2
Содержание
Введение 4
1 Эффекты, определяющие энергетическое разрешение калориметра 12
§1.1 Утечки энергии .............................................. 12
§1.2 ЭатрНвд-флуктуации........................................... 16
§1.3 Вещество перед калориметром.................................. 19
§1.4 Шумы электроники, радиоактивность и геометрический эффект ... 21
§1.4.1 Формирование сигнала................................... 22
§1.4.2 Шумы электроники....................................... 28
§1.4.3 Радиоактивность ....................................... 30
§1.4.4 Геометрический эффект.................................. 33
§1.4.5 Оптимизация времени формирования фильтра............... 35
§1.5 Величина зазора ионизационной камеры......................... 45
§1.6 Другие эффекты............................................... 48
§1.7 Выводы....................................................... 48
2 Жидкокриптоновый калориметр детектора КЕДР 50
§2.1 Конструкция калориметра...................................... 51
§2.2 Электроника калориметра...................................... 54
§2.3 Ожидаемое энергетическое разрешение калориметра.............. 56
3 Эксперименты с прототипом жидкокриптонового калориметра
65
з
§3.1 Конструкция прототипа калориметра................................... 66
§3.2 Электроника......................................................... 68
§3.2.1 Калибровка электроники....................................... 69
§3.3 Шумы................................................................ 73
§3.4 Ожидаемое энергетическое разрешение................................. 81
§3.5 Установка РОКК-1М................................................... 83
§3.6 Измерение энергетического разрешения................................ 85
§3.7 Стабильность отклика.................../............................ 91
§3.8 Выводы.............................................................. 94
4 Возможности улучшения энергетического разрешения 96
§4.1 Метод многократных измерений сигнала................................ 97
§4.1.1 Автокорреляционные функции шума и радиоактивности .... 99
§4.1.2 Результаты расчетов..........................................100
Заключение 105
Биб л иография
108
4
Введение
Развитие экспериментальной физики частиц идет но двум основным направлениям: первое связано с продвижением в область все больших изучаемых энергий, второе основывается на высокоточных экспериментах в уже пройденных энергетических областях. Наиболее яркие успехи физики частиц связаны с достижениями на первом направлении. В качестве примеров можно привести открытие W и Z бозонов в CERN [1] и недавнее открытие t-кварка в Fermilab [2]. В настоящее время физика сверхвысоких энергий вплотную подошла к возможности обнаружения ключевой для Стандартной Модели частицы — Хигсовского бозона. Возможно с началом работы ускорителей нового поколения также появятся экспериментальные данные о новых явлениях, выходящих за рамки Стандартной Модели, которые определят дальнейшее развитие физики частиц.
Однако, не следует думать, что эксперименты на относительно низких энергиях играют второстепенную роль, ограничиваются лишь уточнением пройденного. Ряд результатов, полученных на этом направлении, сыграл большую роль в придании физике частиц ее современного облика. Первым из таких результатов можно считать измерение аномального магнитного момента электрона (g-2), показавшее, что квантовые поправки дают конечный вклад в наблюдаемые физические величины. После создания метода перенормировок величина аномального магнитного момента послужила его первым количественным тестом.
Следующим можно отметить наблюдение несохранения четности в слабых распадах ядер (опыт Ву). Этот эксперимент стал первым бесспорным доказательством
5
существования этого явления [5]. Хотя, первые указания на несохранение четности были получены в опытах с К-мезонами, т.е. при высоких для того времени энергиях.
Измерение величины К0 — ЛГ°-смешивания дало первые свидетельства существования с-кварка и наличия GIM механизма в смешивании кварков [3]. По-видимому, измерение вкладов новых частиц в петлевые диаграммы и в будущем останется важным источником информации об их свойствах, дополнительным к прямому рождению этих частиц в экспериментах на высоких энергиях.
Наблюдение CP-нарушения в смешивании нейтральных К-мезонов [4] было первым доказательством существования этого явления и, вместе с наблюдением нарушения пространственной и зарядовой четностей, радикально изменило представление о возможном и невозможном в физике частиц.
Таким образом, уже из этих далеко не исчерпывающих примеров видно, что высокоточные эксперименты являются поставщиками фундаментальной информации о частицах.
Сегодня дальнейший прогресс в направлении высокоточных экспериментов требует создания нового поколения специализированных ускорителей, т.н. фабрик частиц. Основная физическая цель фабрик частиц — это подробное изучение структуры Стандартной Модели. Для достижения этой цели фабрике необходимо ”производить” большое количество частиц определенного сорта с малой примесью фоновых процессов. По-видимому, с+е~ накопители с высокой светимостью являются здесь наилучшим решением.
Физические задачи для фабрик частиц требуют достижения предельных характеристик не только для ускорителя, но и, в неменьшей степени, для детектора.
Прогресс в детекторостроении шел по пути перехода от весьма специализированных ко все более универсальным детекторам. Примерами специализированных детекторов могут служить Crystal Ball [б] и CLEO [7]. Первый из них имел рекордное разрешение по энергии фотонов opjE = 2.5%/v^Ë, но не имел никакого магнитного анализа. Второй обладал хорошим импульсным разрешением, но весьма посредственшлм энергетическим разрешением для фотонов <те/Е = 17%/у/Ё, при-
6
чем калориметр был расположен за катушкой, что сильно ухудшало эффективность регистрации мягких фотонов. Видимо, первым истинно универсальным детектором был CLEO-II [8], который соединил в себе достоинства CLEO и Crystal Ball. Сегодняшние детекторы становятся еще более универсальными, и все большее внимание в них, помимо импульсного и энергетического разрешений, уделяется идентификации частиц (CLEO-Ш, ВаВаг, Belle, КЕДР).
Остановимся на области энергии ст и В фабрик и кратко рассмотрим основные характеристики событий.
• Средняя множественность заряженных частиц примерно равна множественности фотонов и достигает 12 в bb событиях.
• Максимальный импульс заряженных частиц достигает 5 ГэВ/с, но средний импульс меньше 800 МэВ/с.
• Максимальная энергия фотонов достигает 5 ГэВ, но средняя энергия меньше 400 МэВ.
• При переходах между различными состояниями кваркониев рождаются пары мезонов с характерными импульсами от десятков до сотен МэВ.
• При переходах между различными состояниями кваркониев рождаются моно-хроматичные фотоны с энергиями от десятков до сотен МэВ.
• Одиночные, или прямые фотоны, рождаются на фоне большого количества фотонов от распадов ttq.
• События, регистрируемые детектором, содержат практически все долгоживущие частицы (7, е, /г, х, К±} К°, p. ri) в интервале импульсов от 0 до 5 ГэВ/с.
• Самые интересные из короткоживущих частиц, рождающиеся при этих энергиях (D и В мезоны, т лептон), имеют пробеги до распада от 20 до 300 мкм.
7
Исходя из этого, можно заключить, что детектор для экспериментов в этой области энергий должен иметь как трековую систему, так и электромагнитный калориметр с наилучшими возможными параметрами.
Для калориметра детектора можно выдвинуть следующие требования: высокая эффективность регистрации фотонов во всей энергетической области, как можно лучшие энергетическое разрешение и разрешение по углу вылета фотона, хорошая сегментация калориметра для эффективной работы в згсловиях высокой множественности конечных частиц.
В современных детекторах одними из широко распространенных методов калориметрии являются:
• Использование счетчиков полного поглощения па основе тяжелых сцинтилли-рующих кристаллов (№1, Св1, ВСО и некоторых других).
• Применение ионизационных камер с поглотителями.
Для первого метода характерно высокое энергетическое разрешение при умеренном координатном, так как координаты измеряются по центру тяжести ливня, флуктуации которого ограничивают пространственную точность. Второму методу присуще высокое координатное разрешение и умеренное энергетическое (в диапазоне энергии порядка 1 ГэВ), так как флуктуирует доля энергии ливня, поглощаемая активным веществом.
Заманчивой целью является создание калориметра, который совместил бы достоинства этих двух методик. Квазигомогенный ионизационный калориметр с тонкими электродами на основе сжиженных благородных газов, видимо, может решить эту задачу. Для этого он должен иметь достаточную толщину, чтобы получить энергетическое разрешение, такое же, как в случае тяжелых кристаллов. Координатное разрешение для фотонов при этом может быть существенно лучше, так как имеется возможность измерения положения точки конверсии фотона.
В таблице 0.1 приводятся основные физические параметры для жидких аргона (ЬАг), криптона (ЬКг) и ксенона (ЬХе).
8
Таблица 0.1: Физические свойства сжиженных благородных газов.
1Аг 1Кт ЬХе
Атомное число (2) 18 36 54
Атомная масса (А) 40 84 131
Температура кипения, К 87.1 119.6 164.9
Температура плавления, К 83.С 115.8 161.2
Плотность, г/см3 1.40 2.43 3.06
Радиационная длина, см 13.5 4.60 2.77
Радиус Мольера, см 10.0 6.66 5.71
Ядерная длина, см 84 60 55
сіЕ/сіх, МэВ/см 2.31 3.45 3.89
\У,эВ/иару 24.4 18.5 15.6
Как видно из этой таблицы, наилучшим кандидатом для такого калориметра был бы жидкий ксенон, но высокая цена ксенона и недостаточная мощность его производства делают возможность его применения в детекторах крайне ограниченной.
Следующим возможным кандидатом является криптон. Долгое время считалось, что использование криптона бесперспективно из-за наличия в нем радиоактивного изотопа [9-11], что не позволяет получить хорошее энергетическое разрешение. Однако, работы, проведенные в ИЯФ СО РАН [12,15-17], показали принципиальную возможность достижения высокого энергетического разрешения в ионизационном калориметре на жидком криптоне. На основе результатов этих работ спроектирован ЬКг калориметр детектора КЕДР [12,13].
Цель работы состояла в создании и изучении электромагнитного ионизационного калориметра на основе жидкого криптона.
В первой главе обсуждаются основные эффекты, определяющие энергетическое разрешение электромагнитного калориметра на основе жидкого криптона. Осо-
9
бое внимание уделено разрешению при низкой измеряемой энергии. Описаны методы расчета эффектов, существенных в этой области.
С помощью разработанных аналитических методов расчета вклада в разрешение радиоактивности, шумов электроники и геометрического эффекта изучен вклад этих эффектов в энергетическое разрешение калориметра. Показано, что наличие определенного уровня электроотрицательных примесей в жидком криптоне, приводящее к уменьшению времени жизни электронов ионизации, улучшает энергетическое разрешение калориметра.
В конце главы, суммируя полученные результаты для вкладов различных эффектов, заключается, что энергетическое разрешение электромагнитного калориметра на основе жидкого криптона может быть около 5% на энергии 100 МэВ и 1.7% на
Во второй главе рассматривается проект жидкокриптонового калориметра детектора КЕДР и приводятся результаты расчета энергетического разрешения калориметра.
Детектор КЕДР создается в Институте ядерной физики им. Г.И.Будкера СО РАН для экспериментов на е+е' накопителе ВЭПП-4М с максимальной энергией пучков 6 ГэВ. В детекторе принято комбинированное решение для калориметра: цилиндрическая часть — ионизационные камеры на основе жидкого криптона, торцевая — кристаллы СзІ.
Для изучения энергетического разрешения жидкокриптонового калориметра детектора КЕДР было проведено моделирование. В моделирование, помимо калориметра, были включены все внутренние системы детектора КЕДР (как пассивное вещество). Результаты моделирования для разрешения хорошо описываются функцией:
где а=2.1 и Ь=1.8.
Третья глава посвящена экспериментальному исследованию свойств жидко-
1 ГэВ.
- Київ+380960830922