мм3, съём света производится классическим способом - с помощью плексигласовых световодов. Основа сцинтиллятора для счётчиков CSP Wall и CSX -поливинилтолуол (ПВТ).

Тип счётчика Основа Кол-во Постоянная старения г(годы)

CSP Wall ПВТ 23 4.7 ±0.3

CSX ПВТ 17 7.6 ± 1.3

BSU ПС 17 12.4 ± 1.0

CSP ПС 2 8.9 ±0.9

Таблица 1. Основные результаты исследования естественного старения сцинтилляционных счётчиков установки СОР П.

I ■ СМХ ^Э -СМР ЕЭ сми ш смх а смр ЕПЗ СМИ ■ IMU

п п

Рис. 11. Аксептанс мюонной системы CDF в Run I - слева и в Run II - справа.

Фит функция N(t)» No екр< l/t J

Методом абсолютной калибровки12 в течение нескольких лет периодически измеряется светосбор с дальнего от ФЭУ конца сцинтилляционной пластины Далее экспериментальные данные аппроксимируются ординарной экспоненциальной функцией (рис. 12, Таблица 1)

Проведенный цикл

исследований позволил

получить ранее

отсутствовавшие сведения по старению сцинтилляционных счётчиков установки СОР II в условиях реального

эксперимента и интегрального учёта многих факторов, влияющих на деградацию сцинтилляционной пластины В том числе а) статистически достоверно установлено, что скорость деградации поливннилтолуольного сцинтиллятора почти вдвое выше, чем у полистирольного сцинтиллятора аналогичной геометрии, б) для полистирольных сцинтилляционных счётчиков нового поколения в системе "сцинтиллятор + оптоволокно" определяющим является старение пластика (вклад оптоволокна в уменьшение светосбора с дальнего от ФЭУ конца не превышает 20%), в) техническая длина ослабления для сцинтилляционных счетчиков с оптоволоконным способом съёма света слабо зависит от времени Центральный вывод наших исследований определено, что счетчики, изготовленные в ОИЯИ, могут быть использованы для набора статистики без заметного уменьшения эффективности до 2010 года

Время а года* ГО" соответствует 2000 году)

Рис 12 Световыход с дальнего от ФЭУ конца для одного из счетчиков CSP Wall по годам

В четвертой главе описывается разработка и создание нового многоканального преконвертора СРЯ2 электромагнитного калориметра на основе пластического сцинтиллятора, а также разработка и создание прототипов счётчиков для дополнительного слоя мюонных

12 E H Bellamy et al, "Absolute Calibration and Monitoring of a Spectrometric Channel Using a Photomultipher", — NIM A339 (1994) 468-476

сцинтилляционных детекторов и исследование их влияния на повышение эффективности подавления фоновых событий в составе нового мюонного триггера

Преконвертор электромагнитного калориметра CPR2 Повышение светимости Тэватрона привело к необходимости замены старого преконвертора так, уже с началом RUN II его использование стало проблематичным Между тем преконвертор играет весьма значительную роль в разделении частиц и точности измерения их кинематических параметров Эти качества существенны во многих исследованиях по физике тяжелых кварков, распадов W, Z бозонов и т д

Основные причины, обусловившие замену старого преконвертора, следующие

• в RUN I старый преконвертор базировался на относительно медленных проволочных газовых детекторах - пропорциональных камерах и работал при светимости до 1 0x1032 см'2с' С увеличением светимости до 2 0x1032 см'2 с1 и выше такие детекторы работают с трудом или вообще перестают справляться со своей задачей,

• амплитуда импульса сильно уменьшилась из-за деградации сигнальной проволочки,

• необходимость увеличения быстродействия и улучшения энергетического разрешения электромагнитного калориметра требовала большей сегментации преконвертора по псевдобыстроте Т], которая в созданном детекторе выросла почти на порядок

3000 тайлов со стабильно высоким световыходом до 36 ф э на минимально ионизирующую частицу (МИЧ), а это, в свою очередь, обеспечило регистрацию не менее 12 фэ/МИЧ (в среднем) после прохождения всего оптоволоконного тракта (до 5 м) Последняя величина превышает более чем

Рис 13 Сцинтилляционная пластина (тайл)

В новом преконверторе детектирующие элементы нами заменены, ими стали тайлы -сцинтилляционные пластины с размерами 125x125x20 мм2 (рнс. 13) Изготовлено,

тестировано и отобрано более

в два раза уровень 5ф э /МИЧ, минимально необходимый для эффективной регистрации калориметром одиночной частицы13.

Нами решена главная задача массовое и контролируемое по светосбору производство тайлов в Дубне и в Харькове Изготовление канавки для оптоволокна было последним этапом перед сборкой модуля СРЯ2 в США

Для обеспечения надлежащего качества тайлов необходимо было определение светосбора (от МИЧ) для тайла без канавки, соответствующего светосбору не менее 18фэ/МИЧ со спектросмещающего оптоволокна, установленного в О-образной канавке на поверхности тайла Была проведена серия контрольных измерений для решения этой задачи

Суть методики, применённой в ОИЯИ, такова Вначале измерялся светосбор (вфэ)с проектируемым методом съёма света при помощи оптоволокна и фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) На втором этапе ФЭУ был приставлен непосредственно к одному из узких торцов тайла и определялся светосбор (в фэ) с исследуемой пластины Сравнение полученных величин определило опорный параметр для отбора тайлов Для проведения исследований было изготовлено несколько прототипов тайлов из сцинтилляционных пластин разного качества (рис. 14)

Кроме этого, использовался радиоактивный источник 8г90+У90, излучение которого коллимировалось в пучок диаметром 1 мм Облучение производилось перпендикулярно большой поверхности тайла на фиксированных расстояниях от ФЭУ, приставленного к узкой грани пластины, и измерялся анодный ток Этот метод традиционно используется в

13 R Blair, et al "Proposal to replace the Central Preshower Detector and Central Crack Chambers with an integrated scintillator detector (CPR2) ", — CDF Note 5519, July 18, 2001

IJ 14 (3

Светосбор с узкой грани, ф э

Рис. 14. Корреляция светосбора со спектросмещающего оптоволокна и с узкой грани тайла

"Институте Монокристаллов"14 для определения параметров производимых сцинтилляционных пластин. Были проведены исследования для согласования оценок светосбора, измеренного с использованием радиоактивного источника и методом абсолютной калибровки, с целью выработки опорного параметра для контроля качества тайлов, производимых в Харькове (рис. 15).

Описанные выше методики контроля качества позволили нам в сжатые сроки изготовить более 3000 тайлов с высоким (до 36 ф.э.) светосбором.

Эффективность нового преконвертора СРЯ2 иллюстрируется ниже.

На рисунке 16 (слева) показано распределение по выделенной в преконверторе энергии для кандидатов на мюоны от распадов ^-бозонов, после введения поправок трактов усиления сигналов с тайлов. Для сравнения также показано распределение от частиц с треками с поперечной энергией р, более 8 ГэВ, которые иногда образуются от взаимодействия продуктов протон-антипротонных столкновений с материалом перед детектором СРЯ2.

Кроме минимально ионизирующих частиц детектор СРЛ2 зарегистрировал также большое количество электронов от распадов IV-бозонов. На рисунке 16 (справа) показано аналогичное предыдущему распределение для кандидатов на электроны от распадов ^-бозонов в сравнении с распределением от частиц с треками с поперечной энергией р, более 8 ГэВ, которые иногда образуются от взаимодействия продуктов протон-антипротонных столкновений с материалом перед детектором СРЕ12. Как и ожидалось, в случае возникновения ливня от электрона выделение

14 Институт сцинтилляционных материалов НКТ «Институт монокристаллов», г. Харьков, Украина.

% Фит, функция У-р! *Х+рО РО 5.85= 1 ~~ - р1 0.4В2 ± о.а

Светосбор с узкой грани, ф.э.

Рис. 15. Корреляция светосбора с узкой грани таила, измеренного разными способами: методом абсолютной калибровки и с помощью радиоактивного источника, который был установлен в центре тайла.

энергии больше, чем в случае прохождения через преконвертор минимально ионизирующей частицы или случайных частиц.

Н Кандидаты на мюоны _ С лучайные частицы

2н Кандидаты на электроны 1 | Случайные частицы

в « 10 12 14

Энерговыдепение, в МИЧ

О 5 10 15 20 25 30 35 40

Энерговыдепение, в МИЧ

Рис. 16. Распределение по выделенной в преконверторе энергии (в единицах МИЧ)

для кандидатов на мюоны от распадов И^-бозонов и от случайных треков с

поперечной энергией р, более 8 ГэВ (левый рисунок). То же для кандидатов на

электроны от распадов (^-бозонов и от случайных частиц с поперечной энергией р,

более 8 ГэВ (правый рисунок).

Таким образом, сохранив достоинства старого преконвертора:

— 2-3 кратное увеличение подавления фона от заряженных пионов, что крайне важно при последующей идентификации электрона для 5-]е1 мечения,

— возможность идентификации одиночных фотонов (на фоне мезонов) в области энергий больше 35 ГэВ,

— улучшение энергетического разрешения струй, что очень существенно для поиска или экспериментального сужения вероятного интервала масс частиц Хиггса;

новый прековертор обладает принципиально новыми качествами:

— работает при светимости до З.ОхЮ32 см'2с' и выше;

— имеет на порядок более высокую гранулярность по псевдобыстроте;

— имеет на порядок более высокое быстродействие, что очень важно в свете планируемого уменьшения интервала между сгустками с 396 до 132 не.

Исследовании эффективности нового мюонного триггера в области

1.0<1п1<1.25.

-2-1

Увеличение светимости Тэватрона до величины 2x10 см'с связанное с этим ужесточение требований отбора полезных событий

привели к исключению из списка триггеров, обязательных на установке CDFII, мюонного триггера первого уровня (L1) в области 1.0<|^|<1.25 (потери -10%). Нами предложен вариант восстановления данного триггера путём включения в него сигналов с дополнительного слоя мюонных сцинтилляционных детекторов (рис. 17).

Для оценки ожидаемого эффекта от включения счётчиков SSU в триггер мы обработали данные, отобранные глобальным общим триггером установки CDF на протяжении 3 месяцев сеансов набора с мая по июль 2005 года.

Рис. 17. Расположение детекторов мюонного триггера в области /^<1.5, а также место предполагаемой установки нового слоя сцинтилляционных счСтчиков ББи.

На рисунке 18 показаны распределение событий по счётчикам и времён прихода событий, отобранных предложенным триггером. Следует отметить резкое выделение пиков в области 160 не от начала отсчёта - этот пик для счётчиков ББи приходится на -157 не (нижний левый рисунок) и для счётчиков ВБи приходится на -160 не (нижний правый рисунок) от начала отсчёта и разница составляет около 3 не (верхний правый рисунок). Если учесть, что время пролёта от счётчика ББи до счётчика ВБИр для заряжённой частицы, летящей из зоны протон-антипротонных столкновений, должно составлять -3 не, то можно полагать, что на этот пик приходятся именно мюоны, рождающиеся в искомых событиях в центре установки.

Для сравнения приведём распределение времён приходов событий для счётчиков В8иР, соответствующих мюонам при исследовании распадов г-бозонов (рис. 19)15. Среднее положение пика для счётчиков В8иР -159 не,

15 С М. Ginsburg et al. "CDFIntermediate Muon Trigger. " - CDF Note 7694. 2005.

Счетчики \ BSUF

Камеры

Калориметр СНА

Счетчики SSU

-Калориметр^

УА WHA

^Калориметр

УА рнА

то есть совпадает с положением пика на гистограммах при отборе событий предложенным нами триггером Это подтверждает высокую эффективность нового триггера при отборе мюонов, рождённых в центре установки СБР

.....гР, . I Шаг . . ............

14С 1« |И 1М М 1И Ш

Время прихода событий не

Рис. 18. Распределение событий по счетчикам, а также времён прихода этих событий и разности времён приходов для соответствующих пар счётчиков ВБи и 581Г при предложенном новом мюонном триггере в области I 0<|7|<1 25

Время прихода событий, не

о

5 зоо

Р 200:

о О) У S

о 100-

Entries

417

xVndf 28 10 120

Constant 352 2 ± 15 61

Mean 158 8 ± 0 1718

Sigma S 035 ±0 1454

0 50 100

@ Don* by Caimll» Gmsburg

150 200 250

300 350 400

Время, не

Рис. 19. ВБир счетчики распределение по времени прихода событий,

соответствующих мюонам при исследовании распада 2->2ц

Более того, проведенный анализ показал а) идентичность предлагаемого мюонного триггера Ы в области 1 0<|^|<125 ныне используемому

мюонному триггеру в области 1.25<|^|<1.5; б) суммарная частота триггера L1 для области 1 0<|^|<1.5 не превышает допустимого на CDF II уровня - 1 кГц.

Полученные нами данные подтвердили целесообразность предлагаемого решения- увеличение аксептанса мюонного триггера уровня L1 возможно путем установки дополнительного слоя сцинтилляционных счетчиков в области 1 0<|77|<1.25

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы

1 При активном участии автора реализован принципиальный раздел программы модернизации установки CDF. значительно, на 60%, увеличен аксептанс мюонного триггера Это достижение обусловлено а) созданием более 650 крупномасштабных сцинтилляционных счётчиков с общей площадью более 300 м2, в том числе 608 счетчиков со светосбором спекгросмещающими волокнами, б) разработкой системы управления и контроля; в) включением нового комплекса в состав действующей аппаратуры установки CDF

2 Для исполнения исследовательской программы CDF II при возросшей светимости Тэватрона (2х1032 см"2с"' и выше), в которой требуется идентификация электронов и фотонов, создан новый прибор - 2600-канальный годоскопический преконвертор из сцинтилляционных пластин 125x125x20 мм2 общей площадью более 40 м2. Быстродействие нового преконвертора и его сегментация по псевдобыстроте на порядок превзошли эти величины в ранее существовавшей системе, пригодной для использования при светимости менее 1032 cm'V.

3 Впервые установлено, что для сцинтилляционных счётчиков нового поколения на основе полистирола, а) старение системы "сцинтиллятор + оптоволокно" определяется деградацией пластика; б) техническая длина ослабления слабо зависит от времени Данный результат достигнут благодаря исследованиям в 2000 - 2006 гг параметров сцинтилляционных счётчиков, действующих на установке CDF, позволившим спрогнозировать эволюцию этих параметров и дать коллаборации программу замены теряющих эффективность счетчиков,

эксплуатируемых с 1992 года Вместе с этим установлено счетчики ОИЯИ сохранят высокую эффективность до конца сеанса RUN II

4 Предложен и экспериментально апробирован мюонный триггер в передней (1 0<|//|<1 25) области CDF. Предыдущая версия этого триггера с февраля 2006 года была исключёна из списка обязательных триггеров CDFII вследствие возросшей светимости Тэватрона Показано, что размещение дополнительного слоя сцинтилляционных счётчиков в указанной области позволит коллаборации увеличить более чем на 10% количество отбираемых событий с мюонами в качестве сигнатурной частицы

5 Обеспечено стабильное функционирование мюонной системы CDF II, включающей более 1140 сцинтилляционных счётчиков разных типов, и эффективное использование её в мюонном триггере Это сделало возможным достижение важных новых результатов принципиального научного значения, - в частности, одних из наиболее точных, по времени получения, измерений массы топ-кварка М,ор=ПЪ,5*^^(stat)

ГэВ/с2 и Mlor-170 1 ГэВ/с2 ± 6 0(stat) ± 4 l(syst) в так называемых модах "лептон+струи" и "дилептон" соответственно, наиболее точное измерение массы W-бозона Mik=80413 ± 48 (stat) МэВ/с2 и др В настоящее время поддерживаемый нами мюонный комплекс CDF II действует в продолжительном наборном сеансе RUN II на Тэватроне

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих

работах

1 А Артиков, Д. Чохели и др, "Подсистема счетчиков «miniskirt» установки CDF1Г - Письма в ЭЧАЯ, № 5[114]-2002, ст. 25-39, 2002.

A Artikov, D. Chokheli et al, "The 'miniskirt' counter array at CDF-IF - CDF Note- CDF/PUB/MUON/PUBLIC/6105, Sep 2002.

2 О Пухов, Д. Чохели и др, "Автоматизация контроля системы мюонных сцинтимяторных счетчиков CDF 1Г - Письма в ЭЧАЯ, № 5[114]-2002, ст 72-81,2002

О Pukhov, D. Chokheli et al, "Automatization of the monitoring and control of the muon scintillation counters at CDF 1Г - CDF Note CDF/PUB/MUON/PUBLIC/5949, May 2002

3. А Артиков, . Д. Чохели и др, "Long muon scintillation counters with wavelength shifter fiber readout for CDF IF - Письма в ЭЧАЯ, № 3[132]-2006, ст 81-102,2006

4 Artikov, D. Choklieli et al, "Design and construction of new central and forward muon counters for CDF1T\ — NIM A53£ (2005) 358-371,2005

A Artikov, D. Chokheli et al, "Design and construction of new central and forward muon counters for CDF 1Г - CDF Note CDF/PUB/MUON/PUBLIC/6926, March 2004.

5 A Artikov, D. Chokheli et al., "Properties of the Ukraine polystyrene-based plastic scintillator UPS 923A" - NIM A555 (2005) 125-131, 2005.

А Артиков,. Д. Чохели и др., "Свойства украинского пластмассового сцинтиллятора на основе полистирола UPS 923А" - Препринт ОИЯИ, Дубна, D13-2005-111,2005.

6 А Артиков, О Пухов, Д. Чохели и Г Члачидзе, "Система мюонных сцинтилляционных счетчиков установки CDF' -ЭЧАЯ, 2007

7 A Artikov, D. Chokheli, G Pauletta and О Pukhov, "On the aging of the scintillation counters for RUN II Muon System at CDF' - NIM A579 (2007) 1122-1134,2007

A Artikov, D.Chokheli et al "On the aging of the CSP and CSX counters", - CDF Note. CDF/PUB/MUON/PUBLIC/7033, May 2004.

8 А Артиков, . Д. Чохели и др, "«PRESHOWER» - новый многоканальный детектор CDF Часть I Сцинтилляционные пластины нового детектора разработка, производство, контроль качества" -Препринт ОИЯИ, Дубна, Р13-2005-27,2005

9 М Gallinaro, , D.Chokheli et al (CDF collaboration), "A New Scintillator Tile/Fiber Preshower Detector for the CDF Central Calorimeter" -Fermilab-CONF-04-325-E, Nov 2004. 5pp Presented at 2004 IEEE Nuclear Science Symposium and Medical Imaging Conference (NSS / MIC), Rome, Italy

10 A Artikov, , D. Chokheli et al, "CDF central preshower and crack detector upgrade" - ANL-HEP-PR-07-09, arXiv org>physics>arXiv 0706 3922v 1, http //arxiv orR/abs/0706 3922vl. June 2007

А Артиков, . . Д. Чохели и др, "CDF central preshower and crack detector upgrade" - Ferrmlab preprint, FERMILAB PUB-07-023-E, Feb 2007

11 А Артиков, К Бромбърг, Д. Чохели и Г Члачидзе, "О возможности модификации триггера 1 уровня мюонной системы установки CDF в условиях повышенной светимости Тэватрона" - Письма в ЭЧАЯ, 2007

12 A Abulencia, D.Chokheli et al (CDF collaboration) "Measurement of the top quark mass with the dynamical likelihood method using lepton plus jets events with b-tags m ppbar collisions at s"2=l,96 TeV" - Phys Rev D73 092002,2006

13 A Abulencia, D.Chokheli et al (CDF collaboration). "Top quark mass measurement using the template method in the lepton+jets channel at CDF 1Г' - Phys Rev D73 032003,2006.

14 A Abulencia,.. D.Chokheli et al (CDF collaboration) "Measurement of the top quark mass using template method on dilepton events in protonantiproton collisions ats,/2=1,96 TeV" -Phys Rev D73 112006,2006

15 T Aaltonen, . . D.Chokheli et al (CDF collaboration) "First Run II Measurement of the W Boson Mass" - arXiv 0708 3642vl, http //arxiv org/abs/0708 3642, August 2007

T Aaltonen, D.Chokheli et al (CDF collaboration) "First Run II Measurement of the W Boson Mass" - Fermilab preprint, FERMILAB-PUB-07-444-E, Aug 2007

Получено 23 октября 2007 г

Отпечатано методом прямого репродуцирования с оригинала, предоставленного автором

Подписано в печать 25 10 2007 Формат 60 х 90/16 Бумага офсетная Печать офсетная Уел печ л 1,81 Уч-изд л 1,83 Тираж 100 экз Заказ №55928

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