Исследование характеристик мюонного детектора в условиях высоких интенсивностей частиц в эксперименте ГЕРА-Б
Развитие физики высоких энергий привело к созданию ускорителей элементарных частиц, на которых сегодня достижимы энергии порядка ~ ТэВ, что позволяет производить исследования на уровне кварков и глюонов, проникая в глубь ядра на расстояния до Ю-16 см. Характерной особенностью условий, в которых должны функционировать физические детекторы на современных коллайдерах, являются экстремально высокие… Читать ещё >
Содержание
- 1. Описание эксперимента HERA-B
- 1. 1. Триггер
- 1. 2. Основные компоненты спектрометра
- 1. 2. 1. Вершинный детектор
- 1. 2. 2. Трековая система
- 1. 2. 3. Триггерные камеры на большой поперечный импульс
- 1. 2. 4. Детектор черенковского излучения
- 1. 2. 5. ' Системы идентификации электронов
- 1. 2. 6. Мюонный детектор
- 1. 3. Физика эксперимента HERA-B
- 2. Экспериментальное исследование характеристик мю-онных камер
- 2. 1. Критерии для выбора «газовой смеси
- 2. 2. Анализ экспериментальных данных
- 2. 2. 1. Измерения на космических частицах
- 2. 2. 2. Измерения с использованием пучка электронов
- 3. 1. Основные характеристики процессов старения
- 3. 2. Обзор экспериментальных результатов с газовых детекторов
- 3. 3. Исследование старения в лабораторных условиях
- 3. 4. Исследование старения на 100 МэВ а-частицах
- 3. 5. Исследование старения в условиях интенсивных потоков частиц эксперимента HERA-B
- 3. 6. Основные результаты исследований
- 4. 1. Моделирование мюонного детектора
- 4. 1. 1. Характеристики источников фона
- 4. 1. 2. Мюонный претриггер
- 4. 1. 3. Идентификация мюонов и режекция адронов
- 4. 2. Анализ экспериментальных данных
- 4. 2. 1. Сравнения экспериментальных данных с результатами моделирования
- 4. 2. 2. Отбор событий с распадом <7/ф
Исследование характеристик мюонного детектора в условиях высоких интенсивностей частиц в эксперименте ГЕРА-Б (реферат, курсовая, диплом, контрольная)
Развитие физики высоких энергий привело к созданию ускорителей элементарных частиц, на которых сегодня достижимы энергии порядка ~ ТэВ, что позволяет производить исследования на уровне кварков и глюонов, проникая в глубь ядра на расстояния до Ю-16 см. Характерной особенностью условий, в которых должны функционировать физические детекторы на современных коллайдерах, являются экстремально высокие интенсивности потоков вторичных частиц (из двух типов коллайдеров электрон-позитронных и адронных ситуация особенно драматична в экспериментах на последних). Поэтому, чтобы информация о вторичных частицах была максимально подробной, создаются спектрометры, состоящие из десятка детекторов, каждый из которых использует определённую технологию и выполняет свои специфические задачи. При этом, сотни тысяч каналов электронных систем требуются для преобразования к цифровому виду аналоговой и временной информации, поступающей из спектрометра. Более того, редкие процессы (которые обычно представляют наибольший интерес), в конечном итоге отбираются путём последовательного анализа исходных данных, которые могут содержать в миллионы раз больше событий других типов.
Для решения проблемы выделения редких процессов в условиях высокой плотности частиц и характерного времени между столкновениями порядка десятков наносекунд, используются как высокоточные трековые детекторы, способные эффективно разделять частицы, так и системы дающие информацию для их идентификации. Помимо требований к эффективной регистрации и идентификации частиц, ключевой характеристикой детекторов, работающих в условиях высоких плотностей потоков частиц, является их радиационная стойкость при длительном и интенсивном облучении.
Эксперименты в области физики элементарных частиц можно разделить на две основные группы: эксперименты с неподвижной мишенью и эксперименты на коллайдерах. В экспериментах с неподвижными мишенями необходимо регистрировать частицы высоких энергий, летящие вперед, для чего требуются длинные магнитные спектрометры с хорошим разделением двух частиц, обеспечивающие высокоточное измерение импульсов заряженных частиц по отклонению в магнитном поле.
Эксперимент HERA-B на протонном накопительном кольце HERA в DESY (Гамбург) использует столкновения 920 ГэВ протонов с неподвижной мишенью, расположенной в гало пучка [1, 2]. Областью физики является изучение процессов квантовой хромодинамики (КХД), механизмов рождения тяжёлых кварков и распадов частиц, содержащих си Ь-кварки [3]. Отличительной особенностью эксперимента HERA-B являются большие множественности вторичных частиц, возникающих в одном протон-нуклонном взаимодействии, которые приводят к тяжёлым радиационным условиям работы для детекторов, входящих в состав спектрометра HERA-B. Кроме этого, высокая частота следования событий и огромные объёмы данных выдвигают новые требования к методам триггерования и способам хранения информации.
The Hera-B Spectrometer.
Magnet.
Vertex Wir".
920GeV lambers.
Tracking Chambers (Inner+Outer) High l*-r Chambers.
Рис. 1: Схематическое расположение детекторов спектрометра HERA-B.
Конфигурация детектора HERA-B с открытой геометрией и длиной порядка 20 м типична для экспериментов с фиксированной мишенью. Угловой аксептанс спектрометра составляет от 9 мрад (вокруг протонной трубы) до 160 мрад в вертикальном направлении (у-проекция) и до 250 мрад в горизонтальном направлении (плоскость магнитного поля, х-проекция). Схематическое расположение элементов спектрометра представлено на рис. 1. Вершинный детектор реконструирует треки и обеспечивает нахождение вершин распадов вторичных частиц на протяжении первых двух метров после мишени. Центр дипольного магнита с интегралом поля 2.1 Тм и радиусом 2.5 м, расположен на расстоянии 4.5 м от мишени. В области от z ~ 2 м до z ~ 13 м, расположены 13 суперслоёв внутреннего и внешнего трекера, из которых 7 находятся в магнитном поле. Технология и гранулярность детектирующих элементов трековой системы изменяются с расстоянием от оси протонного пучка, обеспечивая требуемое пространственное разрешение и высокоточные измерения импульсов заряженных частиц. Три плоскости камер ('high-pt' камер), состоящие из газовых пиксельных камер (во внутренней области) и цилиндрических пропорциональных камер с падовым считыванием (во внешней области), также расположены в магните и обеспечивают формирование триггера на адроны и леп-тоны с большими поперечными импульсами. Детектор черенков-ского излучения, с радиатором расположенным от 8.5 м до 11.5 м, используется для идентификации каонов в диапазоне импульсов от 5 ГэВ до 50 ГэВ. Детектор переходного излучения и расположенный за ним электромагнитный калориметр образуют систему идентификации электронов в эксперименте HERA-В.
Мюонная система идентифицирует мюонные кандидаты как те треки, которые были реконструированы трековой системой и которым соответствуют сигналы в 4 суперслоях мюонных камер, расположенных на разных глубинах в абсорбере. Эффективная идентификация мюонов является одним из принципиальных требований в эксперименте HERA-B и играет ключевую роль при реконструкции полулептонных распадов очарованных и прелестных кварков и распадов на мюонные пары. Пары мюонов разных знаков с инвариантной массой в области J/ф мезона и мюоны с большим поперечным импульсом формируют триггер первого уровня в эксперименте. Использование мюонного детектора позволяет достичь требуемой ре-жекции адронов от мюонов во всём импульсном диапазоне при сохранении высокой эффективности идентификации мюонов.
Данная работа выполнена в рамках создания мюонного детектора в эксперименте HERA-В.
Актуальность темы
диссертации.
Развитие физики высоких энергий привело к созданию ускорителей элементарных частиц (Fermilab, HERA, LHC), на которых сегодня достижимы энергии порядка ~ ТэВ. Составной частью проектируемых и создаваемых спектрометров на ускорителях нового поколения являются высокоточные трековые детекторы, выполненные на основе газовых пропорциональных камер с эффективной площадью 103 — 105 м², способные функционировать в условиях экстремально высоких интенсивностей частиц. Большие радиационные загрузки, при характерном времени между столкновениями порядка десятков наносекунд, предъявляет жёсткие требования к эксплуатации газовых детекторов. Чрезвычайно важным и актуальным представляется создание и исследование характеристик детектора, способного разделять с высокой эффективностью мюоны и адроны в широком диапазоне импульсов в условиях большой множественности заряженных и нейтральных частиц.
Цели и задачи исследования.
Настоящая работа посвящена исследованию характеристик мюон-ного детектора в условиях высоких интенсивностей потоков частиц эксперимента HERA-B. При создании детектора ставились задачи поиска и экспериментального исследования характеристик газовых смесей, позволяющих обеспечить высокую эффективность регистрации минимально ионизирующих частиц, а также изучения возможности её использования в радиационных условиях эксперимента.
Целью диссертации также является математическое моделирование методов идентификации мюонов, анализ источников фоновых процессов в мюонном детекторе, экспериментальное измерение потоков заряженных и нейтральных частиц в эксперименте HERA-B и их сравнение с результатами расчётов.
Научная новизна и значимость работы.
Представлен анализ характеристик мюонного детектора, основанного на газовых пропорциональных камерах. Показана возможность работы мюонной системы в условиях высоких интенсивностей потоков частиц эксперимента HERA-B и получены экспериментальные данные с применением созданного детектора. Приведены экспериментальные результаты демонстрирующие, что скорость старения определяется не только полным аккумулированным зарядом, но также зависит от режима работы пропорциональной камеры и области облучения.
Автор защищает:
1. Результаты поиска и экспериментального исследования характеристик газовых смесей для пропорциональных камер, полученные на основе анализа измерений с использованием космических частиц и электронного ускорителя DESY-2 с энергией 3 ГэВ.
2. Экспериментальные результаты исследования процессов старения пропорциональных камер, проведённые на пучке а-частиц с энергией 100 МэВ и в условиях интенсивных потоков частиц эксперимента HERA-B.
3. Оптимизацию алгоритма мюонного претриггера и анализ результатов моделирования для выбранной схемы претриггера.
4. Результаты математического моделирования и оптимизацию методов идентификации мюонов с импульсами больше 5 ГэВ/с.
5. Экспериментальные результаты и анализ данных с мюонного детектора эксперимента HERA-B на протонном накопительном кольце HERA (920 ГэВ) в условиях реальных потоков частиц.
Практическая полезность.
Работа выполнена в рамках эксперимента HERA-B на ускорителе HERA в DES Y (Гамбург).
Результаты исследования были использованы при создании полномасштабного мюонного детектора для эксперимента HERA-B. Созданный мюонный детектор обеспечивает идентификацию мюонов в эксперименте HERA-B и помогает отбирать события, являясь как анализатором взаимодействий, так и элементом триггера всей установки.
Полученные результаты исследования процессов старения могут быть использованы при создании новых газовых детекторов, работающих в условиях высоких интенсивностей потоков частиц.
Апробация и публикации.
Материалы, изложенные в диссертационной работе, докладывались на конференциях:
1. Beauty'99 (Блед, Словения, Май 1999);
2. XIV Recontres de Physique de la Vallee dAoste (La Thuille, Италия, Февраль 2000);
3. IEEE'2000 (Лион, Франция, Октябрь 2000) — и на научных семинарах в ИТЭФ (г.Москва, Россия) и DES Y (г.Гамбург, Германия).
Опубликованы в следующих работах: [4, 5, 6, 7, 8, 9, 10].
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации 140 страниц, 52 рисунка, 176 наименований цитированной литературы. Работа построена следующим образом:
Заключение
.