Исследование параметров пропорциональной катодно-стриповой камеры для мюонной станции МЕ1/1 установки компактный мюонный соленоид (CMS) тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.23, кандидат физико-математических наук Мовчан, Сергей Александрович

• Мовчан, Сергей Александрович
• кандидат физико-математических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Мовчан, Сергей Александрович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 Большой Адронный Ускоритель (LHC).

1.1 Коллайдер LНС.

1.2 Компактный мюонный соленоид (CMS).

1.2.1 Назначение подсистем установки CMS.

1.3 Мюонная система установки CMS.

1.3.1 Назначение.

1.3.2 Требования.

1.3.3 Торцевая часть мюонного спектрометра.

1.3.4 Базовый детектор - катодно-стриповая камера.

1.3.5 Мюонная станция МЕ1/1.

1.3.6 Особенности условий работы детекторов в мюонной станции ME 1/1.

ГЛАВА 2 Принципы работы газоразрядных детекторов.

2 1 Регистрация релятивистских частиц в газе.

2.2 Дрейф и диффузия электронов первичной ионизации в электрическом и магнитном полях.

2.3 Газовое усиление.

2.4 Многопроволочная пропорциональная камера

MWPC).

24.1 Электрическое поле в MWPC.

2.4.2 Загрузочная способность MWPC.

2.5 Катодно-стриповая пропорциональная камера

CSC).

2.6 Задача оптимизации конструкции катодностриповой камеры для мюонной станции ME 1/1.

2.7 Программа экспериментальных исследований характеристик катодно-стриповой камеры для мюонной станции МЕ1/1.

ГЛАВА 3 Экспериментальное исследование характеристик катодно-стриповой камеры с целью определения величин ее основных параметров.

3.1 Методы определения координаты частицы в камере по информации со стрипов.

3.1.1 Методы определения координаты частицы для одной плоскости камеры.

3.1.2 Методы фитирования мюонных треков.

3.2 Координатное разрешение камеры.

3.2.1 Влияние магнитного поля на координатное разрешение камеры.

3.3 Эффективность реконструкции мюонных треков.

3.4 Временное разрешение камеры.

3.4.1 Временное разрешение камеры по информации с анодов.

3.4.2 Временное разрешение камеры по информации с быстрых катодов.

3.5 Триггерные свойства камеры.

3.5.1 Эффективность регистрации треков по информации с анодов камеры.

3.5.2 Координатное разрешение и эффективность регистрации треков по информации с быстрых катодов камеры.

ГЛАВА 4 Исследование характеристик камеры мюонной с 1 акции МЕ1/1 в условиях, близких к реальным в эксперименте СМЗ.

4.1 Изучение влияния коррелированного фона.

4.2 Изучение влияния некоррелированного фона.

4.2.1 Изменение координатного разрешения и эффективности реконструкции мюонных треков.

4.2.2 Изменение временного разрешения камеры и эффективности регистрации треков.

4.3 Изучение влияния коэффициента газового усиления камеры на ее характеристики.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование параметров пропорциональной катодно-стриповой камеры для мюонной станции МЕ1/1 установки компактный мюонный соленоид (CMS)»

В течение последних сорока лет в научном понимании природы элементарных частиц и их взаимодействий достигнут значительный прогресс [4-7]. Стандартная Модель, одно из самых больших достижений современной физики, была подтверждена результатами многочисленных экспериментов. Открытие в 1994 t-кварка явилось последним доказательством правильности теории.

Согласно Стандартной Модели структура материи может быть представлена посредством двух семейств частиц - лептонов и кварков, каждое из которых подразделяется на 3 поколения, и четырех фундаментальных взаимодействий - электромагнитного, слабого ядерного, сильного ядерного и гравитационного.

Теория объединения электромагнитного и слабого взаимодействий, отмеченная Нобелевской премией в 1979 году, и получившая экспериментальное доказательство в начале восьмидесятых с открытием W* и Z0 бозонов, позволила сделать шаг вперед в понимании фундаментальных взаимодействий. Это первая теория объединения в современной физике, появившаяся более чем через сто лет после Максвелловского объединения электрического и магнитною взаимодействий. Тем не менее, Стандартная Модель все еще оставляет много вопросов без ответа. Например, не объясняет механизм приобретения массы частицами. Также теорией не объяснен тот факт, что кварки и лептоны имеют три поколения, имеющие существенные различия в массах. Чтобы дать ответы на эти вопросы, теория Стандартной Модели была расширена - сделано предположение о существовании Хиггсовского поля взаимодействия массивных векторных бозонов W* and Zq. При этом масса частиц приобретается через механизм спонтанного нарушения симметрии. Однако и этого еще недостаточно для представления целостной картины строения материи. Кроме того, Стандартная Модель не включает теорию гравитации.

В течение восьмидесятых физики-теоретики пытались постулировать существование гравитона - бозона с гравитационным взаимодействием. Однако и сейчас уровень теоретических и экспериментальных знаний в этой области недостаточен для серьезных выводов. Несбалансированное количество материи и антиматерии, существование так называемой "Темной материи" и другие острые вопросы остаются тайнами, которые ждут своего решения.

Несколько теорий были сформулированы, чтобы ответить на вопросы, не охватываемые Стандартной Моделью. Наиболее популярна в настоящее время теория Суперсимметрии (SUSY), объединяющая теории Электрослабого взаимодействия и Квантовую хромодинамику (КХД) и имеющая дело с сильным и гравитационным взаимодействиями. Основное предположение теории SUSY основано на том, что для каждой известной элементарной частицы существует супер-частица с равным зарядом. Для каждого кварка имеется соответствующий с-кварк и аналогично существуют с-лептоны, нейтродины, глюины, и т.д. Минимальное Суперсимметричное расширение Стандартной Модели (MSSM) оперирует всего с пятью суперсимметричными частицами.

Большое количество исследований было проведено по оптимизации установки CMS для того, чтобы продемонстрировать ее соответствие тем неординарным задачам, которые упомянуты выше. Физическая программа CMS состоит в следующем [1,2,4]:

Хиггсовский бозон Стандартной Модели

CMS сможет открыть Хиггсовский бозон во всем диапазоне масс (-100 ГэВ <mh< -1 ТэВ), представляющем интерес с точки зрения стандартной модели (SM). Прекрасные характеристики кристаллического электромагнитного калориметра позволяют открыть сравнительно легкий

Хиггсовский бозон (irih <140 ГэВ) в уу- канале распада. Диапазон масс до (600-700) ГэВ может быть изучен в канале H > ZZ(Z*) > 41 благодаря прецизионному измерению импульса лептонов. Если все же, вопреки современным теоретическим оценкам, масса Хиггсовского бозона будет в районе mh ~ (800-1000) ГэВ, тем не менее, он может быть открыт сочетанием наблюдений в нескольких каналах (H > ZZ > llw, lljj; H > WW > Ivjj), используя герметичность и хорошее энергетическое разрешение адронного калориметра.

Суперышметрия

Разнообразие существующих суперсимметрических моделей затрудняет феноменологический анализ. В настоящее время относительно полный анализ был проведен лишь для минимального суперсимметрического расширения SM (MSSM). Однако даже MSSM предсказывает существование 31 новой частицы. Хиггсовский сектор состоит из четырех состояний (h°, Н°, А, 1Г), модель содержит и 28 суперпартнеров обычных частиц SM. Существенный и нетривиальный результат исследований физической группы CMS состоит в том, что MSSM Хиггсовский сектор может быть открыт почти во всем диапазоне изменения параметров модели. CMS способен также открыть сильновзаимодействующие MSSM частицы (скварки и глюино) вплоть до значений масс (2-2,5) ГэВ, сочетая наблюдения в двух конечных состояниях: jets + ЕТтт и jets + ETmlss + leptons. Слабовзаимодействующие

7*

MSSM частицы могут быть обнаружены как в чистом leptons+ Е mtss канале, так и в каскадных распадах скварков и глюино. CMS позволяет обнаружить чарждино и нейтралино с массой до ~ 350 ГэВ, а слептоны с массой до ~ 400 ГэВ.

Поиск новой физики помимо SM и MSSM

Существует множество физических моделей, предсказывающих новую физику в ТэВ-ном диапазоне: дополнительные векторные бозоны, с}персиммефичные модели с нарушенной R-четностью, составные модели кварков и пептонов, лептокварки, техницвет и т.д. Возможности наблюдения проявлений этой физики также исследуются. Результаты указывают на то, что CMS способен существенно улучшить существующие ограничения, либо открыть (если они существуют) новые частицы в ТэВ-ном диапазоне.

В - физика

При энергиях LHC сечение образования В - мезонных пар составляет

1 *) около 500 мкб. Это означает, что около 10 таких пар будет произведено даже на начальной стадии работы LHC при низкой светимости. CMS будет способен широко использовать эту уникальную возможность. Основной задачей является исследование нарушения CP - четности в В - секторе. Детальные исследования показали, что чувствительность CMS будет порядка 5(sin20) ~ 0.06 для углов а и Р унитарного треугольника. Другой важной задачей является изучение В5° осцилляции. Было показано, что CMS позволит изучить практически весь предсказываемый диапазон параметра осцилляции xs благодаря весьма точному определению вершины распада, обеспечиваемому трекерной системой CMS. LHC также открывает уникальную возможность изучения редких распадов В - мезонов. Одним из наиболее интересных примеров является распад Bs° —► рц, ширина которого весьма чувствительна к наличию новой физики вне SM. Увеличение распадной ширины в (3-5) раз по сравнению с предсказаниями SM может быть зарегистрировано в CMS за один год работы при низкой светимости коллайдера.

Физика тяжелых ионов Основной задачей программы CMS по физике тяжелых ионов (HI) является обнаружение нового состояния материи - кварк-глюонной плазмы (QGP). Предсказывается, что образование QGP может проявляться через сильное подавление выхода Y' и Y" резонансов по сравнению с Y, а также через подав пение выхода жестких КХД струй. Детальные исследования показали, что сигнал от распада Y будет наблюдаться в CMS несмотря на чрезвычайно большую загрузку трекерной системы. Эффективность восстановления мюонной пары оценена > 60% даже в худшем случае центральных Pb-Pb взаимодействий. Жесткие струи с Е, > 100 ТэВ также могут быть реконструированы с применением алгоритма, адаптированного для физики тяжелых ионов.

Решение поставленных физических задач потребовало создания беспрецедентных по своему масштабу экспериментальных установок, которые будут работать на встречных пучках Большого Адронного Коллайдера. CMS [2] и АТЛАС [3], самые крупные установки общего назначения , состоят из разнообразных многоканальных детекторов с общим числом каналов регистрации 107 (в современных установках количество каналов регистрации достигает величины 3x105). Повышенные требования к характеристикам детектирующих систем, большое количество каналов регистрации и одновременно очень ограниченное место для размещения детекторов и электроники, влекут за собой ряд серьезных требований к их разработке. Одно из них - высокая надежность аппаратуры и детекторов.

К отличительным особенностям электронной аппаратуры для создаваемых экспериментов на LHC следует отнести общую для всех систем тенденцию распределения вычислительной мощности. Бурное развитие технологии производства сверхбольших интегральных схем (процессоров, памяти и программируемой логики) позволило передать ряд задач, решаемых триггерными системами, непосредственно электронике регистрации информации, располагаемой на детекторах. При этом возрастает скорость выработки решения триггера первого уровня, уменьшается объем передаваемых с детектора данных, возрастает скорость обработки данных, но заметно усложняется электронная аппаратура, располагаемая на детекторах. Аппаратура, как и сами детекторы, располагается в радиационно-жестких условиях.

Поиском путей решения поставленных физических задач, проектированием и созданием коллайдера LHC и экспериментальных установок, предназначенных для работы на нем, занимаются тысячи ученых и инженеров со всего мира.

Впервые предложение по созданию установки "Компактный Мюонный Соленоид" (CMS) прозвучало на конференции "Большой Адронный Коллайдер (LHC)" в 1990 году. В 1990-М 994 годах проводились работы по изучению возможности создания комплекса экспериментальных средств для решения поставленных физических задач. Была создана коллаборация заинтересованных научных центров Европы, Америки и Азии по созданию на LHC экспериментальной установки CMS. В декабре 1994г. координационным комитетом LHC (ЦЕРН) утверждено «Техническое предложение по созданию экспериментальной установки CMS» [2]. В эксперименте изъявили желание принять участие представители ведущих институтов России и стран-участниц ОИЯИ, которые объединились в субколлаборацию RDMS (Russia and Dubna Member States CMS Collaboration) [4].

В составе этой коллаборации автором диссертации проводились работы в ОИЯИ и ЦЕРН, целью которых являлось разработка и экспериментальное исследование характеристик камеры для мюонной станции ME 1/1 торцевой мюонной системы установки CMS.

Исходя из «Технического предложения по созданию экспериментальной установки CMS» [2] можно сформулировать требования к камере для мюонной станции МЕ1/1 торцевой мюонной системы. В пересчете из требуемого импульсного разрешения мюонного спектрометра камера должна обеспечивать координатное разрешение для мюонных треков а-75 мкм и высокую эффективность их регистрации (не менее 90%). Работать в магнитном поле величиной порядка 3 Тесла. Использоваться в трип ере первою уровня: обеспечивать временную привязку событий к моменту столкновения пучков с точностью не хуже 25 не и высокой эффективностью (не менее 90%). Мюоны должны регистрироваться в условиях присутствия высоких фоновых загрузок от заряженных частиц порядка 1 кГц/см" (в пересчете около 100 кГц на канал регистрирующей электроники) и наличии коррелированного сопровождения, рождаемого самим мюоном при прохождении его через вещество установки.

Многопроволочная пропорциональная камера с катодным считыванием информации со стрипов (CSC) выбрана в качестве базового детектора для торцевых мюонных систем крупнейших экспериментов CMS и ATLAS [2,3], так как они сочетают в себе все необходимые для решения физической задачи свойства:

• Определение координаты мюона с координатной точностью порядка 50 мкм;

• высокое быстродействие, необходимое для формирования триггера первого уровня;

• возможность работы в условиях высоких фоновых загрузок порядка (1-3) кГц/см2;

• возможность работы в магнитном поле ~ 3 Тесла.

Координатная точность камер мюонной станции ME 1/1 играет определяющую роль в обеспечении необходимого энергетического разрешения торцевой мюонной системы установки CMS. Близкое в мюонной системе расположение станции по отношению к внутреннему трекеру определяет высокие требования к эффективности и точности определения пространственной координаты мюона для восстановления его трека в точку взаимодействия пучков.

Исходя из сказанного выше можно сформулировать:

Цель диссершцноиной работы.

• Разработка концепции катодно-стриповой камеры для мюонной станции ME 1/1 эксперимента CMS.

• Исследование характеристик прототипов катодно-стриповой камеры:

- с помощью мюонных и пионных пучков в магнитном поле разной величины;

- в условиях, близких к реальным для мюонной станции ME 1/1 в эксперименте CMS;

- определение оптимального режима работы камеры по газовому усилению для разработанной электроники считывания информации с ее стрипов и проволочек.

• Экспериментально доказать, что параметры камеры для мюонной станции ME 1/1 удовлетворяют требованиям эксперимента CMS.

Научная новизна работы.

В диссертационной работе приведены новые результаты экспериментальных исследований характеристик катодно-стриповой камеры:

• влияние магнитного поля на координатное разрешение камеры;

• влияние электромагнитного сопровождения, индуцируемого мюонами в веществе, на координатное разрешение камеры и эффективность реконструкции мюонных треков;

• исследованы триггерные свойства камеры. Показана возможность идентификации трека заряженной частицы и определение момента ее прохождения через камеру с помощью сигналов с анодных и быстрых катодных каналов регистрации;

• исследовано влияние больших фоновых загрузок на характеристики камеры;

• исследовано влияние коэффициента газового усиления на ее характеристики.

Практическая ценность работы.

Проведен ряд экспериментов по изучению характеристик камеры мюонной станции МЕ1/1 в условиях, приближенных к реальным в установке CMS.

• Разработана концепция камеры для мюонной станции ME 1/1.

• Результаты экспериментальных исследований показали, что параметры камеры удовлетворяют требованиям эксперимента CMS. Это позволило создать мюонную станцию ME 1/1.

Содержание работы.

Диссертация состоит из четырех глав и заключения. Глава 1 посвящена описанию Большого Адронного Коллайдера (LHC) и эксперимента Компактный Мюонный Соленоид (CMS). Приведены основные характеристики LHC, создаваемых экспериментальных установок и отмечена важность идентификации мюонов, рождающихся в рр-взаимодействиях. Дано краткое описание Компактного Мюонного Соленоида (CMS) - одной из двух крупнейших экспериментальных установок, создаваемых для работы на коллайдере LHC. Описаны мюонная система CMS и мюонная станции ME 1/1. Приведены параметры и особенности условий работы камеры для мюонной станции МЕ1/1.

Глава 2 посвящена изложению принципов работы газоразрядных детекторов. Обоснован выбор пропорциональной камеры с катодным считыванием информации со стрипов в качестве базового детектора для мюонной системы эксперимента CMS. Сформулирована программа экспериментальных исследований характеристик катодно-стригювой камеры для мюонной станции ME 1/1.

Глава 3 посвящена результатам методических исследований характеристик кагодно-стриповой камеры с целью определения величин ее основных параметров. Изучены координатное разрешение камеры в магнитном поле величиной 3 Тесла, эффективность реконструкции мюонных треков, временное разрешение камеры и ее триггерные свойства.

Глава 4 посвящена результатам исследования характеристик камеры для мюонной станции МЕ1/1 в условиях, близких к реальным в эксперименте CMS. Изучено влияние коррелированного и некоррелированного фона, коэффициента газового усиления на характеристики камеры.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы и приведен список публикаций, положенных в основу диссертации.

В конце приводится список цитируемой литературы.

Заключение диссертации по теме «Физика высоких энергий», Мовчан, Сергей Александрович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ