Триггерный детектор передней мюонной системы эксперимента DO

Протон-антипротонный коллайдер Тэватрон на энергию ~ 2 ТэВ в системе центра масс лаборатории им. Ферми (Фермилаб) в США по настоящее время остается крупнейшим ускорителем в мире. Одной из основных установок, работающих на Тэватроне, является установка Б О [1,2]. Главными задачами экспериментов на этой установке являются проверка предсказаний Стандартной модели и поиск новых частиц и явлений за ее пределами.

Ко второму сеансу работы Тэватрона, который начался в марте 2001 г., установка Б0 была существенно модернизирована [3], что было связано со значительным повышением светимости коллайдера. В частности, были созданы новые детекторы в мюонной системе для регистрации и идентификации мюонов. Мюонная система должна была осуществлять эффективную выработку триггера и идентификацию мюонов в большом телесном угле в широком диапазоне импульсов и при низком фоне. К важнейшему из новых детекторов мюонной системы относится разработанная и созданная в ИФВЭ система из 4214 триггерных сцинтилляционных счетчиков. Система расположена симметрично относительно точки взаимодействия протонного и антипротонного пучков, по три слоя счетчиков с каждой из двух сторон.

Общая площадь детектора составляет ~ 450 м². Результатом введения в установку этой большой системы явилось значительное увеличение эффективности выработки триггера передней мюонной системы [4] установки Б0 во втором сеансе благодаря новым сцинтилляционным счетчикам с хорошим временным разрешением и тонкой сегментацией.

Система этих счетчиков использовалась для триггера на мюоны, образованные в результате протон-антипротонных взаимодействий в коллайдере Тэватрон, а также для предоставления информации по з времени прохождения этих мюонов через детектор, что крайне важно для реконструкции траекторий мюонов с использованием мюонных трековых камер. Тонкая сегментация и хорошее временное разрешение этих счетчиков позволили значительно подавить фон от космических мюонов, а также от мюонов, образованных за пределами временного интервала для данного конкретного события.

Целью диссертационной работы является разработка и создание системы из 4214 триггерных сцинтилляционных счетчиков, исследование их характеристик и анализ контроля стабильности их работы во время проведения экспериментов для получения физических результатов.

Автор защищает:

• создание в ГНЦ ИФВЭ при активном участии диссертанта триггерного детектора на основе 4214 сцинтилляционных счетчиков с полной площадью сцинтиллятора ~ 450 м .

• разработку методики калибровки системы сцинтилляционных счетчиков на ускорительных мюонах, полученных в результате протон-антипротонных столкновений на Тэватроне.

• методы анализа данных и результаты калибровки на светодиодах и на ускорительных мюонах.

Надежная работа в течение более семи лет системы 4214 сцинтилляционных счетчиков мюонного спектрометра в триггере эксперимента Б0 для регистрации редких физических процессов с мюонами в конечном состоянии, в частности, позволила впервые обнаружить странный каскадный барион Нь ((ЬЬ) — первую частицу, состоящую из валентных кварков всех трех известных поколений.

Актуальность работы.

Интегральная светимость за первый сеанс на Тэватроне Фермилаба в 1992—1996 гг. для эксперимента составила 120 пб" 1. Затем Тэватрон 4 был остановлен на пять лет. Были выдвинуты требования кардинально модернизировать установку БО с тем, чтобы она отвечала принципиально новым условиям набора данных во втором сеансе, начало которого было запланировано на 2001 год. В частности, ожидалось увеличение светимости более чем на порядок. Установка.

ЛЛ Л ] должна была выдерживать светимость до 3*10 см" сек". Энергию столкновений протонов с антипротонами в системе центра масс планировалось увеличить с 1.8 ТэВ до 1.96 ТэВ, а время между «банчами» (сгустками) частиц в ускорителе сократить с 3.5 мксек до 396 нсек. С учетом этих значительных улучшений параметров Тэватрона к концу 2009 года интегральная светимость эксперимента должна была достичь 4—8 фб" 1. Одной из важнейших задач модернизации установки Б0 была разработка и создание системы из 4214 сцинтилляционных счетчиков с высоким временным разрешением и тонкой сегментацией для формирования мюонного триггера и идентификации мюонов.

Научная новизна.

Созданная система сцинтилляционных счетчиков является одной из крупнейших в мире, в коллайдерных экспериментах она применяется впервые. Разработанные во время производства и эксплуатации сцинтилляционных счетчиков методы измерения их характеристик и контроля стабильности системы являются во многом оригинальными. Использование триггерной системы счетчиков в эксперименте ВО позволило получить целый ряд новых физических результатов, среди которых наиболее важными являются наблюдение осцилляций Вб-мезонов [5] и открытие странного каскадного Еъ~ бариона [6].

Практическая ценность.

Полученные в диссертационной работе результаты могут быть использованы при создании больших систем сцинтилляционных счетчиков как в нашей стране (ОИЯИ, ИЯИ РАН, ИЯФ РАН, НИИЯФ МГУ, ФИ РАН), так и за рубежом (ЦЕРН, Фермилаб).

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения.

3.3.2. Результаты исследования стабильности работы счетчиков.

Описанная процедура впервые была применена на практике в 2002 г. Было обработано более 635 ООО событий, прошедших мюонный триггер установки DO. Распределение амплитуд от пьедесталов и амплитудное распределение сигналов от мюонов, выделенных по приведенной выше методике срабатывания, для всех 4214 счетчиков представлены на рис. 3.11. Несмотря на то, что критерии отбора по времени не применялись, амплитудное распределение (рис. 3.1 lb) показывает, что > 98%.

47 выделенных таким образом мюонов имеют амплитуды, соответствующие энергии минимально-ионизирующей частицы. Рис. 3.11Ь также демонстрирует однородность сигнальных амплитуд и подтверждает разумность выбора порога дискриминации для набора статистики во втором сеансе на уровне 7 мВ, что соответствует 25 каналам АЦП.

X 10″ от 1400 с о 1200 и о.

§ 1000 сч 800 jn.

5 боо > lа.

400 200 0 а) п J Ю.

Entries.

Mean.

RMS.

100 747 201 40.55 4.637.

JII—I nLjlL.

20 40 60 80 100 ADC counts.

300 400 500 ADC counts.

Рис. 3.11 а) Распределение амплитуд от пьедесталов и Ь) амплитудное распределение сигналов от мюонов, выделенных по методике срабатывания, для всех 4214 счетчиков (данные 2002 г.).

Амплитудные распределения для одного из октантов (ТЧСО) и одного из счетчиков (8В7−54) с наибольшей для 2002 г. статистикой представлены на рис. 3.12.

Для проверки стабильности работы счетчиков та же процедура проводилась ежегодно, начиная с 2004 г. В 2006 г. программное обеспечение для обработки данных в режиме реального времени было значительно усовершенствовано, что дало возможность быстрее набирать статистику. Амплитудные распределения для октанта ЫСО и счетчика 8В7−54, полученные в 2006 г., представлены на рис. 3.13 и находятся в хорошем соответствии с результатами 2002 г. (рис. 3.12). Последний раз калибровка была проведена в июне 2008 года. Было обработано -1.4 миллиона событий, прошедших все триггеры установки.

48 от.

С о 50 о о о 40.

1Л 30 с ф.

LJ 20.

10 0.

L о).

ID.

Entries.

Mean.

RMS.

101 1023 145.7 54.21 4 к.

ПЛлпПь с 3 о о о о < оо.

300 400.

ADC counts 4.

3.5 3 2.5 2 1.5 1.

0.5 0.

L ь).

1L.

ID.

Entries Mean.

RMS.

1002 22 144.2 39.04.

11L.

I I I I ILL.

300 400.

ADC counts.

Рис. 3.12. Амплитудные распределения для а) октанта N00 и Ь) счетчика 8В7−54. Данные 2002 г. Выбранный счетчик имеют большую статистику, чем остальные. от 1000 F=.

300 400.

ADC counts.

300 400.

ADC counts.

Рис. 3.13. Амплитудные распределения для а) октанта N00 и Ь) счетчика 8В7−54. Данные 2006 г.

ОО. Суммарное распределение амплитуд для всех 4214 счетчиков показано на рис. 3.14. Из-за ограниченной статистики средние значения амплитудных откликов сравнивались по октантам. Результаты для всех 48 октантов представлены в таблице 3.1. Для каждого октанта среднее значение амплитуды, полученное в 2008 г., делилось на среднее значение 2002 г. Из табл. 3.1 и соответствующего ей рис. 3.15<1 следует, что среднее отношение амплитуд равно 0.957. Для октантов слоя, А это отношение составляет 0.976, для слоя В оно равно 0.949, для слоя С оно составляет 0.945 (см. рис. 3.15). Возможно, это различие объясняется.

49 Л с 1200 3 о и 1000 и О 800 CNJ 600 с.

U 400 ш.

200 0.

0 100 200 300 400 500.

ADC counts.

Рис. 3.14. Амплитудные распределения мюонов, выделенных по методике срабатывания, для всех 4214 счетчиков (данные 2008 г.).

Заключение

.

Диссертационная работа посвящена созданию триггерного детектора передней мюонной системы на основе сцинтилляционных счетчиков для эксперимента БО на ускорителе Тэватрон (Фермилаб, Батавия, США). Эта система из 4214 сцинтилляционных счетчиков была разработана и полностью создана в ГНЦ ИФВЭ в 1998—1999 гг. при значительном вкладе диссертанта, перевезена в Фермилаб и введена в состав установки БО ко второму сеансу Тэватрона, начавшемуся в 2001 году. Детектор такого масштаба впервые используется в коллайдерных экспериментах. Процедура разработки системы, выбора компонент, структура минимального модуля и результаты стендовых испытаний октантов описаны в диссертации.

Ожидавшееся во втором сеансе увеличение светимости более чем на порядок и числа протон-антипротонных взаимодействий в единицу времени, а также существенное уменьшение временного интервала между «банчами» в Тэватроне потребовали значительного улучшения триггерной системы эксперимента Б0 с тем, чтобы в новых жестких условиях эффективно отбирать триггером интересующие физические процессы и при этом значительно подавлять фоновые реакции. Система из триггерных сцинтилляционных счетчиков, успешно отработавшая в течение более семи лет в составе трехуровневого триггера эксперимента Б0, полностью удовлетворила новым требованиям эксперимента. Разброс временных сигналов детектора со всех счетчиков составил не более 2.5 не.

Высокая стабильность временных характеристик созданного детектора позволяет отслеживать и компенсировать температурные изменения импульса синхронизации от Тэватрона, задающего начало отсчета времени для всех детекторов Б0.

В диссертации изложена процедура светодиодной калибровки сцинтилляционного детектора, впервые примененная в 2001 г., и представлены результаты калибровок за 2001—2008 гг. Среднее отклонение за семь лет работы амплитуд сигналов, усредненное по 4214 счетчикам, не превышает 4.2% с о распределения этих отклонений по всем счетчикам около 12%. За этот же период сигналы остались стабильными во времени в пределах 0.2 не с от распределения отклонений 0.6 не.

Также изложена разработанная при активном участии автора методика калибровки детектора, основанная на измерении отклика счетчиков на прохождение через них мюонов, образованных в протон-антипротонных столкновениях на ускорителе Тэватрон. Такая калибровка важна для исследования комплексной стабильности работы счетчиков, поскольку при этом проверяются не только стабильность работы фотоумножителей и электроники, но и сцинтиллятора и переизлучателей спектра. Представлены результаты калибровок за 2002—2008 гг. Старение всей системы счетчиков составляет не более 1.5% в год, что обеспечивает ее долгосрочную работу. Проводимые регулярно в течение семи лет во втором сеансе такие работы как калибровка на светодиодах и калибровка на мюонах по процедурам, изложенным в данной диссертации, продемонстрировали стабильность работы сцинтилляционного триггерного детектора передней мюонной системы установки ВО по всем требуемым параметрам. Тем самым была обеспечена надежность всех физических результатов эксперимента Б0, полученных с использованием этого детектора.

В диссертации также представлены результаты мониторирования стабильности всей передней мюонной системы эксперимента Б0 с использованием выходов одиночных мюонов. Система стабильна в лл л пределах 1% во времени и в диапазоне светимости (0.5—2.5) «10 см сек.

Также в работе описан один из важнейших физических результатов, полученных в значительной мере благодаря надежной работе системы триггерных счетчиков — прямое наблюдение странного каскадного бариона Нь~ (dsb) с массой ~ 5.77 ГэВ — первой частицы, состоящей из валентных кварков всех трех известных поколений.

В заключение автор считает своим приятным долгом поблагодарить научного руководителя диссертации кандидата физико-математических наук Валерия Николаевича Евдокимова за большой идейный вклад в работу, которая здесь представлена, поддержку и внимательное руководство.

Автор также весьма признателен В. А. Беззубову, И. Н. Белякову, П. И. Галуху, С. Н. Гуржиеву, Д. С. Денисову, Б. Н. Дыбину, С. А. Звягинцеву,.

A.B. Козелову, В. В. Константинову, В. М. Кораблеву, С. А. Куликову,.

B.В. Липаеву, В. М. Подставкову, A.B. Попову, А. Н. Ромаданову, Д. А. Стояновой, A.B. Ферапонтову, И. Н. Чурину, И. В. Швабовичу, A.A. Щукину за активное участие в исследованиях по теме диссертации и за их вклад в получение и анализ экспериментальных данных.

Особую благодарность автор выражает члену-корреспонденту РАН Сергею Петровичу Денисову за постановку задачи и постоянное и доброжелательное внимание к исследованиям, которые легли в основу диссертации.

Автор благодарен руководству ГНЦ ИФВЭ за поддержку нашего участия в экспериментальной программе D0, в рамках которой выполнена настоящая диссертация, а также сотрудникам ускорительных и технических подразделений ФНАЛ, четкая работа которых сделала возможным проведение эксперимента D0.