2
Содержание
Введение 3
1 Детектор КМ Д-2 9
1.1 Дрейфовая камера..................................................... 9
1.2 2-камера ......................................................... 12
1.3 Цилиндрический калориметр........................................... 13
1.4 Торцевой калориметр................................................ 14
1.5 Пробельная система.................................................. 14
1.6 Система запуска детектора.......................................... 16
1.7 Система автоматизации.............................................. 18
1.8 Система анализа данных............................................. 22
1.9 Программа моделирования детектора................................... 22
2 Система автоматизации детектора КМД-2 24
2.1 Общее описание...................................................... 24
2.2 История развития системы автоматизации.............................. 26
2.3 Программное обеспечение системы автоматизации....................... 37
2.4 Система контроля и управления....................................... 45
2.5 База данных мониторинга детектора................................... 54
2.6 Система сбора данных .............................................. 60
2.7 Анализ событий в режиме реального времени (третичный триггер) ... 70
3 Измерение сечения е+е-—»7Г^7Г- 85
3.1 Набор экспериментальных данных ..................................... 85
3.2 Общее описание методики измерения................................... 86
3.3 Отбор коллинеарных событий.......................................... 87
3.4 Разделение коллинеарных событий..................................... 89
3.5 Определение сечения е+е~ я-+тг_.................................... 107
3.6 Определение параметров р-мезона и р — и? интерференции............. 128
3
Заключение
Благодарности
Литература
4
Введение
С 1992 гола в Институте Ядерной Физики им. Г.И.Будкера проводятся эксперименты с Криогенным Магнитным Детектором (КМД-2) на накопителе со встречными электрон-позитронными пучками ВЭПП-2М в области энергий от 360 до 1400 МэВ в системе центра масс.
Эта область энергий изучается с момента появления самой 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 проводились исследования на детекторах MN3 и DM1 на накопителе АСО и на детекторах ОЛЯ, КМД и НД на накопителе ВЭГШ-2М, пришедшем на смену накопителю ВЭГШ-2. Обилие интересных физических задач в данной области энергий привел к модернизации накопителя ВЭПП-2М и созданию детекторов нового поколения КМД-2 и Сферического Нейтральною Детектора (СНД), работающих па накопителе в настоящее время.
Ускорительно-накопительный комплекс ВЭПП-2М, схема которого приведена на рис. 1, состоит из инжектора ИЛУ, синхротрона БЗМ, бустера БЭП и накопителя ВЭГ1П-2М [I]. Накопитель ВЭПП-2М представляет собой жесткофокусируюшее кольцо с четырьмя прямолинейными промежутками. В одном из промежутков находится ускоряющий резонатор, в противоположном — сверхпроводящий вигглер-магнит (“змейка”), служащий для получения большей светимости за счёт увеличения радиального фазового объёма пучка. В двух других промежутках установлены детекторы КМД-2 [2,3] и СНД [4]. Основные параметры накопителя и зависимость светимости от энергии пучков приведены на рис. 2.
Детектор КМД-2 является универсальным детектором с телесным углом регистрации частиц близким к 47г. Он представляет собой магнитный спектрометр, окруженный электромагнитным калориметром на основе кристаллов Csl (цилиндрическая часть) и кристаллов BGO (торцевая часть), и пробежной системой. Магнитное поле величиной 10 кГс создается тонким сверхпроводящим соленоидом. Конструкция детектора позволяет измерять импульсы, энергии и углы с хорошей точностью как для заряженных частиц, так и для фотонов. Описанию детектора и его систем посвящена Глава 1.
Важной частью детектора КМД-2 является система автоматизации, в функции ко-
5
3 MeV LINAC
CMD-2
ВЕР
e\e*
BOOSTER
900 MeV
180 - 700 MeV
CONVERTOR
B-3M
200 MeV
SYNCHROBETATRON
Рис. 1: Ускорительно-накопительный комплекс ВЭПП-2М.
Энергия пучков, МэВ 180-700
Количество сгустков в пучке I
Периметр орбиты, м 17.88
Размеры пучка в месте встречи
вертикальный, мкм 10
радиальный, мкм 400
длина сгустка, см 2
Ток в пучке, мА 50
Максимальное поле в поворотных магнитах, Тл 1.8
Радиус кривизны орбиты в поворотных магнитах, м 1.22
(а) Основные параметры накопителя.
% !: ?
< Oct 1997 with v - Jun 199 ■9.9er о; *?.■ в * © о 8V: с о • ° C-V * y-у/ «S • •
■ — у тт
пл uiii Dalo/"
о».I* :
jo.*
...
- с. *■ : : О - evero - maxin ge luminosity lum îumjnosity
Ô ’"Т
. . . ... .... ■ ■ ■ ....
200 300 4С0 500 6СО 7С0
Beam Energy. MeV
(6) Светимость накопителя.
Рис. 2: Основные параметры и светимость накопителя ВЭПП-2М.
б
торой входит оцифровка и запись данных на магнитную ленту, управление работой детектора, осуществление контроля систем детектора и получаемых данных. За время эксплуатации системы автоматизации с 1992 года произошел бурный прогресс в области информационных технологий, изменились как вычислительная техника, так и подходы к разработке программного обеспечения. Это привело к тому, что система постоянно модернизировалась и развивалась, все время подстраиваясь под растущие нужды эксперимента. Описанию системы автоматизации, этапов ее развития и ключевых элементов системы посвящена Глава 2.
Физическая программа детектора включает в себя изучение свойств легких векторных мезонов р, w и р, а также прецизионное измерение сечений аннигиляции пары е+е- в различные адронные состояния [5]. Измерение полного сечения аннигиляции пары е.+е~ в адроны (или так называемого отношения R = а(е+е~ -» адроны)/сг(е+е~ -> ц+ц~)) в области низких энергий необходимо для точного вычисления ряда физических величин, таких как
• вклады поляризации вакуума адронами в аномальный магнитный момент мюона (д - 2)и [б] и в значение бегущей константы связи электромагнитного взаимодействия при энергии Z-бозона ос(М^) (7);
• параметры КХД, получаемые с помощью правил сумм [8];
• проверка гипотезы сохраняющегося векторного тока через сравнение сечений е+е~ —> адроны со структурными функциями соответствующих адронных распадов т-лептона (9-11).
Измерение сечений аннигиляции е+е~ в адроны в области низких энергий особенно актуально в связи с проведением в Брукхейвенской Национальной Лаборатории (США) эксперимента по измерению аномального магнитного момента мюона. Набор экспериментальных данных в эксперименте начался в 1997 году, и первые результаты уже опубликованы [12]. Ожидаемая точность эксперимента равна 0.35 ppm, что обеспечит чувствительность к вкладу взаимодействий вне рамок Стандартной Модели не хуже той, что может быть достигнута на строящемся в ДЕРН коллайдере LHC. Для этого точность теоретического вычисления (д — 2)м в рамках Стандартной Модели, которая определяется точностью определения вклада поляризации вакуума адронами не должна уступать точности эксперимента.
В однопетлевом приближении, вклад поляризации вакуума адронами aj*°d вычисляется через дисперсионный интеграл [13]
(1)
7
где явная форма электродинамического ядра К (s) приведена, например, в [7]. Отношение R(s) = сг(е+е~ —» адроны)/<т(е+е~ -> р+ц~) может быть вычислено теоретически в области высоких энергий (более 5 ГэВ в с.ц.м.), однако в области низких энергий интеграл (1) вычисляется численно по экспериментальным данным R(s). Оказывается, что около 90% всей величины al™d определяется областью энергий ВЭПП-2М, и около 70% всей величины — вкладом процесса е+е_ —» д+тг'. При этом точность вычисления интеграла в значительной степени определяется систематической точностью измерения сечения е+е" -> 7г ' тг-. Существующая систематическая опшбка в величине сечения е+е- —> тг^тг на уровне нескольких процентов приводит к точности определения вклада поляризации вакуума адронами в аномальный магнитный момент мюона, составляющей 0.7- 1.5 ppm, в зависимости от применяемого способа вычисления [7,14]. Эта ошибка в 2-3 раза хуже, чем ожидаемая экспериментальная точность измерения (д — 2)^. Для улучшения точности теоретического расчета (д - 2)я необходимо в несколько раз улучшить систематическую точность измерения сечения е+е~ —> л-*п~ в области малых энергий.
Используя лоренцовую инвариантность и закон сохранения электромагнитного тока, матричный элемент взаимодействия пиона с электромагнитным током (рис. 3) можно записать в следующем виде [15]:
< 7г|7^|7Г >= (ki + hi)ft • F*(s),
где F, (5) — электромагнитный формфактор заряженного пиона, который несет в себе всю нетривиальную информацию о физике взаимодействия пионов с фотоном. Во времениподобной
Рис. 3: Диаграмма Фейнмана для
области 5 > 4ml пионный формфактор прямо
взаимодействия пиона с электромаг-
связан с сечением процесса е+е~ -> 7г+тс~:
нитным током.
» = ^/SlftWI2- (2)
История измерения пионного формфактора во времениподобной области насчитывает более 30 лет. В первых экспериментах на накопителях АСО [16] (Орсэ, Франция) и ВЭПП-2 [17] (Новосибирск) в конце 60-х годов была наблюдена резонансная структура формфактора, измерены параметры р-мезона и подтверждена правильность модели векторной доминантности [18]. В последующие годы измерения продолжались на накопителях АСО, ВЭПИ-2М, ADONE. Наиболее точные экспериментальные данные были получены в конпе 70-х - начале 80-х годов детекторами КМД и ОЛЯ [19).
8
Детектором КМД сечение е+е~ —► 7г+тг~ было измерено в 24 точках по энергии в диапазоне 0.36-0.82 ГэВ в с.ц.м. с систематической ошибкой около 2%. Детектором ОЛЯ был просканирован диапазон энергий 0.64-1.40 ГэВ в с.ц.м. с малым шагом, при этом систематическая ошибка измеренного сечения е'{ е —» 7т+/к~ составляла около 4% в области р-мезона и около 15% в области энергий около 1.4 ГэВ. Суммарная статистика двух экспериментов составляла около 150000 событий.
Другим источником информации о пионном формфакторе являются структурные функции распадов т —> я~тс°1/т. В рамках гипотез сохраняющегося векторного тока ’9] и изоспиновой инвариантности, изовекторная компонента сечения аннигиляции е+е" —> 7г+7г~ связана со структурной функцией
г-1 4тга2 ...
(3)
47
Следует- отметить, что в таком подходе можно получить только изовекторную компоненту сечения е+е_ —> тг' 7г—, в то время как в е+е_ аннигиляции наблюдается и изос-калярная компонента. Первые результаты по измерению структурных функций ?;1;Я-ло были получены в середине 90-х годов на детекторе АЬЕРН [20г Статистика эксперимента составляла около 100000 событий, однако систематическая ошибка также составляла несколько процентов.
Детектор КМД-2 является первым универсальным магнитным детектором в области НИЗКИХ энергий, оптимизированным ДЛЯ измерения сечения е+е“ —> 7Г+7Г~ с малой систематической ошибкой:
• одновременное измерение импульсов и энерговыделений частиц упрощает процедуру выделения событий е+е" —» 7Г + 7Г-;
• прецизионное измерение г-координаты в 7-камере позволяет определить телесный угол регистрации с высокой точностью;
• наличие тонкой вакуумной камеры приводит к уменьшению трудно расчитываемых поправок, связанных с ядерным взаимодействием пионов.
На детекторе набрана рекордная статистика — 2 миллиона событий е+е~ —»7Г+7Г“.
Глава 3 посвящена измерению сечения е+е“ -» 7г+тг" в области энергий 0.61-0.96 ГэВ в системе центра масс (с.ц.м.), основанному на части всей набранной статистики. Описаны общие характеристики эксперимента, анализ экспериментальных данных и приведены оценки систематической ошибки. Обсуждены теоретические модели, используемые для описания экспериментальных данных и получены новые значения параметров р-мезона с точностью лучше среднемировой.
Основные результаты работы перечислены в Заключении.
9
Глава 1
Детектор КМД-2
КМД-2 (Криогенный Магнитный Детектор) [2,3] — это универсальный детектор, позволяющий регистрировать и измерять с высокой точностью параметры заряженных частиц и фотонов. Схема детектора представлена на рис. 4. Координаты, углы вылета и импульсы заряженных частиц измеряются координатной системой детектора, состоящей из дрейфовой и 2-камер, расположенных в магнитном поле, создаваемом основным соленоидом. Цилиндрический и торцевой электромагнитные калориметры, изготовленные из сцинтилляционных кристаллов Се! и ВвО, обеспечивают измерение энергии и угла 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 многократного рассеяния её центральная часть длиной 20 см изготовлена из бериллия толщиной 0.8 мм.
Магнитная система детектора [21,22] состоит из основного и двух компенсирующих сверхпроводящих магнитов. Основной магнит, толщиной 0.38 радиационной длины, создаёт магнитное поле 10 кГс вдоль оси пучков.
1.1 Дрейфовая камера
Регистрация заряженных частиц осуществляется дрейфовой камерой [23-26] длиной 44 см и диаметром 60 см, расположенной соосно с вакуумной камерой. Схема дрейфовой камеры показана на рис. 5.
Камера состоит из трех слоев, разбитых на ячейки струйного типа. В первом, внутреннем, слое содержится 16 ячеек по 6 сигнальных проволочек в каждой. Второй слой имеет 32 ячейки по 7 проволочек, третий — 32 ячейки по 6 сигнальных проволочек. Таким образом, в обшей сложности дрейфовая камера имеет 512 сигнальных проволочек. Сигнальные проволочки диаметром 18 мкм изготовлены из золоченого вольфрама. Полевые проволочки диаметром от 150 до 300 мкм выполнены из титана, покрытого
10
Рис. 4: Детектор КМД-2. 1 — вакуумная камера, 2 — дрейфовая камера, 3 — Z-камера, 4
— основной сверхпроводящий соленоид, 5 — компенсирующие соленоиды, 6 — торцевой (I3GO) калориметр, 7 — цилиндрический (Csl) калориметр, 8 — пробежная система, 9
— ярмо магнита, 10 — квадрупольные линзы.
медью. Расположение проволочек показано на рис. 6.
Сигнальные проволочки в ячейке расположены вдоль оси пучка в окрестности радиальной плоскости со смещением на 300 мкм в левую и правую стороны через одну для устранения неопределенности в измерении координаты трека по времени дрейфа (с какой стороны от проволочки прошла частица). Первые две проволочки в ячейках первого слоя не смещены. Полевые проволочки расположены на границах ячеек. На них подается напряжение, рассчитанное таким образом, чтобы электрическое поле в ячейке было как можно ближе к однородному. Вектор напряжённости электрического поля перпендикулярен плоскости сигнальных проволочек. В постоянном продольном магнитном поле, в котором находится камера, электроны ионизации дрейфуют под углом Лоренца к направлению электрического поля. Для условий дрейфовой камеры детектора КМД-2 угол Лоренца имеет величину, а/у ~ 30°. Между соседними сигнальными проволочками расположены потенциальные проволочки, которые служат для регулировки коэффициента газового усиления. Дрейфовая камера заполнена газовой смесью 80% аргона и 20% изобутана.
Рис. 5: Схема дрейфовой камеры детектора КМЛ-2. 1 - герметизирующая трубка, 2 проволочки, 3 - фланец, 4 - обечайка, 5 - кольца для поддержки кабелей.
Рис. 6: Расположение проволочек в ячейках дрейфовой камеры. Крестиками показано расположение сигнальных проволочек, кружками — полевых и потенциальных проволочек. Снаружи от сектора дрейфовой камеры показаны сектора X-камеры.
12
к
Сигнал с каждой проволочки снимается с обоих её концов и после усиления поступает на плату Т2А [27], позволяющую измерять время прихода и амплитуды сигналов.
Координаты трека пролетевшей частицы в плоскости проволочек (х, у) определяются по номеру сработавшей проволочки и времени дрейфа. Координата 7 (вдоль проволочки или, соответственно, вдоль направления пучков) определяется методом деления заряда. Кроме того, измерение амплитуды сигнала используется для идентификации частиц по величине ионизационных потерь (1Е/<1х. Координатное разрешение дрейфовой камеры в плоскости Н - <р составляет 250 мкм, а вдоль проволочки — 4 мм [25]. Импульсное разрешение составляет 2.5%
при импульсе 200 МэВ/с и 3.5% при импульсе Рис. 7: Импульсное разрешение 500 МэВ/с (рис 7).
дрейфовой камеры.
*4-5
>
4
3.6
3
2.4
г
1.5
1
0.5
С
_ . I
: . ^
1 ! -<>- - ■0 1 \
; .4-0-1
- - ‘ ' 1 !
. : ' “■ ’■ г _4
. т : ! 1 1 1. . —3 !
И . ...
! _
10С
2СО
300
•«СО
503 600
Р. МеУ
1.2 Z-кaмepa
с
ЗыМ
12*0
т
т
4(11
За дрейфовой камерой располагается двухслойная цилиндрическая пропорциональная 2-камера [28] со съёмом информации с катодов и с анодов.
2-камера является координатным детектором, измеряющим г-координату пересечения трека с камерой, а также используется для формирования сигнала первичного заряженного триггера. С ее помощью осуществляется временная привязка события к моменту столкновения пучков. Период оборота пучков в ВЭПП-2М составляет 60 не, что определяет требования на вре-Рис. 8: Зависимость координатного менной разброс сигналов с 2-камеры. Для реиго-разрешения 2-камеры от полярного ния этой задачи в 2-камере используется быст-угла трека. рая газовая смесь 80%СГ4 4- 20%гС4Н1О и малень-
кое расстояние между анодными проволочками. Для увеличения эффективности регистрации камера выполнена в виде двух независимых слоев. Каждый слой имеет 256 ка-
0.7 ИЛ ОЛ I
М 1.2 и 1.« I.» 10
О, пм!