2
Оглавление
Введение 5
1 Описание эксперимента 11
1.1. Ускорительно-накопительный комплекс ВЭПП-2М.................. 11
1.2. Детектор КМ Д-2.............................................. 13
1.2.1. Дрейфовая камера...................................... 15
1.2.2. 7-камера.............................................. 23
1.2.3. Цилиндрический калориметр............................. 24
1.2.4. Торцевой калориметр .................................. 26
1.2.5. Пробежная система .................................... 26
1.2.6. Система запуска детектора............................. 27
2 Изучение процессов е+ё~ —> СЛГ+7Г~ И е+е~ —► 777Г+7Г“ 30
2.1. Процесс е+е" —► 7Г^7Г_7Г+7Г“7Г0.............................. 30
2.1.1. Отбор событий процесса
е+е~ —► 7Г+7Г “7Г+7Г_7Г°............................... 31
2.1.2. Моделирование......................................... 34
2.1.3. Процедура аппроксимации спектров 39
2.1.4. Устойчивость процедуры аппроксимации.................. 42
2.2. Процесс ее —> 7Г+7Г_7? —> 7Г+7Г"77........................... 47
2.2.1. Отбор событий......................................... 47
2.2.2. Моделирование......................................... 48
2.2.3. Процедура аппроксимации и ее устойчивость............. 52
2.3. Полученные результаты........................................ 54
3 Дрейфовая камера детектора КМД-3 57
3.1. Ускорительный комплекс ВЭПП-2000 ............................ 57
3
3.2. Физические задачи детектора КМД-3............................ 58
3.3. Общая конструкция и элементы
детектора.................................................... 62
3.4. Дрейфовая камера............................................. 67
3.4.1. Общие требования...................................... 67
3.4.2. Радиационная нагрузка и старение...................... 74
3.4.3. Изготовление поддержек проволочек..................... 76
3.4.4. Сборка камеры......................................... 77
3.4.5. Натяжение проволочек................................ 80
3.4.6. Высокое напряжение в ДК............................. 94
4 Электроника дрейфовой камеры детектора КМД-3 99
4.1. Структура Системы Сбора Данных............................... 99
4.2. Плата Т2<3........................................,..........102
4.2.1. Назначение платы......................................102
4.2.2. Электронные калибровки платы Т20,.....................103
4.3. Заряженный триггер...........................................110
5 Реконструкция событий 114
5.1. Восстановление треков........................................114
5.2. Калибровки но физическим событиям............................120
5.2.1. Калибровки момента ТО и амплитудных порогов .... 120
5.2.2. Калибровки изохрои....................................122
5.2.3. Калибровки параметров, используемых для измерения ^-координаты.................................................124
5.2.4. Калибровки удельных ионизационных потерь..............128
5.3. Реконструкция треков космических частиц в экспериментах
без магнитного поля..........................................129
5.4. Проверка работы программ реконструкции треков на моделировании ..........................................................132
5.4.1. Эффективность реконструкции...........................133
5.4.2. Импульсное разрешение.................................139
4
6 Заключение 142
7 Приложения 145
7.1. Генератор событий процесса е^е~ —> и>тг+7г~ .............145
7.2. Генератор событий процесса еье~ —> г}тг+тг~ .............148
5
Введение
В период с 1992 по 2000 год на электрои-позитронном коллайдере ВЭПП-2М [1] в Новосибирском институте ядерной физики имени Г.И.Будкера проводились эксперименты с детекторами КМД-2 [2] и СНД [3]. Изучаемый диапазон энергий составлял от 360 до 1400 МэВ в системе центра масс.
Эта область энергий интенсивно исследовалась со времени появления методики встречных пучков. Первые эксперименты были проведены на накопителях АСО (Орсэ, Франция) и ВЭПП-2 (Новосибирск) в конце 60-х годов. В 70-х-80-х годах велись эксперименты с детекторами M3N и DM1 на накопителе АСО и с детекторами ОЛЯ, КМД и НД на коллайдере ВЭПП-2М, пришедшем на смену накопителю ВЭПП-2. Обилие интересных физических задач в данной области энергий привело к модернизации комплекса ВЭПП-2М и созданию детекторов нового поколения - КМД-2 и Сферического Нейтрального Детектора (СНД), работавших на накопителе до 2000 года. В этих экспериментах был получен ряд данных о сечениях электрон-позитроиной аннигиляции в адроны при низких энергиях, необходимых для решения многих проблем физики частиц. Следует отметить, что последовательных теоретических методик применения КХД для описания адронных взаимодействий при низких энергиях до сих пор не существует. Для их развития необходимы еще более подробные измерения как в области резонансов, так и в континууме чтобы расширить информацию о взаимодействиях легких кварков.
Основной целью дайной работы является измерение сечения в процессах е+е"аннигиляции событий с пятыо пионами в конечном состоянии и изучение динамики их рождения. Большая множественность конечных частиц допускает большое число вариантов промежуточных состояний и каналов
6
(Ь) Распределение полярных углов вылета заряжен-
(а) Распределение по импульсам заряженных частиц. ных мастиц
(с) Распределение инвариантных масс нейтральных (с!) Распределение инвариантных масс заряженных комбинаций 3-х пионов. комбинаций 4-х пионов.
Рис. 1: Сравнение некоторых кинематических параметров моделей процесса а>7г+7г"описываемых диаграммами 7.1 и 7.2, везде далее именуются модель а>7г+7г"и Ь\7Г соответственно. Энергия в с.ц.и. 1.38 ГэВ.
их распадов. Наиболее естественными для них являются состояния т)7г+7г~и а;7г+7г-, которые обладают противоположными С-четностями и рождаются через различные изовекторные состояния семейства р мезонов и изоскаляр-ные состояния семейств и и ф мезонов. Соответствующие фейнмановские диаграммы показаны на рисунках 7.3 и 7.1. Последняя диаграмма, описывающая рождение а;7г+7г_, допускает усложнение путем добавления еще одной промежуточной вершины Ь\п. На рисунке 1 приведены сравнения распределений для некоторых кинематических параметров, вычисленных в рамках этих двух моделей при энергии 1.4 ГэВ в с.ц.и. - максимально доступной энергии ВЭПП-2М. Как видно из рисунка, в области энергий до 1400
Angular distribution of charged pions
7
(Ь) Распределение полярных углов вылета зарижен-(а) Распределение по импульсам заряженных частиц. ных частиц
(с) Распределение инвариантных масс нейтральных (ё) Распределение инвариантных масс заряженных комбинаций 3-х пионов. комбинаций 4-х пионов.
Рис. 2: Сравнение некоторых кинематических параметров моделей процесса и;7Г+7Г“И &17Г, при энергии в с.ц.и. 1.9 ГэВ.
МэВ в с.ц.и. распределения кинематических параметров конечных частиц отличаются столь незначительно, что выбрать какую-либо модель не представляется возможным. Изменение эффективности регистрации, связанное с ограниченным телесным углом, составляет менее 5% (рис.1(Ь)), а распределения по импульсам заряженных частиц (рис.1(а)) практически идентичны, вследствие чего модельная ошибка в определении эффективности регистрации незначительна.
Возможность уточнения описанных моделей появится с началом работы комплекса ВЭПП-2000 (глава З.1.). На рисунке 2 показаны кинематические распределения при энергии 1900 МэВ в с.ц.и. Уже при регистрации 10000 событий четко виден сигнал от мезона в спектре инвариантных масс че-
тырех пионов рис.2(с1). Вполне возможно, что это будет первое наблюдение Ьх мезона на встречных е+е_пучках при энергиях ниже 2 ГэВ. Время набора такой статистики при светимости 1032 см2/сек, сечении 2.5 нб и эффективности регистрации 20% составит всего несколько часов.
3
с
+о
О
(а)
Рис. 3: Сечения е~е~ тодом ISR.
Ec.m.(GeV) 1 2 3 Ес.т.<<*У>
(Ь)
7г+7г“7г+7г~7г°, полученные на детекторе ВаВаг ме-
Следует сказать, что уже получены и опубликованы результаты измерения сечений е+е" —* и>7г+7г~ и е+е~ —► т]7г+7г“ на детекторе ВаВаг методом НэЯ (рис.З) [8], однако сопутствующий фон приводит к большим статистическим ошибкам и не позволяет выделить возможный сигнал от 61-мезона. Кроме того, значительно возросшие аппаратные возможности детектора при восстановлении точки конверсии фотонов и лучшие координатные разрешения новой дрейфовой камеры в сильной степени позволят снизить систематические ошибки в определении сечений. Все перечисленные обстоятельства подчеркивают значимость полученных результатов, а также показывают актуальность продолжения изучения процесса рождения пяти пионов на коллайдере ВЭПП-2000 с детектором КМ Д-3. Поэтому другой важной целью данной работы является разработка, изготовление и испытание одной из ключевых систем детектора - дрейфовой камеры (ДК).
9
В первой главе диссертационной работы представлено описание ускори-тельнонакопительного комплекса ВЭПП-2М и детектора КМД-2, на котором в течение 1992-2000 гг. велся набор экспериментальных данных во всем диапазоне энергий коллайдера. Универсальный Криогенный Магнитный Детектор (КМД-2) [2, 4, 5] состоял из трековой системы, цилиндрического и торцевого электромагнитных калориме тров на основе кристаллов Сб1 и ВСО соответственно и мюошюй пробежной системы. Трековая система состояла из дрейфовой камеры и двухслойной пропорциональной Z-кaмepыJ помещенных внутри тонкого сверхпроводящего соленоида с полем 1 Т.
Вторая глава посвящена измерению сечения исследуемых процессов в области энергий от 1.280 до 1.38 ГэВ в системе центра масс с детектором КМД-2. В процессе сканирования указанного диапазона энергий был набран интеграл светимости 3.5 пб~\ что соответствует примерно 275 событиям рождения пяти пионов. Набор велся в 10 точках по энергии, однако из-за малого количества событий и большого комбинаторного фона в каналах 5тг, некоторые энергетические точки были объединены. Для подтверждения достоверности методики получения сечений, процесс 7?7гч'тг_был измерен независимой методикой в канале распада ?/ —» 77. В данной главе приводится детальный анализ информации. Полученные данные на момент публикации [9, 10] в 2000 году обладали лучшей в мире точностью.
Третья глава целиком посвящена описанию дрейфовой камеры детектора КМД-3. В разделе 3 подробно рассмотрены физические задачи нового детектора и связанные с ними конструктивные особенности [11]. В следующих пунктах описаны пути решения проблем, встретившихся при разработке и производстве дрейфовой камеры. Прежде всего, это выбор основного материала элементов конструкции и расчет прогибов фланцев при натяжении проволочек, выбор конфигурации и расчет высоких напряжений на охранных проволочках и высоковольтном экране.
В четвертой главе описан основной элемент считывающей электроники дрейфовой камеры - плата Т2(^. Так как ДК обеспечивает триггерные сигналы для системы сбора данных, в эту главу вошли описания работ по основным ее элементам: интерфейсам первичного триггера ИПТД, блокам
10
приема-передачи данных БППД, блоку заряженного тригера и т.д.
В пятой главе описаны процедуры реконструкции треков и вершин в дрейфовой камере детектора КМД-3, а также приведены разрешения и параметры ДК, измеренные с помощью событий космических частиц и при моделировании некоторых физических процессов.
11
Глава 1
Описание эксперимента
1.1. Ускорительно-накопительный комплекс ВЭПП-2М
Ускорительно-накопительный комплекс, схема которого приведена на рисунке 1.1, состоит из инжектора, синхротрона, бустера и самого накопителя [1]. Инжектором комплекса является импульсный линейный ускоритель электронов на энергию 3 МэВ. Синхротрон Б-ЗМ ускоряет электроны до 200 МэВ. Далее комплекс может' работать в двух режимах. В режиме накопления электронов пучок из Б-ЗМ напрямую перепускается в бустерный накопитель БЭП. В режиме накопления позитронов в промежуток Б-ЗМ - БЭП вводится вольфрамовый конвертор, на котором фокусируется электронный пучок из Б-ЗМ. Образующиеся позитроны собираются магнитной системой и также перепускаются в БЭП. После накопления в ВЭПе тока порядка нескольких десятков миллиампер пучок ускоряется до требуемой энергии и перепускается в кольцо ВЭПП-2М.
ВЭПП-2М имеет периметр длиной около 18 м и состоит из элементов с жесткофокусирующей магнитной структурой, симметрично расположенных вдоль кольца, и четырех прямолинейных промежутков. В одном из промежутков расположен сверхпроводящий вигглер (“змейка9*) [6], служащий для увеличения светимости, в противоположном промежутке — ускоряющий высокочастотный резонатор с частотой 200 МГц, 1/12 которой соответствует
12
Рис. 1.1: Схема ускорительно-накопительного комплекса ВЭПП-2М
Таблица 1.1: Основные параметры комплекса ВЭПП-2М
Энергия пучков, МэВ 180-700
Светимость, Ю30 см-2с-1 5
Разброс энергий в пучке, 10_3 0.36
Время между столкновениями, НС 60
Количество сгустков в пучке 1
Периметр равновесной орбиты, м 17.88
Длина сгустка в месте встречи, см 2
Размеры пучка в месте встречи, мкм
вертикальный 10
радиальный 300
Средний ток в пучке, мА -50
времени оборота пучков 60 не в накопителе. Основные параметры ускорителя приведены в таблице 1.1. В двух других промежутках установлены детекторы КМД-2 [2, 4, 5] и СНД [3]. Детектор КМ Д-2 был спроектирован и построен в Институте ядерной физики СО РАН в 1985-1992 гг для прецизионных измерений адронных сечений и поиска редких распадов легких векторных мезонов р, ш и ф на электрон-позитронном коллайдере ВЭПП-2М. Детектор КМД-2 успешно проработал до 2000 года, после чего началась модернизация ускорительного комплекса и детекторов.
13
Рис. 1.2: Детектор КМ Д-2. 1 — вакуумная камера, 2 — дрейфовая камера, 3 — Z-кaмepa, 4 — основной сверхпроводящий соленоид, 5 — компенсирующие соленоиды, б — торцевой (ВвО) калориметр, 7 — цилиндрический (СвІ) калориметр, 8 — пробежная система, 9 — ярмо магнита, 10 — квадрупольные линзы
1.2. Детектор КМД-2
КМД-2 (Криогенный Магнитный Детектор) — это универсальный детектор, позволяющий с высокой точностью измерять параметры зарегистрированных заряженных и нейтральных частиц. Схема детектора представлена на рисунке 1.2. Координаты, углы вылета и импульсы заряженных частиц измеряются координатной системой детектора, состоящей из дрейфовой и г-камер, расположенных в магнитном поле величиной 10 кГс, создаваемом основным сверхпроводящим соленоидом. Цилиндрический и торцевой электромагнитные калориметры, изготовленные из сцинтилляционных кристаллов Сбі и ВСО, обеспечивают измерение энергии и углов вылета фотонов, а также позволяют разделять электроны и адроны. Пробежная система служит для разделения мюонов и адронов. Вакуумная камера в прямолинейном промежутке имеет диаметр 40 мм и длину 1 м. Для уменьшения многократ-
- Київ+380960830922