2
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ........................................................ 4
ГЛАВА I. ЭКСПЕРИМЕНТ ФЕНИКС НА РЕЛЯТИВИСТСКОМ КОЛЛАЙДЕРЕ ТЯЖЕЛЫХ ИОНОВ. ТРЕБОВА11ИЯ К ДРЕЙФОВОЙ КАМЕРЕ....................................... 9
1. Ускорительный комплекс коллайдера ШПС....................... 9
2. Экспериментальная установка ФЕНИКС........................... 10
3. Основные задачи физической программы ФЕ11ИКС................. 15
4. Условия работы и требования к ДК ФЕНИКС...................... 20
ГЛАВА II. ОПТИМИЗА1 (ИЯ КО! 1СТРУК1 (ИИ ДК ФЕНИКС............... 26
1. Анализ процессов, ограничивающих точность измерения
координат в многопроволочных газовых детекторах.............. 26
2. Теоретическое исследование и оптимизация рабочих
параметров ДК ФЕ1ТИКС........................................ 33
3. Экспериментальное исследование проволочной структуры
и режимов работы ДК ФЕНИКС................................... 44
1 ЛАВА III. ПРОСТРАНСТВЕННАЯ КАЛИБРОВКА ДК ФЕНИКС
С ПОМОЩЬЮ МОНИТОРИНЕОВОЙ КАМЕРЫ....................... 62
1. Требования к мониторинговой системе.......................... 62
2. Метод измерения дрейфовой скорости электронов и
относительного газового усиления............................. 64
3. Создание и тестирование прототипа мониторинговой камеры...... 71
4. Особенности конструкции, экспериментальная установка и результаты тестирования рабочего варианта мониторинговой камеры......... 78
3
5. Измерение дрейфовой скорости электронов и относительного
газового усиления в аргон - этановых смесях...................... 82
6. Выбор рабочей газовой смеси ДК ФЕНИКС............................ 96
ГЛАВА IV ИССЛЕДОВАНИЕ АИ + А13 ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ 11РИ
ЭНЕР1 ИИ = 130 гэв........................................ 101
1. Эксперимент ФЕ1ГИКС во время первого физического
цикла работы коллайдера ЯН1С...................................... 101
2. Параметры ДК ФЕНИКС во время первого физического
цикла работы коллайдера ЯН1С..................................... 105
3. Экспериментальные результаты...................................... 111
3.1 Измерение плотности заряженных частиц и поперечной
энергии по псевдобыстроте в области малых псевдобыстрот........... 111
3.1.1 Методика измерения плотности заряженных частиц
и поперечной энергии........................................... 112
3.1.2 Результаты измерения плотности заряженных частиц
и поперечной энергии........................................... 116
3.2 Измерение спектров поперечного импульса заряженных адронов 120
3.2.1 Методика измерения поперечного импульса заряженных адронов.... 120
3.2.2 Результаты измерения спектров поперечного импульса
заряженных адронов............................................. 121
3.3 Краткое изложение полученных результатов........................ 124
ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................................ 127
ЛИТЕРАТУРА
130
ВВЕДЕНИЕ
А
Одним из направлений в физике высоких энергий является исследование столкновений тяжелых релятивистских ядер, позволяющее изучать поведение ядерной материи в условиях высокой плотности частиц и энергии. Согласно предсказаниям фундаментальной теории сильных взаимодействий - квантовой хромодинамики, при температуре взаимодействующей системы - 150 МэВ должен происходить переход адронной материи в состояние со “свободными” кварками и глюонами, сопровождающийся частичным восстановлением киральной симметрии. Такое новое состояние ядерной материи принято называть кварк-глюонной плазмой.
Экспериментальное и теоретическое исследование нового состояния вещества является одним из приоритетных направлений в физике высоких энергий. Программа по изучению столкновений тяжелых релятивистских ядер с целью поиска и изучения свойств кварк-глюонной плазмы началась в 1986 году на синхротронах AGS (Alternating Gradient Synchrotron) в Брукхэйвенской Национальной Лаборатории (БЫЛ, США) и SPS (Super Proton Synchrotron) в Европейском Центре Ядерных Исследований (ЦЕРН, Швейцария). Для того чтобы зафиксировать образование кварк-глюонной плазмы, необходимо одновременно измерить целую совокупность потенциальных признаков ее образования на основе регистрации адронов, лептонов и фотонов, образующихся в конечных стадиях реакций. К теоретически предсказанным признакам образования кварк-глюонной плазмы относятся: подавление выхода JA|/, \|/, Т - частиц, увеличение выхода сIранных частиц, охлаждение струй с большим поперечным импульсом, увеличение выхода фотонов с поперечным импульсом 2-3 ГэВ/с, изменение ширины и массы ф - мезонов и т.д. К сожалению, практически все первичные признаки полностью или частично “размываются” в конечных стадиях реакций и имеют обычные адронные дубликаты. В результате, несмотря на множество новых эффектов, обнаруженных на синхротронах AGS и SPS и свя-
5
занных с образованием плотной ядерной материи на начальных стадиях реакций, на сегодняшний день нет экспериментальных данных, однозначно свидетельствующих об образовании кварк-глюонной плазмы.
Прогресс в данной области может быть связан с повышением энергии взаимодействия тяжелых ионов, что достигается при использовании нового поколения ускорителей - коллайдеров. Первым в мире коллайдером подобного типа стал RIIIC (Relativistic Heavy Ion Collider), который начал свою работу летом 2000 года в БЫЛ. Коллайдер RHIC и его экспериментальные установки, расположенные в местах пересечения встречных пучков тяжелых ионов, предназначены для изучения новых явлений и процессов, возникающих в результате цветового деконфаймента и/или восстановления киральной симметрии, связанных с возможным образованием кварк-глюонной плазмы. Исследование взаимодействий встречных пучков тяжелых ядер требует новых подходов и технологий для создания экспериментальных установок, способных обеспечивать высокое импульсное и энергетическое разрешение и надежную идентификацию частиц в условиях высокой плотности частиц и частоты столкновений. Эксперименты на коллайдере RHIC используют различные подходы для поиска кварк-глюонной плазмы. Эксперимент ФЕНИКС, являющийся одним из двух больших экспериментов на коллайдере RHIC, предназначен, прежде всего, для измерения электромагнитных признаков образования кварк-глюонной плазмы в большом телесном угле, а также имеет возможность измерения характеристик адронов в сравнительно небольшом телесном угле.
Данная работа посвящена оптимизации параметров основного детектора центральной трековой системы эксперимента ФЕНИКС - многопроволочной фокусирующей дрейфовой камеры (ДК) и анализу физических результатов, полученных во время первого физического цикла работы коллайдера RHIC. Тема настоящей работы является актуальной, так как она связана с разработкой, оптимизацией и созданием самой современной техники в области эксперимен-
6
тапьной физики высоких энергий, а также с изучением характеристик Аи + Ли взаимодействий при энергии ^sNN =130 ГэВ.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка используемой литературы. В первой главе кратко описан состав и характеристики ускорительного комплекса RHIC, обсуждаются основные элементы физической программы эксперимента ФЕНИКС, сформулированы и систематизированы физические и конструктивные требования к ДК центральной трековой системы. Во второй главе приведены результаты исследования и оптимизации конструкции ДК центральной трековой системы эксперимента ФЕНИКС, изучения основных характеристик детектора на прототипах с помощью космических мюонов, протонного пучка Гатчинского синхроциклотрона с энергией 1 ГэВ, Р - источника и тестового с'/п пучка синхротрона AGS со средней энергией 200 МэВ. Показана возможность создания легких' фокусирующих дрейфовых камер больших размеров (6 м3, 12000 сигнальных проволок) с проволочной структурой jet2 типа и управляемой зоной сбора заряда, которые удовлетворяют требованиям высокого одно- и двухтрскового пространственного разрешения (о < 150 мкм и а <2 мм соответственно) и высокой эффективности (~ 99%) с использованием газовой смеси Аг-С2Н6 (50% - 50%). Третья глава посвящена разработке мониторинговой камеры (дополнительная дрейфовая камера малого размера, находящаяся в рабочих условиях основного детектора), предназначенной для измерения дрейфовой скорости электронов и пространственной калибровки ДК ФЕНИКС, а также для непрерывного контроля влияния параметров рабочей газовой смеси (температура, давление, состав) на дрейфовую скорость и газовое усиление в процессе эксперимента. 1 Іредложена конструкция и создана мониторинговая камера, обеспечивающая измерение дрейфовой скорости электронов в различных газовых смесях с точностью не хуже 0.5 %. Представ-
1 С малой радиационной длиной.
~ В данном случае имеется в виду проволочная структура цилиндрических многопроволочных дрейфовых камер с азимутальным дрейфом электронов (с небольшой длиной дрейфа).
7
лены результаты измерения с помощью мониторинговой камеры дрейфовой скорости электронов в различных аргон - этановых газовых смесях. Показано, что дрейфовая скорость электронов в данных смесях в области электрических полей 0.4 кВ/см < Е < 2 кВ/см может быть рассчитана с точностью не хуже
0.5.% в рамках простой теоретической модели, учитывающей только сечения взаимодействия электронов с атомами (молекулами) газов, образующих смесь, и зависимости энергетических потерь электронов в одном акте столкновения от их энергии. В четвертой главе приводится описание состава и задач экспериментальной установки ФЕНИКС во время первого физического цикла работы коллайдера RHIC и подробно рассмотрен алгоритм отбора событий взаимодействия встречных пучков ядер золота. Приведены результаты экспериментального определения параметров ДК на пучке в составе экспериментальной установки. Показано, что при взаимодействии ядер золота с энергией в системе центра масс равной yfs^ = 130 ГэВ:
1. Плотности заряженных частиц (dNch/dr| |п=0) и поперечной энергии (dEr/dr| п=0) по псевдобыстроте, а также пространственная плотность энергии в 1.7 раза больше при yfs^ = 130 ГэВ (RHIC), чем при yfs^ = 17.2 ГэВ (SPS).
2. Величина плотности заряженных частиц по псевдобыстроте, измеренная в эксперименте ФЕНИКС для 6 % наиболее центральных столкновений, находится в согласии с результатами коллаборации ФОБОС:
dNch/dri |п=0 = 609 ± 1 (стат.) ± 37 (сист.) - ФЕНИКС, 6 %.
dNCh/dr| |п=о = 555 ± 12 (стат.) ±35 (сист.) - ФОБОС, 6 %.
3. Постоянство отношения средней поперечной энергии (<Ет>) к среднему-числу заряженных частиц (<Nch>), равного <ET>/<Nch> 0.8 ГэВ/частицу практически во всем диапазоне изменения центральности столкновений, свидетельствует о том, что увеличение плотности энергии в ядро - ядерных взаимодействиях на коллайдере RHIC но сравнению с синхротроном SPS происходит в основном за счет увеличения числа рождающихся частиц, а не за счет увеличения энергии частиц.
8
4. Плотности заряженных частиц и поперечной энергии по псевдобыстроте монотонно возрастают с увеличением числа взаимодействующих нуклонов (Ыр). Аппроксимация измеренных зависимостей (с1ЫС|,/с1г| л=0) и (бЕт/<1т1 п=о) функцией бХ/бц сс м® дает значения параметра а равные а = 1.16 ± 0.04 и
сх ~ 1.13 ± 0.05 при X = Ысн и X = Ет соответственно. 11ри энергиях синхротрона 8Р8 (= 17.2 ГэВ) измеренные значения параметра а равнялись:
а = 1.05 ± 0.05 и а = 1.08 ± 0.06.
5. Возрастание плотности заряженных частиц с1ЫсЬ/с1г) | п=0 с увеличением числа взаимодействующих нуклонов противоречит предсказаниям модели ЕККТ и находится в качественном согласии с предсказаниями модели НШК'О, которая недооценивает выход частиц на ~ 15 %.
6. В области поперечных импульсов р1 > 2 ГэВ/с, в которой жесткое рассеяние партонов является основным процессом, определяющим рождение частиц, спектр поперечного импульса заряженных адронов, соответствующий периферийным столкновениям ядер золота, согласуется в пределах систематических ошибок с представлением А+А взаимодействий в виде суммы нуклон-нуклонных взаимодействий. В случае центральных столкновений, спектр поперечного импульса лежит значительно ниже предсказаний, основанных на Ыс - масштабирование результатов р + р и периферийных Аи + Аи взаимодействий. Данный эффект никогда ранее не наблюдался и противоречит результатам, полученным при изучении р + А и А + А взаимодействий при более низких энергиях, в которых наблюдалось увеличение выхода заряженных адронов с большим поперечным импульсом. Подавление выхода заряженных адронов в центральных столкновениях ядер золота находится в качественном согласии с предсказаниями существенных энергетических потерь партонов, распространяющихся в плотной среде, образующейся на начальных стадиях взаимодействия тяжелых релятивистских ядер.
В заключении дается краткий обзор основных результатов диссертационной работы.
9
ГЛАВА I. ЭКСПЕРИМЕНТ ФЕНИКС НА РЕЛЯТИВИСТСКОМ КОЛЛАЙДЕРЕ ТЯЖЕЛЫХ ИОНОВ. ТРЕБОВАНИЯ К ДРЕЙФОВОЙ КАМЕРЕ
I. Ускорительный комплекс коллайдера RHIC
Коллайдер RHIC [ 1) является первым в мире коллайдером, предназначенным для изучения явлений и процессов, возникающих в результате цветового деконфаймента и/или восстановления киральной симметрии, связанных с образованием кварк-глюонной плазмы при взаимодействии тяжелых релятивистских ядер. Эксперименты на коллайдере RHIC являются логическим продолжением программы по изучению взаимодействий тяжелых релятивистских ядер, начатой в 1986 году на синхротронах AGS и SPS. Схематическое изображение ускорительного комплекса коллайдера RHIC представлено на рис. 1.1. Инжектором тяжелых ионов является Тандем Ван де Граффа, построенный в 1970 году и модернизированный в 1999 году. Линия транспортировки пучков HITL (Heavy Ion Transfer Line) длиной около километра была построена в 1986 году и предназначена для доставки пучков тяжелых ионов от Тандема к синхротрону AGS. Бустер был добавлен в 1991 году для увеличения энергии и интенсивности пучков. Протонный линейный ускоритель (LINAC) служит инжектором протонов для синхротрона AGS. Знаменитый синхротрон AGS на 30 ГэВ был построен в 1960 году и служит для инжекции пучков в коллайдер RHIC. Транспортная линия ATR (AGS-to-RHIC Transfer Line) является финальной линией, связывающей ранее существовавшие ускорители БНЛ с коллайдером RH1C, и служит для инжекции частиц в кольца коллайдера.
Коллайдер RHIC состоит из двух концентрических колец длиной 3.84 км, состоящих из 1740 ниобево - титановых сверхпроводящих магнитов, охлаждаемых жидким гелием до температуры ~ 4.2° К. Коллайдер RHIC может накапливать, ускорять и сталкивать пучки любых ядер в любой комбинации, начиная с протонов и кончая ядрами золота. Характеристики различных ионных пучков
10
показаны на рис. 1.2. Максимальные энергии сталкиваемых пучков протонов и ядер золота равны 250 ГэВ и 100 ГэВ-А при светимости 2-Ю'2 cm'V1 и 210cm'V1 соответственно. Помимо этого, на коллайдере R1IIC принята программа исследования столкновений пучков поляризованных протонов с энергией 250 ГэВ при светимости 2-Ю'2 cm'V1. Время заполнения колец коллайдера и время ускорения частиц составляет всего несколько минут. Ускоренные пучки ионов могут циркулировать в кольцах коллайдера до 10 часов. В четырех из шести областей пересечения пучков ионов установлены две большие экспериментальные установки (ФЕНИКС [2], СТАР [3]) и две малые {ФОБОС [4], БРАМС [5]).
2. Экспериментальная установка ФЕНИКС
Внешний вид экспериментальной установки ФЕНИКС показан на рис. 1.3 [2,6]. Установка состою из трех магнитов, четырех спектрометров, подсистемы внутренних детекторов и двух калориметров малых углов (ZDC), расположенных в туннеле коллайдера на расстоянии ± 18.25 метров от номинальной точки пересечения пучков.
Два центральных спектрометра предназначены для восстановления треков заряженных частиц, измерения их импульсов, измерения энергии фотонов и электронов и идентификации частиц. В состав каждого спектрометра, охватывающего 90° по азимутальному углу и 0.7 единиц по псевдобыстроте (IПI <0.35), входят:
1. Многопроволочная фокусирующая дрейфовая камера (DC), находящаяся в рассеянном магнитном поле (-0.6 кГ) и предназначенная для измерения с высоким разрешением поперечных импульсов заряженных частиц.
2. Три падовые камеры (PC 1, РС2, РСЗ), предназначенные для измерения координат точек пересечения треков заряженных частиц с ними.
11
3. Время - проекционная камера (ТЕС), предназначенная для восстановления треков заряженных частиц в области между черенковским детектором (RICH) и электромагнитным калориметром (ЕМС). ТЕС позволяет идентифицировать треки, берущие начало за пределами активного объема центрального спектрометра, и идентифицировать е/я в области поперечных импульсов от 250 МэВ/с до 2.5 ГэВ/с путем измерения их ионизационных потерь.
4. Черепковский детектор (RICH) и времяпролетный детектор ( ГОЕ), предназначенные для идентификации лептонов и заряженных адронов.
5. Электромагнитный калориметр (ЕМС), предназначенный для измерения энергии и идентификации электронов и фотонов.
Активный объем ДК имеет внутренний и внешний радиусы равные г = 2.02 м и г = 2.46 м соответственно при длине вдоль оси пучка равной 1.8 м (соответствует охвату по псевдобыстроте г\ = ± 0.35) [7]. ДК расположены настолько близко к области взаимодействия встречных пучков, насколько это позволяет плотность рождающихся частиц. Такое расположение позволяет с наибольшей точностью измерять углы изгиба траекторий заряженных частиц в аксиальном магнитном поле центрального магнита.
Конструкция, материал и размеры поддерживающей структуры ДК (фермы) были оптимизированы с целыо уменьшения фона, возникающего в результате электромагнитных и адронных ливней (см. рис. 1.4) [7]. В центре титановой фермы расположен дополнительный поддерживающий стержень для уменьшения ее прогиба под действием суммарного натяжения - 20000 проволок. Газовый объем камеры сверху и снизу ограничен тонкими металлизированными майларовыми окнами толщиной ~ 100 мкм. Это позволяет минимизировать количество конструкционных материалов в аксептапсе центральных спектрометров. Металлизация окон уменьшает диффузию примесей в газовый объем детектора, а их заземление позволяет экранировать активный объем камеры от электромагнитных наводок.
- Київ+380960830922