Калибровка и исследование характеристик адронного сцинтилляционного калориметра установки ATLAS тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Солодков Александр Александрович

• Солодков Александр Александрович
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Солодков Александр Александрович

Введение

Глава 1. Адронный сцинтилляционный калориметр эксперимента

ATLAS

1.1 Ускоритель LHC

1.2 Установка ATLAS

1.3 Адронный калориметр TileCal

1.4 Система сбора данных TileCal

1.5 Системы калибровки и мониторирования TileCal

Глава 2. Анализ данных Цезиевой калибровочной системы TileCal

2.1 Принцип цезиевой калибровки

2.2 Процедура набора данных при использовании Цезиевой калибровочной системы

2.3 Реконструкция сигнала

2.3.1 Амплитудный метод

2.3.2 Интегральный метод

2.4 Сравнение интегрального и амплитудного метода

2.5 Выравнивание отклика ячеек калориметра

2.6 Процедура анализа данных

2.7 Мониторирование стабильности отклика и калибровка калориметра

2.8 Краткие выводы по главе

Глава 3. Испытание прототипа калориметра TileCal на тестовом

мюонном пучке

3.1 Установка для тестирования прототипов калориметра TileCal на выведенном пучке SPS

3.2 Измерение световыхода

3.3 Измерение мюонного сигнала

3.4 Однородность отклика калориметра

3.5 Зависимость энерговыделения в калориметре от энергии мюона

Стр.

3.6 Отношения eи e/mip

3.7 Монте-Карло моделирование энерговыделения для мюонов

3.8 Точность пособытийной реконструкции потерь мюона в калориметре

3.9 Краткие выводы по главе

Глава 4. Измерение характеристик модулей TileCal эксперимента

ATLAS на тестовом пучке и электромагнитная калибровка

4.1 Описание тестовой установки

4.2 Алгоритмы реконструкции данных

4.2.1 Метод «плоского фильтра»

4.2.2 Метод фитирования

4.2.3 Метод «оптимальной фильтрации»

4.2.4 Использование различных методов для реконструкции

4.3 Разработка и настройка программы Монте-Карло моделирования TileCal

4.4 Определение электромагнитной шкалы калориметра с использованием электронного пучка

4.5 Определение электромагнитной шкалы калориметра с использованием мюонного пучка

4.6 Краткие выводы по главе по главе

Глава 5. Разработка и тестирование новой электроники для работы

Цезиевой калибровочной системы на HL-LHC

5.1 Основные электронные модули Цезиевой калибровочной системы

5.2 Разработка программного обеспечения для новой Цезиевой калибровочной системы

5.3 Радиационные тесты новых электронных модулей Цезиевой калибровочной системы

5.4 Тесты новых электронных модулей Цезиевой калибровочной системы после их производства

5.5 Краткие выводы по главе

Стр.

Глава 6. Изучение процесса парного рождения W- и Z-бозонов с

лептоном, нейтрино и двумя струями в конечном состоянии

6.1 Стратегия анализа

6.2 Моделирование сигнала и фона методом Монте-Карло

6.3 Реконструкция объектов и отбор событий

6.4 Оценка величины сигнала и фона

6.5 Определение сечения и метод фитирования

6.6 Систематические неопределенности

6.7 Результаты измерения сечения

6.8 Аномальные тройные взаимодействия калибровочных бозонов

6.9 Анализ событий с использованием метода толстых струй

6.10 Результаты измерения сечения при энергии 8 ТэВ

6.11 Более строгие ограничения на аномальные тройные константы взаимодействия

6.12 Краткие выводы по главе

Заключение

Список литературы

Список рисунков

Список таблиц

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Калибровка и исследование характеристик адронного сцинтилляционного калориметра установки ATLAS»

Введение

Калориметры являются неотъемлемой частью экспериментов в физике высоких энергий, и с течением времени предъявляются все более высокие требования к точности калориметрических измерений. От точности калибровки калориметров зависит в конечном итоге чувствительность детекторов к проявлению Новой физики за пределами Стандартной Модели, поисками которой занимаются практически все эксперименты. Каким бы идеальным ни был калориметр при своем создании, в процессе работы все его компоненты подвержены старению. Скорость старения и изменения характеристик калориметров в кол-лайдерных экспериментах существенно увеличились в последние годы, так как сильно увеличились интегральная светимость, набираемая в этих экспериментах, и радиационные загрузки детекторов. С другой стороны, существенно увеличилось время жизни таких экспериментов. Сейчас оно составляет десятки лет, и в течение всего этого времени необходимо поддерживать стабильную работу калориметров.

Классик калориметрии Wigmans подчеркивает в своих трудах [1; 2], что калибровка калориметра, т.е. определение взаимосвязи между выделившейся в калориметре энергией и измеряемым сигналом, является наиболее важной частью работы с калориметрической системой в целом. Он призывает производить калибровку, которая в первую очередь будет более-менее правильно (в среднем) восстанавливать энергию частиц, а не пытаться минимизировать энергетическое разрешение, добиваться линейности отклика или улучшать другие параметры реконструкции. В случае некомпенсированного адронного калориметра энергия не может быть правильно реконструирована для всех типов частиц. Наиболее правильным способом калибровки при этом видится калибровка, которая позволит получить правильную реконструированную энергию для электромагнитных ливней, т.е. необходимо определить так называемую электромагнитную шкалу калориметра. И основной задачей калибровки калориметра является своевременный расчет всех необходимых коэффициентов для поддержания электромагнитной шкалы на неизменном уровне.

Существует несколько разных методов калибровки калориметров, которые так или иначе применяются во всех экспериментах:

- «In-Situ» калибровка, т.е. калибровка детектора с использованием данных, набранных во время эксперимента. Зачастую используется инвариантная масса пар фотонов из распадов п0 ^ уу или n ^ YY, или инвариантная масса двух электронов из распадов J/ф ^ e+e-, Z ^ e+e-. Такая калибровка позволяет достичь наивысшей точности и автоматически учитывает все эффекты (изменения высокого напряжения, температуры, влажности, нестабильность электроники, радиационные повреждения и т.п.). Однако для калибровки всего калориметра требуется высокая статистика, а оптимизация калибровочных коэффициентов для всех ячеек калориметра одновременно является достаточно сложной и ресурсоемкой задачей. Кроме того, этот метод хорошо подходит только для калибровки электромагнитного калориметра. Для калибровки адронного калориметра, который стоит позади электромагнитного, можно рассматривать п±-мезоны, например из распада K ^ п+п-, но при этом калибруется не электромагнитная, а адронная шкала калориметра. Часто используются также мюоны из космических лучей или из распадов W ^ |av, но с помощью мюонов можно осуществить только относительную калибровку ячеек калориметра. В общем и целом, «In-Situ» метод калибровки, как правило, используется в дополнение к другим методам и не является первичным.

- Калибровка с помощью тестовых пучков известной энергии, например на ускорителе SPS в CERN. В этом случае изучаются основные характеристики только небольшой части калориметра (несколько отдельных модулей). После получения первичной калибровки требуется распространить ее на весь калориметр, и, конечно, необходимо отслеживать изменение характеристик калориметра со временем. Таким образом, в дополнение к измерению на тестовых пучках требуется еще одна система калибровки.

- Калибровка светом (лазером или светодиодом). Этот способ применим к калориметрам, основанным на регистрации света в сцинтилляторе. Свет по оптическим волокнам от лазера или от светодиода распределяется по всем фотоумножителям калориметра. При этом калибруется не весь детектор, а только его регистрирующая часть — фотоумножитель. В другом варианте исполнения отдельным светодиодом может быть оснащена каждая ячейка калориметра. Так или иначе, такая система калибрует только оптическую часть и не дает информации о том, какая доля энергии частиц выделяется в сцинтилляторе, а какая в поглотителе. Сами лазеры и светодиоды могут менять характеристики

со временем, поэтому требуется отдельная система для измерения их стабильности.

- Калибровка с помощью радиоактивных источников. Это классический способ калибровки, используемый во многих калориметрах. Радиоактивный источник (например 60Co, 90Sr, 137Cs) помещается в каждую ячейку калориметра или движется вблизи от нее. Такой способ позволяет или непосредственно установить абсолютную электромагнитную шкалу калориметра, или осуществить перенос шкалы, полученной на тестовом пучке для отдельных модулей калориметра, на весь детектор. Время полураспада радиоактивных источников хорошо известно, поэтому после начального определения электромагнитной шкалы, абсолютная калибровка калориметра гарантирована на всем протяжении эксперимента. Однако такая калибровка занимает сравнительно долгое время и может проводиться только во время остановки набора данных эксперимента. Кроме того, энергии регистрируемых частиц (например 662 кэВ у от 137Cs) существенно ниже типичных энергий в физике высоких энергий (ГэВ), поэтому требуются некоторые дополнительные усилия для регистрации сигнала, например применение интегрирующих цепей. Нельзя забывать и о том, что работа с радиоактивными источниками требует соблюдения мер радиационной безопасности.

Таким образом, калибровка с помощью радиоактивных источников является наиболее точным и наиболее универсальным методом калибровки для всех калориметров, в которых технически возможно поместить источник внутрь детектора. В числе сравнительно недавних экспериментов, использовавших калибровку с помощью радиоактивных источников можно перечислить CDF на ускорителе Tevatron (использовался 137Cs) и H1 и ZEUS на ускорителе HERA (использовался 60Co). Кроме того, радиоактивные источники для калибровки калориметров используют все четыре эксперимента на LHC. В эксперименте ATLAS источник 137Cs используется для калибровки адронного сцинтилляцион-ного калориметра TileCal. Остальные калориметры ATLAS используют жидкий аргон (LAr) в качестве активного вещества и помещены в криостаты, поэтому использование радиоактивных источников не представляется возможным.

Некоторые характеристики калориметров, созданных в последние годы, приведены в таблице 1. Для экспериментов на LHC указаны результаты изучения модулей адронных калориметров на тестовом пучке, а для остальных экспериментов — результаты комбинированных измерений с использованием

электромагнитного и адронного калориметра. Как видно из таблицы, калориметр TileCal эксперимента ATLAS является самым крупным и одним из самых точных сцинтилляционных калориметров. Только калориметр ZEUS имел существенно лучшее разрешение благодаря тому, что он являлся полностью компенсированным. Цезиевая калибровочная система позволяет сохранить такое хорошее разрешение калориметра TileCal в течение всего времени работы эксперимента ATLAS.

Калориметр Тип Размер (метры) Масса (тонн) Кол-во каналов Разр. для адронов Разр. @ 50 ГэВ

ZEUS Barrel сцинт. уран L = 3.3 0 = 6 320 5.2 х 103 3Л 0 2% 5.3%

H1 had. central barrel LAr железо L = 2.7 0 = 5 170 6.4 х 103 ^ 0 2% 7.3%

DO cental hadron LAr уран медь L = 3 0 = 9 300 4.3 х 103 4Л 0 4.5% 8.0%

CDF central hadron сцинт. железо L = 2.5 0 = 6 600 8 х 102 75% 0 4% 11%

LHCb Hadron сцинт. железо W = 8.4 H = 6.8 500 1.5 х 103 0 9% 13%

CMS Hadron Barrel сцинт. латунь L = 9 0 = 6 1000 2.6 х 103 0 7.6% 14%

ATLAS TileCal сцинт. железо L = 12 0 = 8.5 2900 104 ^ 0 5.7% 9.4%

Таблица 1 — Характеристики адронных калориметров разных экспериментов.

Некоторые калориметры, помимо своей основной функции — измерения энергии электромагнитных или адронных ливней, способны видеть существенно

более слабый сигнал от мюонов, которые проходят сквозь калориметр. Но калибровочные коэффициенты электромагнитной шкалы не позволяют правильно оценить потери энергии мюона. Это обусловлено тем, что мюоны в калориметре практически не создают электромагнитные ливни, а теряют энергию из-за ионизации. При этом оказывается, что электронная и мюонная сэмплирующие доли Se и Sц различны.1 Поэтому одним из важных параметров, который необходимо знать для правильной реконструкции мюонного сигнала, является отношение Se/S^, которое обычно носит название е/ц. Мюонный спектрометр эксперимента ATLAS находится позади калориметрической системы, и правильная оценка потерь энергии мюона в калориметре позволяет повысить точность реконструкции начальной энергии мюона в вершине взаимодействия.

Целью данной работы является вычисление начальной электромагнитной шкалы для калориметра TileCal с помощью измерений на тестовом пучке, перенос этой шкалы на калориметр TileCal, установленный в эксперименте ATLAS, с помощью Цезиевой калибровочной системы и поддержание точной калибровки калориметра TileCal в течение всего времени набора данных экспериментом ATLAS.

Сопутствующая цель — изучение характеристик прототипов модулей калориметра TileCal с использованием мюонного пучка и оценка точности реконструкции потерь энергии мюонов в калориметре.

Дополнительная цель — изучение парного рождения W- и Z-бозонов, распадающихся на лептон, нейтрино и две струи в конечном состоянии и определение ограничений на существование Новой физики в виде аномальных тройных взаимодействий векторных бозонов.

Для достижения поставленных целей было необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать программное обеспечение для реконструкции калибровочных данных Цезиевой калибровочной системы TileCal.

2. Разработать программное обеспечение для реконструкции данных, получаемых с помощью калориметра TileCal на тестовом пучке.

3. Разработать программное обеспечение для Монте-Карло моделирования отклика калориметра TileCal с помощью пакета программ GEANT4.

1 Сэмплирующей долей называют отношение энергии, выделившейся в активном веществе калориметра, к полной энергии, поглощенной калориметром.

4. Проанализировать данные, полученные на тестовом пучке, и определить электромагнитную шкалу калориметра TileCal.

5. Произвести расчеты для выравнивания отклика всех ячеек калориметра TileCal.

6. Производить регулярные расчеты калибровочных констант с использованием Цезиевой калибровочной системы TileCal.

7. Проанализировать данные, полученные на тестовом пучке с использованием прототипов модулей TileCal, определить световыход, отношения

е/ц и e/mip.

8. Оптимизировать критерии отбора событий для максимизации отношения сигнал/фон при изучении процесса WW/WZ ^ Ivjj.

9. Произвести моделирование процесса WW/WZ ^ Ivjj с учетом вклада аномальных констант связи векторных бозонов, а также произвести дополнительное моделирование с видоизмененными параметрами для оценки систематических неопределенностей.

10. Произвести оптимизацию программ для расчета пределов на аномальные константы связи и выполнить расчеты.

Научная новизна:

1. Был разработан уникальный математический аппарат для реконструкции и анализа данных, получаемых в калибровочной системе, основанной на передвижении капсулы с радиоактивным источником внутри калориметра с помощью потока жидкости.

2. Ограничения на аномальные тройные взаимодействия калибровочных бозонов на момент публикации были одними из лучших в мире.

Практическая значимость:

1. С использованием программного обеспечения, разработанного для Це-зиевой калибровочной системы, точность калибровки электромагнитной шкалы калориметра TileCal эксперимента ATLAS поддерживается на уровне лучше 1% с 2009 по 2025 годы. Это же программное обеспечение позволит продолжать калибровку TileCal вплоть до окончания работы HL-LHC в 2042 году.

2. Программное обеспечение для Монте-Карло моделирования и реконструкции данных TileCal является неотъемлемой частью программного обеспечения коллаборации ATLAS. Оно используется для моделирова-

ния всего эксперимента ATLAS и для реконструкции данных, получаемых в эксперименте.

3. Изучение характеристик прототипов модулей TileCal помогло понять, в какой мере такой калориметр отвечает требованиям, предъявляемым к калориметру эксперимента ATLAS, а также позволило сформулировать критерии качества, которые в дальнейшем применялись к сцинтилляци-онным пластинам в процессе их производства.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Достигнута точность и долговременная стабильность электромагнитной шкалы калориметра TileCal на уровне 1% в течение 2009-2025 гг. с помощью разработанного программного обеспечения по реконструкции и анализу данных эксперимента ATLAS.

2. Впервые продемонстрирована возможность реконструкции мюонного сигнала в калориметре с продольным сегментированием, произведено сопоставление электромагнитной шкалы калориметра TileCal и энергетической шкалы для мюонов и измерено отношение сэмплирующих долей Se/Sц = 0.91 ± 0.01 для мюонов с энергией до 150 ГэВ.

3. Предложен и реализован комбинированный алгоритм реконструкции потерь энергии мюона в калориметре, позволивший снизить в 2-5 раз количество событий, в которых реконструированный импульс мюона в эксперименте ATLAS существенно отличается от истинного значения импульса.

4. При энергии сталкивающихся протонов в системе центра масс 8 ТэВ с полной статистикой, соответствующей интегральной светимости 20.2 фб-1, получены ограничения на параметры аномальных тройных взаимодействий калибровочных бозонов на основе анализа процесса парного рождения W- и Z-бозонов с лептоном, нейтрино и двумя струями в конечном состоянии:

-0.021 < Agf < 0.024, -0.061 < Aky < 0.064, -0.013 < \z = Ay < 0.013.

На момент публикации эти ограничения были на уровне лучших мировых ограничений.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались автором в разные годы на внутренних совещаниях коллаборации ATLAS и на конференциях:

- 13th ICATPP Conference on Astroparticle, Particle, Space Physics and Detectors for Physics Applications (ICATPP 2011), Como, Italy, 3-7 October 2011 [3].

- The 3rd Annual Large Hadron Collider Physics Conference (LHCP 2015), St. Petersburg, Russia, 31 August - 5 September 2015 [4].

- 19-я Международная Ломоносовская конференция по физике элементарных частиц, Москва, Россия, 22-28 августа 2019 [5].

Личный вклад. Автор принимал активное участие в разработке всего программного обеспечения подсистемы TileCal эксперимента ATLAS, начиная с первых измерений на тестовом пучке и вплоть до последних изменений в программном обеспечении для работы в течение LHC Run 3. Программное обеспечение, написанное автором, позволило проводить Монте-Карло моделирование калориметра TileCal в рамках программного обеспечения эксперимента ATLAS, производить реконструкцию данных TileCal и осуществлять наблюдение за качеством набираемых данных во время работы эксперимента.

Автор внес существенный вклад в анализ данных, полученных на тестовом пучке, в обеспечение непрерывного мониторирования отклика калориметра с помощью Цезиевой калибровочной системы и вычислению калибровочных констант, применяемых при реконструкции данных TileCal на протяжении всего времени работы эксперимента ATLAS. Им был предложен специальный формат записи всех калибровочных констант TileCal в базу данных и написано программное обеспечение для работы с базами данных.

В рамках программы модернизации эксперимента ATLAS для работы на HL-LHC автором был проведен большой объем работ по разработке и тестированию новых электронных модулей для Цезиевой калибровочной системы, а также по разработке специализированного встроенного программного обеспечения.

Автор также участвовал в настройке алгоритмов реконструкции струй и в анализе первых данных, полученных в эксперименте ATLAS в протон-протонных столкновениях при энергиях 7 и 8 ТэВ. Он занимался Монте-Карло моделированием процессов парного рождения векторных бозонов и в сравнении результатов этого моделирования с данными эксперимента с целью поиска Новой физики за пределами Стандартной Модели.

Публикации. Соискатель имеет 5 публикаций по теме диссертации в ведущих рецензируемых изданиях, индексируемых WoS, Scopus и рекомендованных ВАК [6—10].

Зарегистрированы 2 программы для ЭВМ [11; 12].

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав и заключения. Полный объём диссертации составляет 149 страниц, включая 56 рисунков и 18 таблиц. Список литературы содержит 56 наименований.

Глава 1. Адронный сцинтилляционный калориметр эксперимента ATLAS

1.1 Ускоритель LHC

Рисунок 1.1 — Ускорительный комплекс CERN по состоянию на 2022 год.

Large Hadron Collider (LHC) [13] является в настоящее время самым большим и наиболее мощным ускорителем частиц в мире. Он был построен в Европейском Центре Ядерных Исследований (CERN) и был запущен в 2008 году. LHC расположен в тоннеле длиной 26.7 км и представляет собой два пересекающихся ускорительно-накопительных кольца для разгона и столкновения протонов или тяжелых ионов. Максимально достигнутая энергия протон-протонных взаимодействий в системе центра масс (СЦМ) составляет 13.6 ТэВ, максимальная светимость 2.5 х 1034 см_2с_1. После открытия Хиггс-бозона в 2012 году, основными задачами LHC в настоящее время являются уточнение различных параметров Стандартной Модели (СМ), таких как масса W/Z/Higgs бозонов или

измерение редких распадов B-мезонов, а также поиск Новой физики за пределами Стандартной Модели. Это происходит в четырех экспериментах, размещенных по периметру кольца LHC: ATLAS, ALICE, CMS и LHCb (рисунок 1.1).

1.2 Установка ATLAS

Рисунок 1.2 — Установка ATLAS.

Установка ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) (рисунок 1.2) [14] представляет собой детектор общего назначения, позволяющий решать широкий спектр задач. Детектор имеет цилиндрическую форму, длину 44 метра, диаметр 25 метров и включает в себя три основные части.

1. Внутренний детектор, состоящий из трех трековых подсистем:

- кремниевый пиксельный детектор (Pixel),

- кремниевый микро-стриповый детектор (SCT),

- газовый детектор переходного излучения (TRT).

2. Калориметрическая система:

- Электромагнитный калориметр (LAr EM barrel и два LAr EM end-cap). Жидкоаргоновый (LAr) калориметр со свинцовыми поглотителям. Работает в диапазоне \п\ < 3.2.

- Адронный калориметр (TileCal, Long Barrel и два Extended Barrel). Сцинтилляционные пластины и стальные поглотители, (|n| < 1.7).

- Концевой адронный калориметр (HEC). Медные поглотители + LAr, (1.5 < |n| < 3.2).

- Передний калориметр (FCal). Медные/вольфрамовые электроды + LAr, (3.1 < |n| < 4.9).

3. Мюонный спектрометр, состоящий из центральной и двух торцевых частей.

ATLAS также имеет две основные магнитные системы: сверхпроводящий соленоид с полем 2Т окружает внутренний детектор, а три тороидальных магнита с полем 0.5Т (в центральной части) и 1Т (в торцевых частях) размещены в пределах мюонной системы.

1.3 Адронный калориметр TileCal

Tile barrel Tile extended barrel

Рисунок 1.3 — Калориметры установки ATLAS.

Сцинтилляционный адронный калориметр эксперимента ATLAS (Tile Calorimeter, TileCal) (рисунок 1.3) [15] использует стальные пластины в качестве поглотителя и пластины из органического сцинтиллятора (тайлы) в

качестве активного вещества. Калориметр состоит из трех цилиндрических частей. Центральная часть под названием Long Barrel (LB) покрывает область по псевдобыстроте \п\ < 1.0, а две боковые части под названием Extended Barrel (EB) находятся в области 0.8 < \п\ < 1.7. Боковая часть, расположенная в области П > 0, получила название EBA, а противоположная — EBC. Каждый цилиндр в азимутальном направлении разбит на 64 модуля, таким образом гранулярность калориметра по углу ф составляет примерно 0.1 радиана.

Рисунок 1.4 — Схематичный вид одного модуля калориметра и организация све-тосбора с индивидуальных сцинтилляционных пластин.

Характерной особенностью ТПеСа1 является то, что пластины сцинтилля-тора перпендикулярны оси сталкивающихся пучков. Это позволяет организовать светосбор с помощью оптических волокон, которые прижимаются с двух сторон к краям пластин и затем выходят за пределы чувствительной области в радиальном направлении, как это схематично изображено на рисунке 1.4. Всего в калориметре насчитывается 11 рядов сцинтилляторов толщиной 3 мм. Высота рядов от 10 см на внутреннем радиусе до 19 см на внешнем радиусе калориметра. Чувствительная область калориметра начинается на расстоянии 230 см от оси пучка, ее полная толщина по радиусу — 152 см, что составляет примерно 7.4Л (адронной длины взаимодействия). Вдоль оси пучка сцинтилляторы расположены с периодом 18.25 мм «в шахматном порядке», т.е. каждый четный ряд

сцинтилляторов сдвинут относительно нечетного на полпериода. Внутри модуля отдельные сцинтилляторы группируются в ячейки, как это показано на на рисунке 1.5. В радиальном направлении модули разбиты на три слоя с названиями А, ВС и D в LB модулях и А, В (или С) и D в ЕВ модулях. Модули имеют псевдопроективную геометрию, размер ячеек по п в слоях А,В,С,ВС, а также ячейки D4 составляет Дп = 0.1, остальные ячейки в слое D имеют размер Дп = 0.2. В общей сложности каждый LB модуль содержит 45 ячеек, каждый ЕВ модуль содержит 14 стандартных ячеек. В дополнение к стандартным ячейкам, изображенным на рисунке 1.5, каждый ЕВ модуль имеет 4 ячейки под названием Е1-Е4, которые состоят из одной сцинтилляционной пластины толщиной 12 мм (для Е1-Е2) или 6 мм (для Е3-Е4). Эти ячейки размещены прямо под ячейкой С10 и покрывают в общей сложности диапазон 1.0 < |п| < 1.6.

Cells and Tile Rows

Рисунок 1.5 — Разбиение калориметра TileCal на ячейки. Изображена половина Long Barrel модуля и один Extended Barrel модуль.

1.4 Система сбора данных TileCal

Регистрирующая электроника ТПеСа1 схематично изображена на рисунке 1.6. Частицы, регистрируемые калориметром, производят свет в пластинах сцинтиллятора, который с помощью спектросмещающих волокон передается в фотоумножители (ФЭУ). Сигнал, снимаемый с фотоумножителя, сначала формируется с помощью пассивного фильтра. В результате такого преобразования

Рисунок 1.6 — Регистрация сигнала в TileCal.

ширина сигнала на полувысоте становится равной 50 нс. Затем сигнал усиливается в двух независимых цепях усиления с соотношением коэффициентов усиления 64:1 и поступает на вход двух 10-битных амплитудно-цифровых преобразователей (АЦП). Одновременно с этим аналоговый сигнал из усилителя с низким коэффициентом усиления передается в триггер первого уровня ^1). Сигнал оцифровывается в АЦП с частотой 40 МГц и передается в систему сбора данных только при наличии разрешения от триггера L1, что происходит примерно с частотой 100 кГц. Передача данных происходит со скоростью 640 Мбит/с по оптическим линиям связи. Параллельно с «быстрым сигналом» сигнал с каждого ФЭУ поступает в интегрирующую цепь с характерным временем интегрирования 10 мс [16]. После интегрирования сигнал поступает в усилитель, позволяющий выбрать один из шести коэффициентов усиления, и в конечном итоге измеряется с помощью 12-битного АЦП. Такие интегрирующие измерения используются при регистрации сигнала от цезиевого источника во время калибровки с помощью Цезиевой калибровочной системы. Передача результатов интегрирующих измерений осуществляется по медному кабелю с использованием протокола передачи данных СА^Ьш со скоростью 250 кбит/с.

1.5 Системы калибровки и мониторирования TileCal

Для калибровки адронного калориметра TileCal установки ATLAS используется несколько систем, позволяющих подавать тестовый сигнал на различных стадиях считывающей цепочки (рисунок 1.7). Система зарядовой калибровки (Charge Injection System — CIS) позволяет произвести калибровку всего электронного тракта, впрыскивая фиксированный заряд на вход регистрирующей

Рисунок 1.7 — Калибровочные системы TileCal.

электроники и измеряя отклик в отсчетах АЦП. Таким образом калибруются оба АЦП для «быстрого сигнала», а также АЦП интегрирующей цепи. Лазерная система калибровки [17] посылает свет от лазера в каждый ФЭУ и позволяет отслеживать изменение произведения двух коэффициентов — коэффициента усиления ФЭУ и коэффициента усиления электроники. Цезиевая калибровочная система [6] помещает цезиевый источник в каждую ячейку калориметра и отслеживает изменения во всей системе сцинтиллятор-ФЭУ-электроника целиком. Таким образом, комбинируя информацию из всех трех калибровочных систем, можно рассчитать калибровочные коэффициенты для каждого отдельного компонента: электроника (CADC^pC), ФЭУ (CLaser), сцинтиллятор (CCs). Помимо этого существует еще один калибровочный коэффициент CpC^GeV, который задает электромагнитную шкалу калориметра. Он детально обсуждается в главе 4. После того, как эти коэффициенты определены для каждого канала, энергия в ГэВ вычисляется как:

A(ADC )

E (GeV ) =

CADC^pC х CpC^GeV х Ces х CLaser

(1.1)

Коэффициент Сьазег, измеряемый Лазерной системой калибровки, устанавливается в единицу после каждого обновления коэффициента С^. Он отвечает только за кратковременные изменения коэффициента усиления ФЭУ между двумя сеансами калибровки с помощью Цезиевой калибровочной системы.

Глава 2. Анализ данных Цезиевой калибровочной системы TileCal

Концепция Цезиевой калибровочной системы для калориметра TileCal [6], описываемой в данной главе, была предложена сотрудниками НИЦ КИ-ИФВЭ на рубеже 1994-1995 годов. После проработки всех технических аспектов впервые она была применена на самом первом полноразмерном модуле TileCal под названием «Модуль 0», испытанном на тестовом пучке SPS в 1996 году. А начиная с 1997 года система активно использовалась для измерения характеристик фотоумножителей, разрабатываемых фирмой Hamamatsu для калориметра TileCal. Для этого на протяжении 1997-1998 гг. проводились еженедельные измерения с разными версиями ФЭУ. Так, например, было выяснено, что коэффициент усиления первого варианта ФЭУ быстро уменьшался со временем, что было неприемлемо. Для проведения всех этих измерений требовалось написать программное обеспечение для сбора данных, а также программу реконструкции. Автор был в числе соавторов этого программного обеспечения, а с 2000 года стал основным разработчиком программного обеспечения Цезиевой калибровочной системы для калибровки модулей TileCal, испытываемых на тестовом пучке SPS. Эта работа продолжалась и после запуска LHC. Автор стал основным экспертом, отвечающим за своевременное вычисление цезиевых калибровочных констант для всего TileCal. Основные результаты этой деятельности представлены в данной главе. Все пограммное обеспечение, используемое для реконструкции данных (за исключением «амплитудного» метода), проверки качества данных, построения графиков стабильности и занесения калибровочных констант в базу данных написаны автором лично.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Солодков Александр Александрович, 2025 год

Список литературы

1. Wigmans, R. Calorimetry: Energy measurement in particle physics. T. 107. — 2000. — DOI: 10.1093/oso/9780198786351.001.0001.

2. Wigmans, R. Calorimetry // Scientifica Acta 2. — 2008. — No. 1. — P. 18—55.

3. Solodkov, A. The ATLAS Tile Calorimeter performance at the LHC in pp collisions at 7 TeV // Proceedings of the 13th International Conference on Advanced Technology and Particle Physics (ICATPP) / ed. by S. Giani [et al.]. — 2012. — P. 797—802. — DOI: 10.1142/9789814405072_0120.

4. Solodkov, A. Performance of the ATLAS Tile Calorimeter // Proceedings of the LHCP2015 Conference. — 2016. — P. 683—688. — URL: https://inspirehep.net/ files/88f74b6f261f8c0a77b1c95a91ff010b (visited on 05/05/2025).

5. Solodkov, A. Performance and Upgrade of the ATLAS Tile Calorimeter // Particle Physics at the Year of 150th Anniversary of the Mendeleev's Periodic Table of Chemical Elements. — 2021. — P. 273—276. — DOI: 10.1142/9789811233913_ 0048.

6. Blanchot, G.,..., Solodkov, A. et al. The Cesium Source Calibration and Monitoring System of the ATLAS Tile Calorimeter: Design, Construction and Results // JINST. — 2020. — Vol. 15, no. 03. — P03017. — DOI: 10.1088/1748-0221/15/ 03/P03017. — arXiv: 2002.12800 [physics.ins-det].

7. Ajaltouni, Z.,..., Solodkov, A. et al. Response of the ATLAS Tile calorimeter prototype to muons // NIM A. — 1997. — Vol. 388. — P. 64—78. — DOI: 10.1016/ S0168-9002(97)00331-8.

8. Aad, G., ..., Solodkov, A. et al. (ATLAS Collaboration). Operation and performance of the ATLAS Tile Calorimeter in LHC Run 2 // Eur. Phys. J. C. — 2024. — Vol. 84, no. 12. — P. 1313. — DOI: 10.1140/epjc/s10052-024-13151-4. — arXiv: 2401.16034 [hep-ex].

9. Aad, G.,..., Solodkov, A. et al. (ATLAS Collaboration). Measurement of the combined WW + WZ cross section and limits on anomalous triple gauge couplings using final states with one lepton, missing energy, and two jets with the ATLAS detector at = 7 TeV // JHEP. — 2015. — Vol. 01. — P. 049. — DOI: 10.1007/ JHEP01(2015)049. — arXiv: 1410.7238 [hep-ex].

10. Aad, G., Solodkov, A. et al. (ATLAS Collaboration). Measurement of WW/WZ ® Ivqq' production with the hadronically decaying boson reconstructed as one or two jets in pp collisions at y/s = 8 TeV with ATLAS, and constraints on anomalous gauge couplings // Eur. Phys. J. C. — 2017. — Vol. 77, no. 8. — P. 563. — DOI: 10.1140/epjc/s10052-017-5084-2. — arXiv: 1706.01702 [hep-ex].

11. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. Cs_Integral / А. А. Солодков ; ФБГУ НИЦ КИ-ИФВЭ. — № 2022680648 ; заявл. 02.11.2022 ; опубл. 16.11.2022, 2022681783 (Рос. Федерация).

12. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ. RTCS / А. А. Солодков ; ФБГУ НИЦ КИ-ИФВЭ. — № 2023681694 ; заявл. 19.10.2023 ; опубл. 09.01.2024, 2024610003 (Рос. Федерация).

13. Evans, L. and Bryant, P. (editors). LHC Machine // JINST. — 2008. — Vol. 3. — S08001. — DOI: 10.1088/1748-0221/3/08/S08001.

14. Aad, G. et al. (ATLAS Collaboration). The ATLAS Experiment at the CERN Large Hadron Collider // JINST. — 2008. — Vol. 3. — S08003. — DOI: 10.1088/1748-0221/3/08/S08003.

15. ATLAS Collaboration. ATLAS Tile Calorimeter: Technical design report // ATLAS-TDR-3; CERN-LHCC-96-042. — 1996. — URL: https://cds.cern.ch/ record/331062 (visited on 05/05/2025).

16. Gonzelez Parra, G. Integrator based readout in Tile Calorimeter of the ATLAS experiment // Physics Procedia. Vol. 37. — 2012. — P. 266—270. — DOI: 10. 1016/j.phpro.2012.02.374.

17. Abdallah, J.,..., Solodkov, A. et al. (ATLAS Tile Calorimeter system). The Laser calibration of the ATLAS Tile Calorimeter during the LHC run 1 // JINST. — 2016. —Vol. 11, no. 10. —T10005. —DOI: 10.1088/1748-0221/11/10/T10005. — arXiv: 1608.02791 [physics.ins-det].

18. Соловьянов, О. В. Система калибровки и мониторирования сцинтилля-ционного адронного калориметра установки ATLAS радиоактивными источниками : дис. на соиск. учен. степ. канд. физ.-мат. наук : 01.04.23. / Соловьянов Олег Владимирович. — Протвино : ГНЦ КИ-ИФВЭ, 2015. — 126 с. — URL: http://www.ihep.su/files/solovyanov_thesis.pdf (дата обр. 05.05.2025).

19. Brun, R. and Rademakers, F. ROOT — An object oriented data analysis framework // Nucl. Instrum. Meth. A. —1997. — Vol. 389, no. 1/2. — P. 81—86. — DOI: 10.1016/s0168-9002(97)00048-x.

20. TileCal Unified Calibration Software [Electronic Resource]. — URL: https:// twiki.cern.ch/twiki/bin/view/Atlas/TileCalibrationTucs (visited on 05/05/2025).

21. Brun, R. et al. GEANT3 // CERN-DD-EE-84-1. — 1987. — URL: https://cds. cern.ch/record/1119728 (visited on 05/05/2025).

22. Moyal, J. E. Theory of ionization fluctuations // Phil. Mag. Ser. 7. — 1955. — Vol. 46, no. 374. — P. 263—280. — DOI: 10.1080/14786440308521076.

23. Navas, S. et al. (Particle Data Group). // Phys. Rev. D. — 2024. — Vol. 110, no. 3. — P. 030001. — DOI: 10.1103/PhysRevD.110.030001.

24. Adragna, P.,.., Solodkov, A. et al. Testbeam studies of production modules of the ATLAS Tile Calorimeter // NIM A. — 2009. — Vol. 606. — P. 362—394. — DOI: 10.1016/j.nima.2009.04.009.

25. Agostinelli, S. et al. (GEANT4 Collaboration). Geant4 - a simulation toolkit // Nucl. Instrum. Meth. A. — 2003. — Vol. 506. — P. 250—303. — DOI: 10.1016/ S0168-9002(03)01368-8.

26. ATLAS Collaboration. ATLAS high-level trigger, data-acquisition and controls : Technical Design Report// ATLAS-TDR-16; CERN-LHCC-2003-022. — 2003. — July. — URL: https://cds.cern.ch/record/616089 (visited on 05/05/2025).

27. Bee, C. P. et al. The raw event format in the ATLAS Trigger & DAQ // ATL-DAQ-98-129 ; ATL-D-ES-0019. — 1998. — Oct. — URL: https://cds.cern.ch/record/ 683741/files/daq-98- 129.pdf (visited on 05/05/2025).

28. van Gemmeren, P. and Malon, D. The event data store and I/O framework for the ATLAS experiment at the Large Hadron Collider // IEEE Int. Conf. on Cluster Computing and Workshops. — 2009. — DOI: 10.1109/CLUSTR.2009.5289147.

29. Smirnov, Yu.,..., Solodkov, A. et al. ATLAS Tile Calorimeter Conditions Database architecture and operations in Run 2 // Proceedings of the CHEP 2019. EPJ Web of Conferences 245, 02006. — 2020. — DOI: 10.1051/epjconf/202024502006.

30. Smirnov, Yu., Solodkov, A. et al. TileCalibWeb Robot tool for ATLAS Calorimeter conditions and calibrations data handling in Run 3 // Proceedings of the CHEP 2023. EPJ Web of Conferences 295, 01052. — 2024. — DOI: 10.1051/ epjconf/202429501052.

31. Fullana, E. et al. Optimal Filtering in the ATLAS Hadronic Tile Calorimeter [Electronic Resource] // technical report, CERN. — 2005. — URL: https://cds. cern.ch/record/816152 (visited on 05/05/2025).

32. Aad, G., ..., Solodkov, A. et al. (ATLAS Collaboration). Operation and performance of the ATLAS Tile Calorimeter in Run 1 // Eur. Phys. J. C. — 2018. — Vol. 78, no. 12. — P. 987. — DOI: 10.1140/epjc/s10052-018-6374-z. — arXiv: 1806.02129 [hep-ex].

33. Solodkov, A. and Tsulaia, V. TileCal Beam Test Simulation Application in the FADS/Goofy Framework (GEANT4). — 2003. — Jan. — URL: https://cds.cern. ch/record/685456 (visited on 05/05/2025).

34. Aad, G.,..., Solodkov, A. et al. (ATLAS Collaboration). The ATLAS Simulation Infrastructure // Eur. Phys. J. C. — 2010. — Vol. 70. — P. 823—874. — DOI: 10. 1140/epjc/s10052-010-1429-9. — arXiv: 1005.4568 [physics.ins-det].

35. Budagov, Yu. A., ..., Solodkov, A. et al. Study of TileCal Sampling Fraction for Improvement of Monte-Carlo Data Reconstruction. — 2006. — June. — URL: https://cds.cern.ch/record/962065 (visited on 05/05/2025).

36. Aad, G.,..., Solodkov, A. et al. (ATLAS Collaboration). Software and computing for Run 3 of the ATLAS experiment at the LHC // Eur. Phys. J. C. — 2025. — Vol. 85, no. 3. — P. 234. — DOI: 10.1140/epjc/s10052-024-13701-w. — arXiv: 2404.06335 [hep-ex].

37. Craun, R.L. and Smith, D.L. Analysis of response data for several organic scintillators // Nucl. Instrum. Meth. — 1970. — Vol. 80, no. 2. — P. 239—244. — DOI: 10.1016/0029-554X(70)90768-8.

38. Abdallah, J.,..., Solodkov, A. et al. Study of energy response and resolution of the ATLAS Tile Calorimeter to hadrons of energies from 16 to 30 GeV // Eur. Phys. J. C. — 2021. — Vol. 81, no. 6. — P. 549. — DOI: 10.1140/epjc/s10052-021-09292-5. — arXiv: 2102.04088 [physics.ins-det].

39. Zurbano Fernandez, I. et al. High-Luminosity Large Hadron Collider (HL-LHC): Technical design report. — 2020. — Dec. — DOI: 10.23731/CYRM-2020-0010.

40. Ecker, D. et al. EMCI-EMP: developments and experience with the novel detector control solution // JINST. — 2025. — Vol. 20, no. 01. — P. C01020. — DOI: 10. 1088/1748-0221/20/01/C01020.

41. lpGBT: Low-Power Radiation-Hard Multipurpose High-Speed Transceiver ASIC for High-Energy Physics Experiments // IEEE Trans. Nucl. Sci. — 2025. — Vol. 72, no. 1. — P. 24—37. — DOI: 10.1109/TNS.2024.3506753.

42. Shalanda, N., Solodkov, A. et al. Radioactive source control and electronics for the ATLAS tile calorimeter cesium calibration system // Nucl. Instrum. Meth. A. — 2003. — Vol. 508. — P. 276—286. — DOI: 10.1016/S0168-9002(03)01700-5.

43. Hagiwara, K. and Peccei, R. and Zeppenfeld, D. and Hikasa, K. Probing the weak boson sector in e+e- ^ W+W- // Nucl. Phys. B. — 1987. — Vol. 282. — P. 253—307. — DOI: 10.1016/0550-3213(87)90685-7.

44. Frixione, S. and Webber, B. R. Matching NLO QCD computations and parton shower simulations // JHEP. — 2002. — Vol. 06. — P. 029. — DOI: 10.1088/11266708/2002/06/029. — arXiv: hep-ph/0204244 [hep-ph].

45. Corcella, G. et al. HERWIG 6.5: an event generator for Hadron Emission Reactions With Interfering Gluons (including supersymmetric processes) // JHEP. — 2001. — Vol. 01. — P. 010. — DOI: 10.1088/1126-6708/2002/06/029. — arXiv: hep-ph/0011363 [hep-ph].

46. Butterworth, J. M. et al. Multiparton interactions in photoproduction at HERA // Z. Phys. C. — 1996. — Vol. 72. — P. 637—646. — DOI: 10.1007/s002880050286. — arXiv: hep-ph/9601371 [hep-ph].

47. Sjostrand, T. et al. PYTHIA 6.4 Physics and Manual // JHEP. — 2006. — Vol. 05. — P. 026. — DOI: 10.1088/1126-6708/2006/05/026. — arXiv: hep-ph/0603175 [hep-ph].

48. Mangano, M. L. et al. ALPGEN, a generator for hard multiparton processes in hadronic collisions // JHEP. — 2003. — Vol. 07. — P. 001. — DOI: 10.1088/11266708/2003/07/001. — arXiv: hep-ph/0206293 [hep-ph].

49. Kersevan, B. P. and Richter-Was, E. The Monte Carlo Event Generator AcerMC 2.0 with Interfaces to PYTHIA 6.2 and HERWIG 6.5 // Comput. Phys. Commun. — 2013. — Vol. 184. — P. 919—985. — DOI: 10.1016/j.cpc.2012.10.032. — arXiv: hep-ph/0405247 [hep-ph].

50. Campbell, J. M. and Ellis, R. K. An update on vector boson pair production at hadron colliders // Phys. Rev. D. — 1999. — Vol. 60. — P. 113006. — DOI: 10. 1103/PhysRevD.60.113006. — arXiv: hep-ph/9905386 [hep-ph].

51. Aad, G, ..., Solodkov, A. et al. (ATLAS Collaboration). Electron reconstruction and identification efficiency measurements with the ATLAS detector using the 2011 LHC proton-proton collision data // Eur. Phys. J. C. — 2014. — Vol. 74, no. 7. — P. 2941. — DOI: 10.1140/epjc/s10052-014-2941-0. — arXiv: 1404.2240 [hep-ex].

52. Cacciari, M. and Salam, G.P. and Soyez, G. The anti-kt jet clustering algorithm // JHEP. — 2008. — Vol. 04. — P. 063. — DOI: 10.1088/1126-6708/2008/04/063. — arXiv: 0802.1189 [hep-ph].

53. Gleisberg, T. et al. Event generation with SHERPA 1.1 // JHEP. — 2009. — Vol. 02. — P. 007. — DOI: 10.1088/1126-6708/2009/02/007. — arXiv: 0811.4622 [hep-ph].

54. Gounaris, G. et al. Triple gauge boson couplings. — 1996. — Jan. — arXiv: hep-ph/9601233 [hep-ph].

55. Hagiwara, K. and Ishihara, S. and Szalapski, R., and Zeppenfeld, D. Low energy effects of new interactions in the electroweak boson sector // Phys. Rev. D. — 1993. — Vol. 48. — P. 2182—2203. — DOI: 10.1103/PhysRevD.48.2182.

56. Degrande, C. et al. Effective Field Theory: A Modern Approach to Anomalous Couplings // Annals Phys. — 2013. — Vol. 335. — P. 21—32. — DOI: 10.1016/j. aop.2013.04.016. — arXiv: 1205.4231 [hep-ph].

Список рисунков

1.1 Ускорительный комплекс CERN по состоянию на 2022 год........14

1.2 Установка ATLAS..............................15

1.3 Калориметры установки ATLAS......................16

1.4 Схематичный вид одного модуля калориметра и организация светосбора с индивидуальных сцинтилляционных пластин.......17

1.5 Разбиение калориметра TileCal на ячейки. Изображена половина

Long Barrel модуля и один Extended Barrel модуль............18

1.6 Регистрация сигнала в TileCal........................19

1.7 Калибровочные системы TileCal......................20

2.1 Принцип работы Цезиевой калибровочной системы...........22

2.2 Отклик ФЭУ в отсчетах АЦП из трех разных ячеек калориметра как функция номера события. События записываются с частотой 90 Гц. . . 23

2.3 (а) Сигнал в двух каналах одной ячейки в отсчетах АЦП при движении капсулы через нее. (б) Величина пьедестала для каналов из рисунка (а). ................................. 26

2.4 (а) Схематический вид утечки сигнала в соседний ряд тайлов при движении капсулы в трубке на расстоянии 15 мм от края тайла. (б) Сигнал в двух каналах одной ячейки из слоя BC в отсчетах АЦП при движении капсулы по ряду номер 6.....................27

2.5 Результаты амплитудного метода для одной ячейки............29

2.6 Вычисление сигнала интегральным методом................30

2.7 (а) Сигнал в ячейке С10, находящейся на границе EB модуля. (б)

Сигнал в ячейке D4, находящейся на границе EB модуля.........32

2.8 (а) Параметр утечки амплитудного метода для разных размеров тайлов, измеренный во время сборки модулей. (б) Параметр утечки амплитудного метода для разных размеров тайлов, вычисленный на основе данных после установки TileCal в шахте ATLAS.........33

2.9 Распределение отклика разных ФЭУ калориметра непосредственно после эквилизации и по окончании одного периода работы эксперимента: (а) 2009-2012 гг., (б) 2015-2018 гг. ............37

2.10 (а) Изменение сигнала во время цезиевых сканов со временем для трех слоев калориметра. В качестве ошибки указана ширина распределения. (б) Отклонение от ожидаемого сигнала в процентах

для трех слоев калориметра.........................41

2.11 (а) Максимальное изменение сигнала в разных ячейках калориметра в течение Run 1. (б) Максимальное изменение сигнала в разных ячейках калориметра в течение Run 2...................42

3.1 Схема расположения модулей прототипа калориметра TileCal на тестовом пучке ускорителя SPS (CERN) в 1993-1995 годах. S1, S2 и S3 — пучковые сцинтилляторы, используемые в триггере, BC1 и BC2

— проволочные камеры для определения координат частиц.......44

3.2 Количество фотоэлектронов на ГэВ как функция номера тайла для трех разных прототипов калориметра TileCal, собранных в 1993, 1994

и 1995 годах. Размер тайла увеличивается с номером тайла от 1 до 18. 47

3.3 Реконструкция сигнала для мюонов с энергией 150 ГэВ, падающих на прототип ТПеСа1 под углом 6тв = 10°. Полная энергия в калориметре толщиной ~ 9Л (а) и энергия в первом слое толщиной ~ 1.5Л (Ь). Круглые маркеры соответствуют данным, сплошные и пунктирные линии — результатам моделирования с учетом и без учета флуктуаций из-за электронного шума и фотостатистики. Также для сравнения изображена ширина распределения для пьедестального события...........................48

3.4 Реконструкция сигнала для мюонов с энергией 150 ГэВ, падающих на прототип ТПеСа1 под углом 6тв = 10°. Полная энергия в калориметре толщиной ~ 9Л (а) и энергия в первом слое толщиной ~ 1.5Л (Ь). Представлены результаты измерений для трех прототипов с различными уровнем световыхода — 24, 48 и 64 фэ/ГэВ. Сплошная линия — результат фита функцией Мойала для модуля калориметра с наибольшим световыходом. ........................ 48

3.5 Однородность прототипа ТйеСа1 по оси Z при облучении мюонами с энергией 180 ГэВ под углом 6тв = 10°. а) Наиболее вероятное значение мюонного сигнала, нормированное на среднее значение как функция координаты Z. Ь) Распределение для мюонного сигнала, нормированное на среднее значение. ................. 50

3.6 Однородность прототипа ТПеСа1 по направлению ф. а) Наиболее вероятное значение мюонного сигнала, нормированное на величину сигнала в центре модуля 3 как функция расстояния до границы между модулями 3 и 4. Разными маркерами изображены значения для

модулей 3, 4 и суммы двух модулей. Ь) Распределение для суммарного мюонного сигнала, нормированное на величину сигнала в центре модуля 3...............................50

3.7 Среднее обрезанное значение и наиболее вероятное значение потерь энергии мюона в калориметре в зависимости от энергии при облучении пучком мюонов под углом втв = 10°. Закрашенные маркеры — данные, пустые маркеры — результаты моделирования, нормированные на данные при энергии 50 ГэВ..............51

3.8 Отношение е/тгр и е/ц для прототипов модулей ТПеСа1 как функция энергии мюона. е/тгр приведены для пикового и среднего значения энергии. ............................ 51

3.9 Результаты моделирования для энерговыделения в железном поглотителе как функция энерговыделения в сцинтилляторе. Представлены результаты моделирования для 4 значений энергии мюонного пучка. .............................. 56

3.10 Разница в энерговыделении в железном поглотителе и в сцинтилляторе после поправки на соответствующие величины сэмплирующих долей. Представлены результаты моделирования для

4 значений энергии мюонного пучка....................56

3.11 Ширина распределения, определенного на рисунке 3.10, в зависимости от энергии мюона: а) величина а в МэВ, Ь) относительная ширина а/Ец в %. Закрашенные маркеры получены при использовании полной длины калориметра 80.5 Х0, пустые маркеры получены при использовании 2/3 от длины калориметра. Звездочками обозначены величины ам — результат фитирования

функцией Мойала спектра потерь мюона в калориметре.........57

3.12 Результаты моделирования для энерговыделения в железном

поглотителе как функция энерговыделения в сцинтилляторе для энергий мюона в диапазоне от 5 до 300 ГэВ. Линией изображены результаты аппроксимации для энергии мюона 300 ГэВ.........57

3.13 Ожидаемое энергетическое распределение для мюонов с энергией 50 ГэВ после прохождения через прототип калориметра TileCal с использованием различных методов реконструкции потерь энергии в калориметре. Метод 1 добавляет в каждом событии наиболее вероятное значение (2.4 ГэВ) a) до энергетического размытия, b) после размытия, обусловленного множественным рассеянием и точностью измерения в Мюонном Спектрометре. Метод 2 реконструирует потери энергии в каждом событии с) до энергетического размытия, d) после размытия. Метод 3 — комбинация методов 1 и 2, метод 1 используется для событий с энерговыделением в сцинтилляторе менее 80 МэВ и метод 2 в противном случае e) до энергетического размытия, f) после размытия. 59

4.1 Модули TileCal, установленные на сканирующую платформу на тестовом пучке. Стрелками показаны различные направления пучка, используемые при наборе данных.....................64

4.2 Внешний вид веб-интерфейса для занесения калибровочных констант подсистемы TileCal в базу данных ATLAS, используемую

при реконструкции данных.........................67

4.3 а) Пример сигнала, полученного в одном регистрирующем канале калориметра TileCal на тестовом пучке и результаты фитирования с использованием ожидаемой формы сигнала. Для сравнения с методом «плоского фильтра» пять измерений сигнала, дающих максимальную сумму, выделены штриховкой. б) Форма сигнала для каналов АЦП с низким и высоким коэффициентом усиления, полученная с помощью измерений на тестовом пучке. ......... 69

4.4 а) Периодическая структура модуля TileCal в программе моделирования. Голубым цветом изображены сцинтилляционные пластины. б) Зависимость отношения длины пути в поглотителе к длине пути в сцинтилляторе Pathiron/Pathscin от псевдобыстроты п для первого слоя калориметра, состоящего из трех рядов сцинтилляторов................................74

4.5 Величина сэмплирующей доли для электронов с энергией 20 ГэВ в зависимости от Z-координаты пучка. Моделирование было выполнено с использованием GEANT4.8.3 и физического листа QGSP+Bertini для 4 разных положений калориметра, соответствующих величинам псевдобыстроты а) п = 0.02, Ь)

П = 0.09, с) п = 0.18, d) п = 0.36. Линии соответствуют

фитированию синусоидальной функцией. ................ 76

4.6 а) Величина инвертированной сэмплирующей доли (1/SF) в зависимости от угла падения пучка на переднюю поверхность модуля калориметра. Расчеты выполнены с использованием GEANT4.10.1. б) Величина инвертированной сэмплирующей доли (1/SF), рассчитанная для каждой ячейки калориметра ТПеСа1 в зависимости от значения п центра ячейки. Расчеты выполнены с использованием GEANT4.10.6 и используются при Монте-Карло моделировании для

Run 3......................................78

4.7 а) суммарный отклик в калориметре в пКл, деленный на энергию пучка в ГэВ, для пучков электронов, падающих под углом 20° (Среднее значение 1.05 ± 0.003 пКл/ГэВ, ширина распределения ЯМБ/Меаи = 2.4%). б) Зависимость суммарного отклика калориметра от координаты Z для ячейки с п = 0.65. Сплошной

линией изображен результат фитирования синусоидальной функцией. 80

4.8 Полное энерговыделение для мюона, проходящего через модуль калориметра под углом 90°, поделенное на длину активной части модуля (560 см для LB модуля и 255.5 см для ЕВ модуля). а) Результаты для LB модуля. б) Результаты для ЕВ модуля. Пунктирные линии указывают границы радиальных слоев калориметра (А, ВС и D для LB модуля и А, В, D для ЕВ модуля). ... 82

5.1 Планируемая на 2030 год схема размещения электронных модулей Цезиевой калибровочной системы на четырех торцевых плоскостях детектора ТйеСа1, а также в специальной стойке с каркасами 3и рядом с детектором (помечено как зона иХ15). Зона ША15 — место размещения электроники на удалении 100 метров от детектора. Красными штрих-пунктирными линиями обозначены оптические линии передачи данных, синими пунктирными — линии питания +12В. Оптические линии объединяются на детекторе и приходят в ША15 в виде девяти волоконно-оптических сборок с разъемом МРО-24....................................88

5.2 Принципиальная схема одного канала платы би^Ш. Периодический сигнал из колебательного контура преобразуется в цифровой сигнал с помощью компаратора LM339, а затем в дифференциальный LVDS сигнал с помощью LVDS передатчика CRT900 и передается на вход

5.5 Зависимость напряжения, измеряемого АЦП, от времени во время SEE теста. Синяя линия — подаваемое напряжение (смещено для наглядности). Оранжевая линия — измеряемое напряжение. (а) Детальное представление сигнала в окне длиной 3.5 сек. (б) Сигнал за продолжительный период времени. На таком графике не видно точных значений измеряемой величины, но видно изменение формы огибающей во время облучения.......................95

5.6 График состояния высокого напряжения на плате 6U-GAR во время SEE теста в апреле 2023 г. Оранжевая линия — сигнал на включение высокого напряжения. Синяя линия — признак наличия требуемого высокого напряжения (смещено для наглядности). (а) Сигналы за короткий промежуток времени непосредственно перед тем, как высокое напряжение перестало выдаваться. (б) Сигналы в начале и в конце всего теста. Показаны первые 4000 секунд и последние 4000 секунд теста. Разрыв в нуле сделан для наглядности...........95

EMCI.

89 89 91

5.3 Логика работы измерителя частоты сигнала в ЕМР.

5.4 Логика взаимодействия ЕМР и 3и-СС.......

5.7 (а) График состояния высокого напряжения на плате 6U-GAR во время SEE теста в ноябре 2023 г. Оранжевая линия — сигнал на включение высокого напряжения. Синяя линия — признак наличия требуемого высокого напряжения. (б) Частота, измеренная в одном канале платы 6U-SIN во время SEE теста. Одиночные провалы — артефакты измерения (недостаточное быстродействие Raspberry Pi). Снижение частоты на длительное время — реальный эффект, вызванный облучением компонентов платы в данный момент времени. 96

5.8 (а) Пример максимального изменения напряжения, выдаваемого регулятором LM2937 во время TID теста. Весь диапазон измерений соответствует дозе облучения 365 Гр. (б) Частота в одном из каналов 6U-SIN во время TID теста. Выброс на 30 день вызван нестабильностью питания (просадка напряжения 220В и напряжения питания 6U-SIN)...............................96

5.9 (а) Тестовый стенд для тестирования 6U-GAR, 6U-SIN и 6U-ADC модулей. (б) Температура микросхемы LpGBT на каждой из тестируемых плат...............................97

6.1 Схема отбора событий и анализа процесса WV ^ Ivjj.........100

6.2 Распределения инвариантной массы двухструйной системы для (а) электронного и (б) мюонного каналов до проведения фита методом правдоподобия. Маркерами изображены реальные данные со статистическими ошибками, заполненные гистограммы — предсказания Стандартной Модели. На нижней панели отображено отношение данных к Монте-Карло. Полоса систематических неопределенностей включает только те систематические погрешности, которые влияют на форму распределений фоновых процессов и сигнала.............................108

6.3 Номинальные шаблоны для реконструированной инвариантной массы двухструйной системы для (а) электронного и (б) мюонного каналов. Шаблоны для процессов WW/WZ, W/Z+струи и топ-кварков (включая рождение одиночного топ-кварка) получены из моделирования Монте-Карло, в то время как шаблон для многоструйного фона получен с использованием метода, основанного на данных (data-driven метод). Все шаблоны нормированы на единичную площадь...................109

6.4 (а) Распределения инвариантной массы двухструйной системы для суммы электронного и мюонного каналов после фита методом правдоподобия. Маркерами изображены данные со статистическими ошибками, а заполненные гистограммы — вклады сигнала и фона. Нормировки и формы гистограмм получены из наилучшего фита к данным после вариаций в пределах их систематических неопределенностей. На нижней панели отображено отношение данных к общему результату фита, включающему как сигнал, так и фон. Заштрихованная полоса показывает систематическую неопределенность на сумму фитированных сигнала и фона. (б) Распределение данных после вычитания фона для суммы электронного и мюонного каналов. Для данных указаны статистические ошибки. Наложенная гистограмма показывает фитированный сигнал, а заштрихованная полоса — систематическую неопределенность на фон после профилирования параметров неопределенности. ............................. 115

6.5 Наблюдаемое распределение поперечного импульса системы двух струй в сравнении с ожиданием для сигнала СМ плюс фон для (а) электронного канала и (б) мюонного канала. Маркерами изображены реальные данные со статистическими ошибками, заполненные гистограммы — предсказания для фона и сигнала, как описано в легенде. Для сравнения поверх предсказаний СМ показан эффект aTGC с параметрами Лг = Лт = 0.05 (белая гистограмма). Крайний правый бин включает переполнение. На нижних панелях отображено отношение данных к предсказанию СМ с наложенной систематической неопределенностью на форму распределения pTjj. Бинирование на графиках соответствует тому, которое используется для вычисления пределов. Красная вертикальная линия указывает, что отбор событий различается для pTjj < 250 ГэВ и pTjj > 250 ГэВ,

как описано в разделе 6.3..........................118

6.6 Сравнение пределов на параметры аномальных тройных калибровочных связей (aTGC), полученных в данном анализе, с пределами, приведенными другими экспериментами и/или в различных каналах..............................121

6.7 Отношения измеренных опорных сечений к сечениям, предсказанным MC@NLO, для фазовых объемов WV ® Ivjj и WV ® IvJ. Фазовые объемы WV ® Ivjj и WV ® IvJ частично перекрываются................................123

6.8 (а) Наблюдаемое распределение pT (jj) в сигнальной области aTGC для канала WV ® Ivjj и (б) распределение pT (J) в сигнальной области aTGC для канала WV ® IvJ с наложенными предсказаниями для фона и сигнала. Также показаны ожидаемые увеличения сигнала за счет Новой физики, вызванные аномальными значениями параметра EFT cwww/Л2: для cwww/Л2 = 4 ТэВ"2 и cwww/Л2 = 8 ТэВ"2. Заштрихованные полосы обозначают систематическую неопределенность в предсказании Стандартной Модели. Гистограммы отображены с бинированием, которое используется для вычисления доверительных интервалов для параметров aTGC и EFT. Последний бин включает переполнение. . . . 124

Список таблиц

1 Характеристики адронных калориметров разных экспериментов. ... 8

2 Параметры амплитудного метода, использовавшиеся в 2000-2004 гг., и результат интегрирования функции фитирования для всех размеров тайлов.....................................34

3 Отношение реконструированной амплитуды в амплитудном методе к значению интеграла в интегральном методе, нормированное на отношение в слое А, во время измерений на тестовом пучке в 2000-2004 гг. ................................ 35

4 Отношения е/ ц, е/тгр и мюонная сэмплирующая доля для разных значений энергии мюонного пучка, рассчитанные для пучка под углом втв = 10°. Для е/тгр приведены значения для наиболее вероятного и среднего значения.......................53

5 Точность реконструкции энерговыделения мюона в калориметре (а в МэВ и процентах от энергии пучка). В 5-й колонке для сравнения приведено значение ам фита Мойала для истинного полного энерговыделения в калориметре. Часть а) приведена для всего калориметра, часть б) рассчитана с использованием информации из первых трех слоев калориметра из четырех (67% от полной длины калориметра), при этом полное истинное энерговыделение рассчитывается по всем слоям. ...................... 60

6 Ожидаемое разрешение по импульсу мюона и доля событий в низкоэнергетичном хвосте распределения за пределами 3 а для 20, 50 и 300 ГэВ мюонов после прохождения через прототип ТйеСа1. Результаты учитывают многократное рассеяние и точность измерений в Мюонном Спектрометре. Три различных метода использовались для оценки потерь энергии в калориметре. Метод 1 использует наиболее вероятное значение потерь энергии в калориметре. Метод 2 вычисляет потерю энергии в калориметре в каждом событии. Метод 3 использует комбинацию из двух первых методов — метод 1 для энерговыделения в сцинтилляторе не более

80 МэВ и метод 2 в противном случае...................61

7 Значение инвертированной сэмплирующей доли (1/SF) для TileCal, вычисленной с использованием различных версий пакета GEANT4. . . 77

8 Поправочные коэффициенты к величине калибровочной константы электромагнитной шкалы для второго и третьего слоев калориметра, а также для специальных ячеек B9, C10, D4, вычисленные на основе мюонных данных. Указаны также статистические ошибки........83

9 Коэффициенты электромагнитной шкалы калориметра TileCal, применяемые при реконструкции данных в эксперименте ATLAS. ... 83

10 Дозы облучения для электронных компонентов, используемых в модулях Цезиевой калибровочной системы................92

11 Общее число событий в данных и ожидаемое количество событий для каждого процесса в электронном (e) и мюонном ( ц) каналах. Число событий для много струйного фона и процессов W/Z+струи получены из фита распределения по ETpiss. Неопределенности для ожидаемых выходов сигнала основаны на соответствующих неопределенностях сечения, в то время как для много струйного фона

и других фоновых процессов неопределенности соответствуют общей неопределенности для количества событий (полной неопределенности нормировки).......................107

12 Статистические и систематические неопределенности (в %) для измеренных опорного и полного сечений. Неопределенности разделены в соответствии с тем, на какую величину они влияют

(NWV, Dfid, Dtot, L).............................113

13 Наблюдаемые и ожидаемые 95% доверительные интервалы для

параметров aTGC в сценарии с ограничением LEP и без применения форм-фактора. Доверительные интервалы для каждого параметра рассчитываются при фиксации остальных параметров в нуле.

Приведены результаты анализа при энергии в СЦМ 7 ТэВ........119

14 Наблюдаемые и ожидаемые 95% доверительные интервалы для

параметров aTGC, не подверженных каким-либо ограничениям, без применения форм-фактора. Доверительные интервалы для каждого параметра рассчитываются при фиксации остальных параметров в нуле. Приведены результаты анализа при энергии в СЦМ 7 ТэВ.....119

15 Наблюдаемые и ожидаемые 95% доверительные интервалы для параметров EFT. Доверительные интервалы для каждого параметра рассчитываются при фиксации остальных параметров в нуле. Приведены результаты анализа при энергии в СЦМ 7 ТэВ........120

16 Наблюдаемые и ожидаемые 95% доверительные интервалы для параметров aTGC в сценарии без ограничения LEP. Доверительные интервалы вычислены отдельно для каналов WV ® Ivjj и

WV ® IvJ и приведены для двух значений форм-фактора AFF = 5 ТэВ и AFF = го. Доверительные интервалы для каждого параметра рассчитываются при фиксации остальных параметров в нуле. Приведены результаты анализа при энергии в СЦМ 8 ТэВ.....125

17 Наблюдаемые и ожидаемые 95% доверительные интервалы для параметров aTGC в сценарии с ограничением LEP и AFF = оо, вычисленные отдельно для каналов WV ® Ivjj и WV ® IvJ. Доверительные интервалы для каждого параметра рассчитываются при фиксации остальных параметров в нуле. Приведены результаты анализа при энергии в СЦМ 8 ТэВ.....................126

18 Наблюдаемые и ожидаемые 95% доверительные интервалы для параметров EFT, вычисленные отдельно для каналов WV ® Ivjj и WV ® IvJ. Значения параметров приведены в единицах ТэВ"2. Доверительные интервалы для каждого параметра рассчитываются при фиксации остальных параметров в нуле. Приведены результаты анализа при энергии в СЦМ 8 ТэВ.....................126