Оглавление
Оглавление 2
Введение 5
1 Современные электромагнитные калориметры 8
1.1 Калориметры типа «шашлык»........................................ 15
2 Установка LHCb и сё калориметрическая система 22
2.1 Ускоритель L1IC.................................................. 22
2.2 Рождение b-кварков на LUC........................................ 25
2.3 Детектор LHCb ................................................... 26
2.3.1 Система восстановления треков............................. 28
2.3.2 Детекторы черенковского излучения......................... 28
2.3.3 Мюонный детектор.......................................... 29
2.3.4 Магнит, вакуумная камера.................................. 29
2.3.5 Калориметрическая система................................. 29
2.4 Физические задачи калориметра.................................... 30
2.5 Требования к характеристикам калориметрической системы .... 31
2.5.1 Сцшггилляционные счётчики SDP и PRS...................... 31
2.5.2 Электромагнитный калориметр............................... 31
2.5.3 Адронный калориметр....................................... 32
3 Электромагнитный калориметр LHCb 33
3.1 Общие характеристики............................................. 33
3.1.1 Описание мониторной системы............................... 36
3.2 Конструкция модуля .............................................. 40
3.3 Сборка модуля.................................................... 46
2
3.4 Контроль качества модулей электромагнитного калориметра .... 48
3.4.1 Контроль качества входящих материалов ................... 48
і 3.4.2 Контроль качества при производстве сцинтилляционных пла-
сгин...................................................... 50
3.4.3 Контроль качества спектросмещающих волокон............... 52
3.4.4 Измерения на космическом стенде.......................... 54
3.4.5 Измерение световыхода.................................... 60
4 Измерения на пучке частиц 62
4.1 Описание установки.............................................. 62
4.1.1 Прототип мониторной системы ............................. 63
4.2 Измерение координат точки попадания частиц пучка в калориметр 67
4.3 Измерение свойств калориметрических модулей..................... 70
4.3.1 Калибровка модулей по энергии............................. 70
4.3.2 Свстовыход............................................... 72
4.3.3 Энергетическое разрешение ............................... 74
4.3.4 Однородность отклика..................................... 75
5 Моделирование неоднородности отклика калориметров типа «шашлык» 83
5.1 Программа моделирования светосбора.............................. 84
5.2 Оптическая модель сцинтилляционной пластины..................... 86
5.3 Измерение толщины сцинтилляционных пластин...................... 89
5.4 СЕАМТ-моделирование тестовой калориметрической сборки .... 92
6 Обсуждение результатов 94
6.1 Сравнение результатов измерений и моделирования однородности отклика калориметра.................................................. 94
6.2 Влияние оптических параметров на неоднородность отклика свето-сбора................................................................100
Заключение 104
Благодарности 106
Список иллюстраций 107
3
Список таблиц
112
*
Введение
Электромагнитный калориметр является важнейшей подсистемой практически во всех современных установках, созданных для исследования широкого круга явлении в области физики высоких энергий. В современном эксперименте электромагнитный калориметр обычно выполняет следующие функции:
• выработка триггерного сигнала для отбора сигнальных событий, представляющих интерес с точки зрения физической программы эксперимента;
• восстановление энергии и кинематических параметров электронов и 7-квантов;
• идентификация частиц, в частности распознавание фотонов и разделение электронов и заряженных адронов.
Электромагнитный калориметр является уникальным прибором, позволяющим реконструировать нейтральные пионы, 97-мезоны и распады частиц, с образованием одного или нескольких фотонов в конечном состоянии. Качество реконструкции этих частиц и уровень комбинаторного фона определяется энергетическим и пространственным разрешением калориметра, которые напрямую зависят от его внутреннего устройства. Современные установки рассчитаны на эксплуатацию при высокой частоте столкновений пучков частиц (~ 40 МГц для экспериментов на коллайдере LHC), поэтому электромагнитный калориметр должен иметь малое мёртвое время и малую длительность сигнала во избежания перекрытия сигналов от следующих ;фуг за другом событий. Кроме того, физические задачи многих современных экспериментов предполагают высокую множественность входящих в калориметр частиц (на единицу площади). Так, если две частицы попадают в электромагнитный калориметр на небольшом расстоянии друг от друга, таким образом, что обе частицы выделяют энергию в одной или соседних калориметр! 1-
5
ческпх ячейках, то восстановление кинематических параметров этих частиц становится практически невозможным. Проблема может быть решена увеличением расстояния между калориметром и точкой столкновения пучков (пучка и мишени). Но в этом случае значительно возрастут размеры калориметра, а значит и его стоимость. Другим способом решения этой проблемы является увеличение поперечной сегментации калориметра и уменьшение его радиуса Мольера. Таким образом современный калориметр должен обладать адекватными поставленной физической задаче энергетическим и пространственным разрешениями, радиусом Мольера и поперечной сегментацией, которая, в общем случае, может быть различной в разных местах калориметра. Длительность сигнала от калориметра и время его считывания должны быть минимальными.
Этим требованиям удовлетворяю!' калориметры, построенные по технологии «шашлык» (см. Главу 1.1). Однако их проблемой остаётся относительно высокий постоянный член в энергетическом разрешении, ограничивающий качество реконструкции высокоэнергичных частиц. Данная работа посвящена исследованию и поиску путей совершенствования характеристик электромагнитных калориметров типа «шашлык» для эксперимента ЬНСЬ. Провсдёпные детальные и систематические измерения неоднородности отклика модулей калориметра типа «шашлык» по поверхности позволили детально смоделировать и понять причины возникновения это неоднородности и выявить пути её уменьшения. Такое уменьшение необходимо для построения новых и модернизации уже существующих калориметров, для улучшения их разрешения и /или уменьшения радиуса Мольера.
На защиту выносятся следующие вопросы:
1. Измерение неоднородности отклика модулей калориметра ЫЮЬ и экспериментального модуля с пластинами свинца и сцинтиллятора толщиной 0.5 мм;
2. Оригинальный метод моделирования процессов светосбора в сцинтилляци-ониых пластинах калориметра;
3. Оригинальный метод моделирования неоднородностей отклика модулей калориметра типа «шашлык», учитывающий вариации эффективности свето-сбора и толщины сцинтилляционных пластин калориметра.
Основные материалы работы опубликованы в |1-4|. Результаты, представленные в диссертации, докладывались на совещаниях международных коллабораций
б
LHCb и CBM, a также международных конференциях .
Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения.
В первой главе дан обзор современных электромагнитных калориметров, применяемых в физических экспериментах, изучающих свойства элементарных частиц на ускорителях и коллайдерах. Рассмотрены электромагнитные калориметры всех основных типов, даны их основные характеристики. Особое внимание уделено калориметра типа «шашлык». Показан процесс их совершенствовании от момента создания первых прототипов в 1978 году до калориметров в больших установках PHENIX и HERA-B.
Вторая глава посвящена детектору LHCb, требованиям к его электромагнитному калориметру, а также возможным путям модернизации этого калориметра, в момент плановой замены центральной его части.
В третьей главе подробно рассмотрена конструкция электромагнитного калориметра LlICb, а также подробно описаны устройство калориметрических модулей н процедура контроля качества на всех этапах их производства.
В четвёртой главе подробно описана процедура пучковых испытаний модулей калориметра LHCb, а также экспериментального калориметрического модуля с пластинами свинца и сцинтиллятора толщиной 0.5 мм. Приведены результаты исследования качества работы прототипа мониторной системы калориметра LHCb и измерений энергетического разрешения, световыхода и однородности отклика испытуемых модулей к пысокоэнергнчным мюонам и электронам.
Пятая глава посвящена моделированию неоднородностей отклика калориметров типа «шашлык», подробно описана программа моделирования процесса сво-тосбора внутри сцинтилляционнон пластины, её оптическая модель.
В шестой главе проводится сравнение экспериментальных данных с результатами моделирования и обсуждаются полученные результаты.
Заключение содержит основные результаты проделанной работы.
7
Глава 1
Современные электромагнитные калориметры
Данная глава посвящена обзору современных электромагнитных калориметров и их характеристик. Подробно описывается историческое развитие калориметров типа «шашлык».
Но типу внутреннего устройства электромагнитные калориметры разделяются
на:
• однородные, среди которых можно выделить
- кристаллические (например, выполненные на основе кристаллов Св1 (77), РЬ\ГО4)
- жидко-криптоновые
- на основе свинцового стекла
• неоднородные (слоёные), которые, в свою очередь, бывают
- жидко-аргоновые
- ецннтилляционные, которые подразделяются на
* 1Пе-калориметры
* калориметры типа «шашлык».
Одной из основных характеристик, определяющих качество восстановления кинематических параметров входящих в калориметр электромагнитных частиц,
8
является энергетическое разрешение электромагнитного калориметра. Для слоёных калориметров, калориметров на основе свинцового стекла и кристаллических калориметров с низким световыходом (например, выполненных на основе кристаллов PbWO.s) энергетическое разрешение описывается формулой:
Е - \/Ё Е'
где а — стохастический член, определяемый флуктуациями электромагнитного ливня в чувствительном объёме для слоёных калориметров и фотостатистикой для свинцового стела и кристаллов, Ь — постоянный член, а с — шумовой. Последний, в основном, определяется параметрами считывающей электроники. Для кристаллических и жидко-криптоновых калориметров энергетическое разрешение определяется по формуле:
(Je о с
Ё = 7ЁФЬ(ВЁ-
Выбор внутреннего устройства калориметра определяется физическими задал чамн эксперимента, а также фоновыми условиями.
Основной задачей электромагнитного калориметра в экспериментах BELLE [5] и BABAR [б) является восстановление с высокой точностью кинематических параметров 7-квантов в диапазоне энергий до 4 ГэВ, возникающих, в частности, в распадах В —* К"7 и В0 —» тг07г°. Также электромагнитный калориметр в этих экспериментах используется для регистрации фотонов тормозного излучения, испущенных электронами в магнитном ноле трекера, что позволяет* уточнить энергию электронов, возникающих, например, из распада J/ip —+ е+е". Таким образом для решения физических задач, стоящих перед коллаборациямп BELLE и BABAR, требуется электромагнитный калориметр с выдающимся энергетическим разрешением, которое обеспечивают, в частности, калориметры на основе кристаллов Csl(77). Так разрешение калориметра BELLE составляет:
BABAR:
^ = (2.32 ±0.30)%
ЕУЁ
Однородность отклика калориметра BELLE составляет около 1% (см. рис. 1.1).
Другим экспериментом, в котором требуется восстанавливать и идентифицировать низкоэнергичные фотоны и электроны, является эксперимент КЕДР |7|,
- Київ+380960830922