Методы построения и реализации систем отбора событий по характерным параметрам пар частиц в конечном состоянии в экспериментах в ГэВ-ной области энергий тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.01, доктор физико-математических наук Куликов, Анатолий Владимирович

• Куликов, Анатолий Владимирович
• доктор физико-математических наук
• 2007

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы построения и реализации систем отбора событий по характерным параметрам пар частиц в конечном состоянии в экспериментах в ГэВ-ной области энергий»

Проведение исследований в области физики частиц и ядерной физики на ускорителях требует высокоэффективной организации и оптимального взаимодействия всех компонент экспериментальной установки. В состав любой установки входят детекторы для регистрации частиц, система отбора событий в реальном времени, или триггерная система, и аппаратура сбора данных, обеспечивающая передачу и запись отобранной информации в память компьютера для последующего анализа. Все эти системы должны работать согласованно, обеспечивая высокую скорость приема данных при максимальной эффективности регистрации событий изучаемой реакции.

Задачей триггерной системы в эксперименте является выделение событий исследуемого процесса среди большого потока информации с детекторов и управление системой сбора данных, которая осуществляет передачу и накопление отобранной полезной информации. При изучении редких процессов создание эффективной системы отбора событий становится особенно актуальным. В условиях, когда общая частота взаимодействий на много порядков величины превосходит скорость генерации событий исследуемой реакции, необходимо максимальным образом подавить регистрацию всех процессов, не связанных с поставленной физической задачей. Пропускная способность системы сбора данных всегда ограничена по аппаратным и программным причинам, поэтому триггерная система должна снизить поток информации до уровня, на котором возможные потери из-за возникающего мертвого времени будут невелики.

Широкий класс исследований выполняется на ускорителях с энергиями пучков в диапазоне 1-20 ГэВ. При таких энергиях типичными являются эксперименты среднего масштаба. Заметим, что слово "средний" ни в коей мере не относится к физической значимости проводимых опытов, а лишь характеризует масштаб экспериментальной установки и количество участников эксперимента.

Диссертация посвящена вопросам создания триггерных систем для трех экспериментов среднего масштаба: ДИРАК в ЦЕРН, ANKE в Исследовательском центре Юлих (Германия) и PAX в GSI (Германия). Физические цели этих экспериментов существенно различаются, однако в отношении отбора событий они имеют общую черту: в конечном состоянии регистрируются две частицы с характерными параметрами, по которым при эффективно организованной триггерной системе можно выделить полезные события на высоком уровне фона.

К началу исследований, изложенных в настоящей работе, триггерных систем для экспериментов ДИРАК и ANKE не существовало, а сами установки находились в стадии проектирования. Для эксперимента ДИРАК предстояло создать компьютерно-управляемую многоуровневую триггер-ную систему для отбора пионных пар с малыми относительными импульсами в условиях больших фоновых загрузок, аналогов которой не было известно. Требовалось также реализовать логику считывания данных, обеспечивающую минимальные потери из-за мертвого времени и разработать методы их измерения. Для спектрометра ANKE, на котором выполняется широкий спектр исследований, необходимо было создать триггерную систему переднего детектора для отбора протонных пар с малой относительной энергией, удовлетворяющую также требованиям экспериментов и с другими конечными состояниями. Для проекта PAX, недавно предложенного для реализации на новом ускорительном комплексе в GSI, не существовало каких-либо оценок триггерных возможностей. Основной физический процесс в этом эксперименте включает образование электрон-позитронной пары с большой инвариантной массой.

В первой главе диссертации обсуждаются общие методы, используемые при построении систем отбора событий в реальном времени. Во второй главе описываются созданные системы многоуровневого триггера и сбора данных для эксперимента ДИРАК в ЦЕРН, а также представлены его результаты. Третья глава посвящена триггерной системе установки ANKE на ускорителе COSY в Юлихе и полученным физическим результатам. В последней, четвертой главе диссертации анализируются вопросы, связанные с проектированием триггерной системы для планируемого эксперимента PAX на новом ускорительном комплексе в GSI.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы экспериментальной физики», Куликов, Анатолий Владимирович

Заключение.

В ходе проведенных исследований сформировалось новое направление в методике эксперимента, связанное с разработкой и реализацией триггер-ных систем для изучения процессов в ГэВ-ной области энергий с отбором событий по характерным параметрам пар частиц в конечном состоянии. Результатом работы является создание систем отбора событий и получение с их применением новых физических результатов, в том числе:

• Создана многоуровневая триггерная система, в которой впервые используется отбор пар частиц по величине их малого относительного импульса. Система, включающая триггер первого уровня и аппаратные процессоры на более высоких уровнях, реализована в эксперименте ДИРАК в ЦЕРН и обеспечила подавление фоновых запусков в 103 раз при эффективности к полезным событиям 98%.

• Разработаны и реализованы методы компьютерного управления триг-герной системой, позволившие полностью исключить ручные операции при задании или изменении триггерных условий. Разработаны и реализованы методы контроля за функционированием триггерной системы на всех уровнях, что позволило диагностировать любые отклонения в качестве принимаемой информации.

• Разработана и реализована логика считывания данных, оптимизированная для уменьшения мертвого времени. Разработан и применен новый метод измерения потерь из-за мертвого времени электроники, позволяющий учесть все его источники.

С применением созданной триггерной системы впервые измерено время жизни атомов, состоящих из 7Г+ и 7Г~ мезонов, г = [2.91 i°f2] х Ю-15 с, и, как следствие, новым модельно-независимым способом определена разность пионных длин рассеяния а0 - а21 = 0,264+oS то"1 ■

Создана система отбора событий в переднем детекторе ANKE, обеспечившая выполнение большинства экспериментов на этой установке. Разработан топологически-независимый отбор пар заряженных частиц для изучения процессов, сопровождающихся испусканием протонной пары (pp)s с малой относительной энергией, позволивший в несколько раз увеличить скорость набора полезных событий.

С применением триггерной системы переднего детектора ANKE впервые измерена энергетическая зависимость сечения развала дейтрона pd —> (pp)sn в диапазоне 0.6-1.9 ГэВ и впервые получено дифференциальное сечение однопионного рождения рр —(pp)s7Г° В области, существенно выше пороговой. Эти результаты позволили при теоретическом анализе сделать новые выводы о структуре NN взаимодействия на коротких расстояниях и динамике пионного рождения.

Для планируемого эксперимента PAX в GSI впервые выполнен анализ использования различных детекторов установки в триггерном отборе, состоящем в выделении электрон-позитронных пар с большой инвариантной массой на высоком уровне фона, и предложена двухуровневая архитектура триггерной системы с применением аппаратных и вычислительных процессоров.

Диссертация основана на работах, опубликованных в реферируемых журналах [1, 5, 6, 29-31, 34, 47, 49, 55, 59,60, 90, 98], а также в материалах конференций, препринтах и других работах [4,32,33,35,36,40,46,48,54,62, 82,95,97].

Работы, вошедшие в диссертацию, докладывались автором на семинарах Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ, Института ядерной физики Исследовательского центра Юлих, совещаниях международных коллабо-раций ДИРАК, ANKE, PAX, 6-ой Международной конференции "Nuclear Physics at Storage Rings" STORI05 (Бонн, 2005) Международном совещании "Spin in Hadron Physics" (Тбилиси, 2006), а также были представлены на ряде других международных конференций ((STORI02, Уппсала, 2002; HadAtom03, Трент, 2003; HadAtom05, Берн, 2005; HADRON05, Рио де Жанейро, 2005; ІСНЕР2006, Москва, 2006).

Автор считает своим приятным долгом выразить благодарность многим коллегам, без участия которых данная работа не была бы выполнена, и в особенности:

В.И.Комарову и Л.Л.Неменову, руководителям экспериментов на установках ANKE и ДИРАК, за многочисленные полезные обсуждения в ходе исследований и оказанную поддержку;

Л.Г.Афанасьеву и В.В.Карпухину за исключительно плодотворное сотрудничество при создании триггерной системы эксперимента ДИРАК;

А.Д.Волкову, О.Е.Горчакову, А.В.Дудареву, С.Н.Дымову, М.В.Жабицко-му, Н.И.Журавлеву, А.К.Качарава, В.В.Круглову, Л.Ю.Кругловой, А.В.Купцову, В.С.Курбатову, Г.Г.Мачарашвили, С.И.Мерзлякову, М.В.Никитину, В.Г.Ольшевскому, С.В.Трусову, В.В.Язькову, С.В.Ященко, совместно с которыми были выполнены многие работы и подготовлены публикации.

Автор благодарен также: всем участникам коллабораций ДИРАК и ANKE за участие в совместных измерениях на пучках ускорителей PS CERN и COSY; директору IKP FZJ Х.Штрёеру за поддержку экспериментов в Юлихе (ФРГ); дирекции Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ за всестороннюю поддержку.

Список литературы диссертационного исследования доктор физико-математических наук Куликов, Анатолий Владимирович, 2007 год

1. А.В.Куликов. Триггерные системы в экспериментах среднего масштаба на ускорителях высоких и промежуточных энергий. ЭЧАЯ, Т.36, №3 (2005) 650-686.

2. Wesley H.Smith. NIM, А4Т8 (2002) 62.

3. E.Frlez et al. NIM, A526 (2004) 300.

4. B.Adeva, ., A.Kulikov et al. Lifetime measurement of 7г+тГ~ atoms to test low energy QCD predictions. CERN/SPSLC 95-1, SPSLC/P284, Geneva 1995.

5. L.Afanasyev, ., A.Kulikov et al. The multilevel trigger system of the DIRAC experiment. NIM, A491 (2002) 376-389.

6. S.Barsov, ., A.Kulikov et al. ANKE, a new facility for medium energy hadron physics at COSY-Jülich. NIM, A462 (2001) 364-381.

7. M.Adinolfi et al. NIM, A461 (2001) 465. M.Adinolfi et al. NIM, A492 (2002) 134.

8. R.Arcidiacono R. NIM, A443 (2000) 20.

9. F.Balestra F. et al. NIM, A426 (1999) 385.

10. C.Garabatos C. et al. Nucl. Phys., B61 (Proc. Suppl.) (1998) 607.

11. B.Ananthanarayan, G.Colangelo, J.Gasser, H.Leutwyler. Phys. Rep. 353 (2001) 207-279.

12. S. Weinberg, Physica A96 (1979) 327;

13. J. Gasser and H. Leutwyler, Phys.Lett. B125 (1983) 325; J. Gasser and H. Leutwyler, Nucl.Phys. B250 (1985) 465; J. Gasser and H. Leutwyler, Nucl.Phys. B250 (1985) 517; J. Gasser and H. Leutwyler, Nucl.Phys. B250 (1985) 539.13