Калибровка переднего калориметра детектора CMS

Содержание
Введение 4
1. Физика на детекторе СМБ 7
1.1. Стандартная модель........................................... 7
1.2. Поиски Хиггсовского бозона .................................. 8
1.3. Поиск суперсиммстричных частиц.............................. 11
1.4. Поиск новых массивных векторных бозонов..................... 12
1.5. Дополнительные измерения.................................... 12
2. Описание детектора СМБ 13
2.1. Технические требования к детектору СМЭ ..................... 13
2.2. Магнит и Мюонная Система.................................... 14
2.3. Трекер...................................................... 16
2.4. Электромагнитный Калориметр................................. 17
2.4.1. Центральный и торцевые калориметры................... 17
2.4.2. Прешауер............................................. 20
2.5. Адронный Калориметр ........................................ 21
2.5.1. Центральный адронный калориметр...................... 21
2.5.2. Внешний адронный калориметр ......................... 23
2.5.3. Торцевой адронный калориметр......................... 23
2.5.4. Передние калориметры ................................ 24
2.6. Триггер и система накопления данных......................... 28
2.6.1. Триггер первого уровня............................... 29
2.6.2. Триггера высокого уровня............................. 29
1
3. Оптимизация сегментации торцевого адронного калориметра для учета радиационных повреждений 30
3.1. Описание торцевого адронного калориметра.................... 30
3.2. Постановка задачи........................................... 34
3.3. Моделирование............................................... 36
3.3.1. Дозы................................................. 36
3.3.2. Потери ециитилляционной эффективности при облучении ........................................................ 41
3.3.3. Моделирование отклика калориметра к 7г-мезонам, определение хитов СМБІМ......................................... 42
3.3.4. Варианты конструкции НЕ ............................ 43
3.4. Восстановление Е и Ет....................................... 44
3.4.1. Метод вычисления Е и Ет ............................. 44
3.4.2. Перекалибровка сигналов с ячеек после облучения ... 45
3.5. Оценка энергетического разрешения калориметра для тт-мезонов после 10 лег работы БАК.......................................... 54
3.6. Обобщение результатов главы................................. 54
4. Калибровка переднего калориметра детектора СМБ на радиоактивном источнике ()0Со 59
4.1. Описание НБ................................................. 59
4.2. Сравнение НБ с другими существующими адронными калориметрами ....................................................... 64
4.3. Калибровка НБ на пучке ..................................... 68
4.4. Описание процедуры набора данных с радиоактивного источника ............................................................ 71
2
4.5. Калибровка на данных с радиоактивного источника............. 74
4.5.1. Метод “Среднего Заряда”.............................. 74
4.5.2. Метод “Фиксированного Диапазона”..................... 79
4.5.3. Метод “Экстраполяции Сигнала Под Пьедестал” ... 82
4.6. Точность Калибровки......................................... 89
4.7. Точность Калибровки для напряжения 1150 В................... 90
4.8. Перенесение калибровки на НГ................................ 91
4.9. Обобщение результатов главы................................. 92
Заключение 93
3
Введение
Детектор CMS (Compact Muon Solenoid) |1| установлен на Большом Адронном Коллайдере (БАК) [2] в CERN. БАК является протон-протонным коллайдером с энергией 14 ТэВ в системе центра масс сталкивающихся протонов. Предполагается, что в период запуска БАК энергия в системе центра масс сталкивающих протонов будет чуть ниже и составит 10 ТэВ.
Во второй части данной диссертации кратко описываются различные физические каналы, которые могут быть изучены на установке CMS, и, как следствие, предъявляемые технические требования к детектору.
В третьей части дается техническое описание детектора CMS. Более подробное описание торцевых адронных калориметров и передних калориметров дается в четвертой и пятой частях диссертации, результаты которых относятся к данным детекторам.
В четвертой части диссертации представлено исследование воздействия радиации на отклик торцевых адронных калориметров (НЕ) детектора CMS. В детекторе CMS установлено два НЕ. Они расположены симметрично относительно точки столкновения, в области псевдобыстрот 1.3 < |г/| < 3. Каждый торцевой адронный калориметр состоит из чередующихся слоев поглотителя и сцинтиллятора. Часть энергии, теряемой заряженными частицами на ионизацию при прохождении через сцинтиллятор, превращается в свет, который выводится из сцинтиллятора с помощью спектросдвигающих оптических волокон, а затем по обычным оптическим волокнам на-
4
правляется на гибридные фотодиоды. В результате облучения уменьшается световыход сцинтиллятора, а также становятся короче длины поглощения света у сцинтиллятора и у оптических волокон. Эти эффекты сильно зависят от накопленной дозы и могут привести к заметному ухудшению отклика калориметра. Особенно сильным данное ухудшение должно оказаться на границе НЕ ((77! « 3), где ожидаются чрезвычайно высокие уровни радиации (около 10 МРад за 10 лет работы БАК). В результате проделанной работы была составлена компьютерная модель, позволяющая моделировать отклик калориметра в зависимости от полученной дозы. Изменение отклика было исследовано на примере тг-мезонов после 10 лет работы БАК. Для уменьшения эффектов облучения были рассмотрены различные варианты конструкции НЕ. Было показано, что при некоторых вариантах дизайна практически полная компенсация указанных эффектов может быть достигнута соответствующей перекалибровкой отклика сигнала с башен НЕ.
В пятой части диссертации описывается калибровка передних калориметров (НЕ) детектора СМБ с помощью радиоактивного источника ь0Со. В СМБ установлено два НЕ. Они расположены симметрично относительно точки столкновения, в области псевдобыстрот 3 < |77| < 5. Передние калориметры предназначены для идентификации и измерения энергий струй, летящих в переднюю область. Помимо измерения передних струй передние калориметры обеспечивают герметичность детектора С МБ, что позволяет улучшить точность измерения отсутствующей поперечной энергии. Во время работы БАК калибровку НБ можно будет осуществлять, используя различные физические каналы. Однако для проведения начальной калибровки, до начала набора физических данных, необходимо использовать другие методы. Лучшим методом является калибровка с помощью тестового пуч-
5
ка. Однако, из-за недостатка времени, поместить все модули НБ на пучок не представлялось возможным. В результате была разработана процедура перенесения калибровки с модулей, откалиброванных на тестовых пучках, на неоткалиброванные модули с помощью радиоактивного источника (,0Со. Отличительной особенностью данной калибровки является сложность выделения сигнала, так как сигнал от радиоактивного источника частично перекрывается с пьедесталом. Это объясняется выбором рабочего напряжения на фотоумножителях, которое должно быть достаточно низким чтобы обеспечить возможность измерения энергий струй в широком диапазоне. Кроме того, количество пьедсстальных входов превышает количество сигнальных на четыре порядка.
Для проведения калибровки с помощью радиоактивного источника было разработано несколько различных методик, которые отличаются друг от друга методом отделения сигнала от пьедестала. Был произведен анализ различных эффектов, влияющих на точность калибровки. В результате было показано, что точность калибровки на радиоактивном источнике по отношению к калибровке на тестовом пучке составляет 5 %. Во время работы ускорителя БАК передние калориметры будут подвергаться воздействию гигантских радиационных доз (~ 100 МРад/г), в результате чего их отклик будет со временем уменьшаться. Радиоактивный источник может применяться для мониторирования прозрачности оптических волокон, которые являются чувствительным элементом НБ. Была продемонстрирована возможность определять прозрачность волокон, измеряя изменение сигнала от источника в зависимости от его положения внутри НЕ.
6
1. Физика на детекторе СМЭ
Детектор СМБ планировался как многофункциональная установка, конструкция которой позволит проводить исследования широкого спектра физических процессов [3]. В этот спектр входят точные измерения в Стандартной модели, поиск Хиггсовского бозона, суперсимметрии, а также различной экзотики, такой как новые векторные бозоны, дополнительные измерения и т.д. Все эти процессы предъявляют различные технические требования к конструкции установки СМЭ.
1.1. Стандартная модель
На БАК можно будет изучать КХД, электрослабую физику и физику цвета. Точные измерения могут дать нам указания на существование новой физики за границами Стандартной модели. К примеру, будут возможны интенсивные проверки КХД, включающие измерение рождения струй и прямых фотонов с энергиями до 3-4 ТэВ, а также измерение сечений падающих на 11 порядков, Ь-кварки будут рождаться на БАК с частотой измеряемой в Гц, давая, таким образом, возможность проверить константы связи Стандартной модели и спин ^кварков, при условии, что в распадах будет возможна хорошая идентификация Ь-струй. Поиски нейтральных токов между разными поколениями кварков, нарушений сохранения лептонного заряда в каналах т —► Зд или т —► Д7, измерение —> дд, измерение тройных и
четверных констант связи могут открыть окно в новую физику.
Подробнее программа исследований на СМ8 изложена в [4]. В (4|, в том числе, содержатся оценки значимости различных сигналов в начальный период работы БАК.
7