авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |
-- [ Страница 1 ] --

Федеральное Государственное Унитарное Предприятие

Государственный Научный Центр Российской Федерации

Институт Теоретической и Экспериментальной Физики

им. А. И.

Алиханова

на правах рукописи

Мачихильян Ирина Владимировна

Электромагнитный калориметр эксперимента

HERA-B

Специальность 01.04.23 - физика высоких энергий

Диссертация на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук

Научный руководитель кандидат физ.-мат. наук Егорычев В. Ю.

МОСКВА 2009 2 ОГЛАВЛЕНИЕ Стр.

Введение ГЛАВА 1. Рождение 0 – и –мезонов при больших поперечных импульсах 1.1. Квантовая Хромодинамика и описание взаимодействий адронов при больших поперечных импульсах................. 1.2. Механизмы рождения 0 – и –мезонов с большим поперечным импульсом................................ 1.3. Краткий обзор экспериментов по изучению рождения 0 – и – мезонов с большим поперечным импульсом............. 1.3.1. Установка E629............................ 1.3.2. Установка WA70............................ 1.3.3. Установка NA24............................ 1.3.4. Установка E706............................ ГЛАВА 2. Установка HERA-B 2.1. Кольцевой ускоритель HERA...................... 2.2. Общая структура HERA-B....................... 2.2.1. Система координат HERA-B..................... 2.3. Мишень.................................. 2.4. Вершинный Детектор.......................... 2.5. Магнит.................................. 2.6. Трековая Система............................ 2.6.1. Внутренний Трекер.......................... 2.6.2. Внешний Трекер............................ 2.6.3. Рабочие характеристики ТС..................... 2.7. Детектор Частиц с Большим Поперечным Импульсом (ДБПИ)... 2.8. Черенковский Детектор......................... 2.9. Электромагнитный Калориметр.................... 2.10. Мюонная Система............................ 2.11. Система Отбора Событий........................ 2.11.1. Общие замечания........................... 2.11.2. Претриггер............................... 2.11.3. Триггер Первого Уровня....................... 2.11.4. Триггер Второго Уровня....................... 2.11.5. Триггер Четвертого Уровня...................... 2.12. Система Сбора Данных......................... ГЛАВА 3. Электромагнитный Калориметр 3.0.1. Задачи детектора и спецификации проекта............. 3.0.2. Общее описание дизайна калориметра............... 3.1. Конструкция модуля........................... 3.1.1. Особенности конструкции модуля Внутренней секции...... 3.1.2. Особенности конструкции модуля Средней / Внешней секций.. 3.1.3. Тестовые процедуры......................... 3.1.4. Измерение световыхода модулей.................. 3.1.5. Пространственная неоднородность световыхода.......... 3.2. Фотоумножители и их источники питания.............. 3.2.1. Фотоумножители........................... 3.2.2. Источник питания фотоумножителя................. 3.2.3. Тестовые процедуры......................... 3.3. Управляющая электроника....................... 3.3.1. Регулировка коэффициента усиления индивидуального канала.



3.3.2. Адресация индивидуального канала................. 3.3.3. Общая структура........................... 3.3.4. Источники напряжений........................ 3.3.5. Программное обеспечение...................... 3.3.6. Эксплуатационные характеристики................. 3.4. Система Мониторирования....................... 3.4.1. Светоизлучающие диоды....................... 3.4.2. Плата–драйвер светодиодов..................... 3.4.3. Общая структура........................... 3.4.4. Источники напряжения........................ 3.4.5. Программное обеспечение...................... 3.4.6. Режим работы............................. 3.4.7. Эксплуатационные характеристики................. 3.5. Считывающая электроника и Электронный Претриггер....... 3.5.1. Регистрирующая электроника.................... 3.5.2. Электронный Претриггер....................... 3.6. Реконструкция данных......................... 3.6.1. Упрощенный алгоритм кластеризации............... 3.6.2. Выбор величин порогов для подавления фонов.......... 3.7. Система Контроля Качества Данных................. 3.8. Калибровочные алгоритмы....................... 3.8.1. Предварительные замечания по используемой терминологии.. 3.8.2. Общая стратегия калибровки в разные периоды набора данных. 3.8.3. Калибровка по величине загрузки.................. 3.8.4. Калибровка по положению пика 0................. 3.8.5. Калибровка по отклику на минимально–ионизирующие частицы и методом сравнения энергии электрона с его импульсом.... 3.9. Энергетическое и пространственное разрешение.......... 3.9.1. Количество вещества между точкой взаимодействия и фронтальной поверхностью калориметра.............. 3.9.2. Ухудшение разрешения по отношению к e+ /e из–за присутствия вещества в области между магнитом и фронтальной плоскостью калориметра....................... 3.9.3. Пространственное разрешение.................... 3.9.4. Энергетическое разрешение...................... ГЛАВА 4. Рождение 0– и –мезонов в протонно–ядерных взаимодействиях в условиях HERA-B 4.1. Образцы данных и условия их набора................. 4.2. Образцы данных для математического моделирования....... 4.2.1. Образцы данных мезон....................... МД 4.2.2. Образцы данных полн........................ МД 4.3. Особенности реконструкции распадов 0 и в условиях HERA-B............................ 4.3.1. Краткое описание метода....................... 4.3.2. Выделение сигнала.......................... 4.3.3. Кинематические переменные и разбиение по интервалам.... 4.3.4. Светимость............................... 4.3.5. Границы применимости метода................... 4.3.6. Точность реконструкции кинематических переменных...... 4.3.7. Отбор кластеров для реконструкции нейтральных мезонов... 4.4. Кривые эффективностей и основные источники потери сигнала.. 4.5. Основные источники систематических ошибок. Устойчивость метода по отношению к вариации критериев отбора фотонных кандидатов................................ 4.5.1. Ошибка в определении светимости................. 4.5.2. Точность настройки и линейность энергетической шкалы.... 4.5.3. Систематические ошибки процедуры реконструкции данных 10МГц и pT............................. 4.5.4. Систематические ошибки процедуры математического моделирования............................. 4.5.5. Сравнение величин сечений, полученных при помощи различных вариантов селекции кластеров............. 4.5.6. Сводные таблицы........................... 4.6. Сечения рождения 0 – и –мезонов.................. 4.6.1. Отношения сечений рождения –мезонов к сечениям рождения 0 –мезонов............................... 4.6.2. Измерение A–зависимости...................... 4.6.3. Сравнение с данными других экспериментов........... Заключение Благодарности Список иллюстраций Список таблиц Список использованных источников ВВЕДЕНИЕ Изучение механизмов рождения нейтральных мезонов с большим поперечным импульсом (pT ) в адрон–адронных взаимодействиях h1 h2 0 X и h1 h2 X интересно, в первую очередь, в свете экспериментальной проверки предсказаний теории возмущений Квантовой Хромодинамики (т.н. Пертурбативная Квантовая Хромодинамика или Пертурбативная КХД).





С точки зрения теоретического аппарата, все необходимые компоненты для вычисления сечений этих процессов известны: борновские сечения элементарных реакций посчитаны вплоть до первого порядка (NLO) теории возмущений [1], структурные функции взаимодействующих партонов измерены в экспериментах по глубоко–неупругому рассеянию [2] – [5], а функции фрагментации известны благодаря изучению процессов e+ e аннигиляции [6] – [8].

С другой стороны, с точки зрения экспериментальных методов, сечения рождения 0 – и –мезонов не являются исчезающе малыми по сравнению с полным сечением адронных взаимодействий, что, при современном уровне развития детекторных технологий, делает возможным накопление значимой статистики исследуемых реакций за разумный промежуток времени.

Тем не менее, до сегодняшнего дня находятся под вопросом как полнота теоретического описания расматриваемого процесса с точностью до второго или третьего приближения теории возмущений КХД, так и совместимость результатов различных экспериментов, таких как E629 [9], WA70 [10, 11], NA24 [12] и, наконец, относительно недавнего E706 [13, 14]. Величины сечений рождения прямых фотонов, опубликованные последним, требуют введения в теоретический аппарат дополнительного поперечного импульса взаимодействующих партонов kT, феноменологически описывающего процесс испускания мягких глюонов внутри ядра. Это улучшает согласие с теорией, но приводит к расхождению нового описания исследуемых процессов с данными других экспериментов. Изучение рождения нейтральных мезонов важно также и в свете этой проблемы, поскольку фотоны от распадов 0 – и –мезонов являются основным источником нейтральной компоненты фона для реакций h1 h2 X.

С этой точки зрения безусловный интерес представляют измерения, произведенные при помощи установки HERA-B в 2002 – 2003 гг. HERA-B является спектрометром с проективной геометрией, предназначенным для регистрации взаимодействия протонов с энергией 920 ГэВ с фиксированной мишенью, расположенной в гало протонного пучка кольцевого ускорителя HERA (лаборатория DESY, Гамбург, Германия). Горизонтальная апертура установки составляет 2.6 Yлаб 5.3 в терминах быстроты Yлаб в лабораторной системе отсчета. Мишень включает в себя несколько станций из различных материалов, что позволяет изучать зависимость исследуемых параметров от величины атомной массы ядер мишени A (так называемая A–зависимость) в широком диапазоне от углерода до вольфрама.

Основным инструментом для регистрации нейтральных частиц служит Электромагнитный Калориметр (ЭК). Рабочие характеристики прибора позволяют измерять энергии фотонов вплоть до pT 10 ГэВ/c, а его разрешающая способность позволяет разделять как два кластера заметную фракцию ливней, порожденных распадными фотонами: вплоть до pT 6 ГэВ/c в случае распада 0 и вплоть до верхней границы динамического диапазона ЭК для.

Общая характеристика работы

В представляемой диссертационной работе описываются устройство и характеристики Электромагнитного Калориметра установки HERA-B, а также обсуждается его использование в приложении к изучению механизмов рождения энергичных 0 – и –мезонов в pA–взаимодействиях. Анализ произведен на основе физических данных эксперимента HERA-B, набранных в 2002 – 2003 гг.

Актуальность темы диссертации В течение 2000 – 2003 гг. на установке HERA-B были проведены исследования взаимодействий протонов с энергией 920 ГэВ с фиксированной мишенью, расположенной в гало протонного пучка кольцевого ускорителя HERA (лаборатория DESY, Гамбург, Германия). Основными пунктами физической программы эксперимента являлись изучение механизмов рождения тяжелых кварков и проверка ряда предсказаний КХД в отношении pA–взаимодействий. В рамках проведенных исследований были измерены сечения рождения и K 0 [15];

D0, D+, Ds и D+ [16], а также J/– [17], c – + [18] и –мезонов [19]. Важным достижением HERA-B является измерение сечения рождения bb–пар [20].

Электромагнитный Калориметр эксперимента HERA-B предназначался не только для регистрации фотонов и выделения электронного и позитронного сигналов на фоне большого количества адронов, но и являлся одним из ключевых элементов Системы Отбора Событий (Триггера). С его помощью осуществлялась быстрая локализация на аппаратном уровне возможных координат прохождения через детектор энергичных e+, e и –квантов. Поэтому соответствие рабочих характеристик и настроек ЭК заданным техническим спецификациям являлось критическим условием для достижения требуемой эффективности селекции исследуемых физических процессов, а также для обеспечения точности и адекватности полученных экспериментальных результатов.

На основе данных, полученных при помощи ЭК HERA-B, были произведены измерения сечений рождения 0 – и –мезонов с большим поперечным импульсом. Данные эксперимента HERA-B (величина энергии столкновения в системе центра масс s = 41.6 ГэВ) относятся к диапазону энергий s 38.8 ГэВ, неохваченному другими установками с применением фиксированной мишени. Представленные сечения реакций pAX перекрывают неисследованный ранее регион xT 0.15 (xT = 2pT / s).

Впервые исследовано поведение сечений обсуждаемых реакций в неизученной другими установками области атомных масс ядер мишени A 64. В целом, понимание механизмов рождения нейтральных мезонов является важным условием для проверки предсказаний Пертурбативной Квантовой Хромодинамики.

Цели и задачи исследования Главной целью представляемой диссертационной работы является изучение и развитие различных методов калибровки отклика ЭК HERA-B. Вспомогательные цели включают в себя: 1) создание системы контроля качества данных ЭК, 2) разработку методов измерения величин пространственного и энергетического разрешений прибора и 3) исследование возможности использования ЭК HERA-B для реконструкции распадов и методом инвариантных масс и измерения на их основе сечений рождения 0 – и –мезонов.

Научная новизна и значимость работы Разработана и внедрена система оперативного контроля качества данных ЭК, осуществлявшая непрерывное измерение критических характеристик индивидуальных считывающих каналов Электромагнитного Калориметра в течение всего периода работы установки HERA-B. В дополнение к этому производилось вычисление параметров, которые были необходимы для реконструкции данных ЭК.

Разработаны методы и программное обеспечение для калибровки отклика индивидуального канала ЭК HERA-B. Результирующие наборы калибровочных констант применялись при анализе физических данных и для инициализации Системы Отбора Событий.

Впервые измерены величины пространственного и энергетического разрешений ЭК HERA-B.

Впервые измерены инвариантные сечения рождения 0 – и –мезонов в pC–, pT i– и pW –взаимодействиях при энергии протонного пучка 920 ГэВ. Исследованный диапазон поперечных импульсов охватывает pT [1.4, 6.2) ГэВ/c ( 0 –мезоны) / pT [1.4, 6.8) ГэВ/c (–мезоны), а диапазон быстрот в системе центра масс составляет Yцм [1.25;

0.75]. Измерены отношения сечений рождения –мезонов к сечениям рождения 0 –мезонов.

Вычислены параметры атомной зависимости сечений реакций pA 0 X и pA X.

Автор защищает:

1) принципы организации системы контроля качества данных ЭК;

2) методы калибровки отклика индивидуального канала ЭК;

3) создание математического аппарата для измерения характеристик Электромагнитного Калориметра HERA-B и их соответствие поставленным задачам и исходным проектным требованиям;

4) измерение при помощи ЭК сечений рождения 0 – и –мезонов в условиях HERA-B;

5) измерение параметров атомной зависимости сечений реакций pA 0 X и pAX для широкого диапазона значений атомных масс ядер мишени.

Практическая полезность Представляемая диссертационная работа проведена в рамках участия ИТЭФ в международном эксперименте HERA-B и соответствует одному из направлений его физической программы. Полученные результаты подтверждают соответствие рабочих характеристик Электромагнитного Калориметра HERA-B исходным проектным требованиям, а также демонстрируют возможности установки HERA-B и еe Системы Отбора Событий для изучения реакций pA 0 X и pA X в области больших поперечных импульсов. Результаты представляемой работы использовались при наборе физических данных экспериментом HERA-B и для их последующей обработки.

Личный вклад диссертанта Диссертант принимала активное участие в программе научно– исследовательских работ для Электромагнитного Калориметра HERA-B и в комплексе тестовых мероприятий по запуску детектора. Ею было разработано программное обеспечение системы контроля качества данных ЭК, а также произведена калибровка отклика ЭК различными методами.

В результате исследований, проведенных диссертантом, измерены такие характеристики прибора, как пространственное и энергетическое разрешения.

В последние годы работы HERA-B диссертант принимала активное участие в анализе физических данных. В частности, было выполнено измерение инвариантных сечений рождения 0 – и –мезонов в широком диапазоне поперечных импульсов и быстрот, а также проведено изучение атомной зависимости сечений реакций pA 0 X и pA X для мишеней из углерода, титана и вольфрама.

Апробация и публикации Основные результаты представляемой диссертационной работы докладывались на международных конференциях, в том числе и самим автором на Calor2004 (Перуджа, Италия, Март–Апрель 2004), Calor (Анси, Франция, Октябрь 2000), Calor99 (Лиссабон, Португалия, Июнь 1999), а также неоднократно обсуждались на научных семинарах эксперимента HERA-B в DESY. По материалам диссертации выпущено несколько публикаций:

• G. Avoni..., I. Machikhiliyan et al. NIM, A580, 1209-1226 (2007);

• G. Avoni..., I. Machikhiliyan et al. NIM, A560, 539-545 (2006);

• I. Matchikhilian et al. CALORIMETRY IN PARTICLE PHYSICS: Proceed ings of the Eleventh International Conference Perugia, Italy 29 March – April 2004, 27-32 (2004);

• M. Bruschi,..., I. Matchikhilian et al. NIM, A461, 332 (2001);

• I. Matchikhilian et al. Frascati Physics Series Vol. XXI, 239-248 (2000);

• HERA-B collaboration:..., I. Machikhiliyan et al. HERA-B: Report on status and prospects. DESY-PRC-00-04 (2000);

• I. Matchikhilian et al. Proceedings of the VIII International Conference on Calorimetry in High Energy Physics, 411 (World Scientifics 1999).

Структура и объем диссертации Диссертация включает в себя данное введение, четыре главы, заключение и список использованной литературы. Объем диссертации составляет страниц, 52 таблицы, 113 иллюстраций и 96 цитируемых работ.

В первой главе содержится краткое введение в особенности теоретического формализма для изучения физики нейтральных мезонов при больших поперечных импульсах. Также приводится обзор основных экспериментов с использованием фиксированной мишени, которые проводили измерения сечений рождения энергичных 0 – и –мезонов в pA–взаимодействиях.

Вторая глава посвящена общему обсуждению устройства основных детекторных подсистем установки HERA-B, условий их работы и технических характеристик.

В третьей главе подробно рассматриваются принципы работы и устройство Электромагнитного Калориметра HERA-B, включая методы контроля качества данных, алгоритмы, используемые для калибровки отклика ЭК, а также способы измерения физических характеристик прибора.

В четвертой главе описываются методы и особенности реконструкции распадов 0 – и –мезонов в условиях HERA-B, обсуждаются возможные источники систематических ошибок и приводятся затабулированные значения измеренных сечений. На их основе вычисляются отношения сечений рождения –мезонов к сечениям рождения 0 –мезонов, а также параметры A–зависимости. Производится сравнение полученных величин с измерениями других экспериментов.

Заключение в краткой форме подытоживает результаты диссертационной работы.

ГЛАВА РОЖДЕНИЕ – И –МЕЗОНОВ ПРИ БОЛЬШИХ ПОПЕРЕЧНЫХ ИМПУЛЬСАХ 1.1. Квантовая Хромодинамика и описание взаимодействий адронов при больших поперечных импульсах Более 30 лет назад при изучении механизмов рождения пионов в протон–протонных взаимодействиях [21, 22] было обнаружено, что поведение спектров этих частиц в области больших поперечных импульсов (pT 1 ГэВ/c) тяготеет к обратной степенной зависимости, а величины сечений сильно зависят от величины энергии столкновения в системе центра масс s. Эти наблюдения противоречили гидродинамической модели Ландау, которая успешно предсказывала поведение наблюдаемых величин для более низких pT, описывая реакции подобного рода при помощи методов статистической термодинамики через рассмотрение возникающей на короткое время промежуточной очень плотной и “горячей” системы частиц. Попытки объяснить расхождение между теорией и экспериментом привели к предположению, что частицы с большим pT рождаются на уровне столкновения не адронов как таковых, а неких гипотетических составляющих их объектов [23]. В частности, обратная степенная зависимость была предсказана существовавшей уже тогда “наивной” партонной моделью, органическим развитием которой является общепринятая на данный момент теория, описывающая сильные взаимодействия – Квантовая Хромодинамика [24].

В рамках КХД адроны определяются как совокупности “более” фундаментальных объектов – глюонов и кварков (партонов), а адрон– адронные взаимодействия сводятся к партон–партонным. Одним из важнейших понятий КХД является асимптотическая свобода, под которой подразумевается резкое ослабление взаимодействия партонов на очень малых расстояниях или, что эквивалентно, при больших переданных импульсах q.

В приближении первого порядка константа связи сильного взаимодействия может быть представлена как:

g2 s = = (1.1) 4 (33 2nf )ln(q/q0) где nf – число активных ароматов кварков, а q0 – свободный параметр, который феноменологически учитывает поправки высших порядков теории возмущений и должен быть близок к асимптотическому масштабному параметру КХД КХД. Из (1.1) следует, что s 1 при q q0.

Таким образом, с точки зрения экспериментальной проверки КХД, важную роль начинают играть процессы, доминирующие при взаимодействиях на очень коротких расстояниях, то есть при высоких энергиях – для h k F i 1 (x, M) Dh (z, MF ) h1 h i k 111 d (i+jk+X) 000 dp dY T j h h F j 2 (x, M) Рис. 1.1. Механизм взаимодействия двух адронов при больших переданных импульсах их численного описания становится возможным применить хорошо разработанный математический аппарат теории возмущений КХД. На рис. 1. схематически представлен процесс взаимодействия двух адронов h1 и h2 c конечным состоянием, в котором присутствует адрон h. Благодаря свойству асимптотической свободы взаимодействующие адроны рассматриваются как пучки отдельных слабовзаимодействующих партонов. Вероятность того, что партон i несет определенную долю продольного импульса xi начального адрона, описывается феноменологической структурной функцией адрона Fi(x, M). Само взаимодействие сводится к элементарной реакции между отдельными партонами i и j, не зависящей от типа взаимодействующих адронов и описываемой при помощи теории возмущений КХД. После взаимодействия результирующие партоны подвергаются процессу фрагментации, конечным результатом которого является образование адронных струй. Начальный этап развития кварк–глюонного каскада описывается КХД до тех пор, пока энергии партонов не станут слишком низкими и из них не начнут образовываться адроны. На этой стадии обычно вводится еще один набор феноменологических функций фрагментации партонов Dk (z, MF ), определяющих вероятность конечного адрона унести определенную долю импульса zk партона k.

Структурные функции F (x, M) и функции фрагментации D(z, MF ) не могут быть вычислены методами Пертурбативной КХД и в настоящее время извлекаются из экспериментальных данных. При этом важную роль играет понятие их универсальности, то есть независимости от процесса, при помощи которого производится измерение. Принципиально также то, что зависимость этих функций от величины квадрата переданного импульса q 2 может быть вычислена методами теории возмущений. Таким образом, оценив F (x, M) или D(z, MF ) при помощи экспериментальных данных для определенных процессов при значении квадрата переданного импульса qизм, можно использовать полученные значения, экстраполированные в нужную область q 2, для вычисления сечений других реакций. Зависимость F (x, M) и D(z, MF ) от q 2 вводится через нефизические масштабные параметры M и MF, которые выступают в качестве численных критериев “короткости” расстояний, на которых происходит взаимодействие. Выбор величин M и MF до некоторой степени произволен;

считается, что корректно посчитанное сечение не может зависеть от выбора M и MF. Одним из стандартных наборов является M = MF = = pT /2 или M = MF = = pT /3, где – еще один масштабный параметр, вводимый в ходе процедуры перенормировки для устранения расходимостей, возникающих при анализе петлевых фейнмановских диаграмм.

С точки зрения “наивной” партонной модели, в случае взаимодействия адронов с ядрами сечение реакции A должно быть пропорционально количеству нуклонов, то есть:

A = A, h где h – сечение взаимодействия с одиночным не связанным в ядре нуклоном, A – атомная масса ядра, а – так называемый параметр атомной зависимости (или A–зависимости), который в свете вышеизложенного должен быть равен единице. Последнее утверждение, однако, находится в противоречии с экспериментальными данными. К примеру, в случае нейтральных пионов измеренные в области больших pT значения составляют примерно 1.1 [9, 14]. Считается, что подобное отклонение от линейной зависимости обусловлено такими причинами, как многократное рассеяние партонов в ядрах и ядерное экранирование. Будучи параметром, может зависеть от величины поперечного импульса, быстроты, типа изучаемой частицы и т.д.

1.2. Механизмы рождения 0 – и –мезонов с большим поперечным импульсом Как частный случай вышеописанного процесса h1 h2 hX, 0 – и – мезоны с большим поперечным импульсом рождаются при взаимодействии двух партонов в сталкивающихся адронах. После рассеяния происходит фрагментация партонов в адроны, один из которых наблюдается как мезон с большим pT. Уже в нулевом приближении теории возмущений вклад в сечение рождения рассматриваемых мезонов вносят сразу несколько диаграмм:

q + q q + q;

q + q q + q;

q + q g + g;

q + g q + g;

g + g q + q;

g + g g + g;

В настоящее время в литературе, в основном, фигурирует сечение рождения 0 –мезонов, вычисленное с точностью до первого порядка (NLO) теории возмущений КХД. Оно может быть представлено следующим образом [25] (см. рис. 1.1):

d h dz k = dx1dx2Fih1(x1, M)Fjh2 (x2, M) D (z, MF ) d T dY z2 h p i,j,k=q,g 2 s () s () dij,k dY + Kij,k (, M, MF ) (1.2) 2 dpT где pT и Y – поперечный импульс и быстрота результирующего нейтрального мезона;

Fih1 (x1, M) / Fjh2 (x2, M) – структурные функции для партонов типа i / j в начальном адроне h1 / h2 ;

x1 / x2 – отношение продольной компоненты импульса партона i / j к импульсу адрона h1 / h2 ;

Dh (z, MF ) k dij,k – функция фрагментации партона k в адрон h;

d T dY – борновское сечение p элементарного процесса i + jk + X, а Kij,k (, M, MF ) – поправочный член, отражающий вклад высших порядков теории возмущений.

С точки зрения теории, все необходимые компоненты для вычисления сечения (1.2) имеются в наличии:

• cечения элементарных процессов посчитаны вплоть до первого порядка (NLO) теории возмущений [1];

• структурные функции взаимодействующих партонов измерены в экспериментах по глубоко–неупругому рассеянию [2, 3, 4, 5];

• функции фрагментации, описывающие переходы партонов в конечные адроны, известны из данных по e+ e аннигиляции [6, 7, 8].

Вместе с тем, теоретическое описание содержит в себе ряд неопределенностей, связанных с определением набора масштабных параметров и точностью экстраполяций F (x, M) и D(z, MF ) [25]:

1) регион стабильности по отношению к выбору набора масштабных параметров не слишком велик, что означает наличие заметного неучтенного вклада более высоких порядков теории возмущений, особенно для области pT 5 ГэВ/c;

2) экстраполяция D(z, MF ) в область больших z, характерных для адронных взаимодействий, не отличается высокой точностью, что может привести к погрешности в определении абсолютных величин сечений в десятки процентов, а также повлиять на величину наклона pT –спектров.

Неопределенность теоретических оценок (равно как и систематическую ошибку экспериментального метода) можно уменьшить, рассматривая не сами сечения, а их отношения, например, /0.

1.3. Краткий обзор экспериментов по изучению рождения 0 – и – мезонов с большим поперечным импульсом Основные установки, занимавшиеся измерением сечений рождения энергичных 0 – и –мезонов в pA–взаимодействиях с использованием фиксированной мишени, перечислены в табл. 1.1. Список упорядочен по мере возрастания величины s. Из рассмотрения исключены данные, полученные на мезонных, антипротонных, ионных, а также поляризованных пучках. Во всех случаях сечения рождения нейтральных мезонов вычислялись методом инвариантных масс на основе реконструкции электромагнитных мод распадов 0 и.

Таблица 1.1. Основные эксперименты, изучавшие механизмы рождения энергичных 0 – и –мезонов во взаимодействиях протонов с фиксированной мишенью Диапазон Диапазон Систем.

Эксперимент s, ГэВ Мишень Мезон pT, ГэВ/c Yцм, xF ошибка, % 0 0.75 Yцм 0. E629 2.154. 19.4 Be, C, Al 0.5 Yцм 0. (FERMILAB) 2.44. WA70 46.5 |xF | 0. 22.96 p (CERN, SPS) 47 NA24 нормировка: 7;

0 0.65 Yцм 0. 23.75 p 1. шкала pT : ± (CERN, SPS) |Yцм | 0. 31. E706 p, Be, Cu (FERMILAB) 1 Yцм 0. 38. 1.3.1. Установка E629 Эксперимент E629 [9] (лаборатория FERMILAB) изучал взаимодействие смешанных пучков положительно заряженных частиц (83% протонов, 3% K–мезонов и 14% + –мезонов) с импульсом 200 ГэВ/с с набором мишеней, состоявших из бериллия, углерода и алюминия. Система счетчиков позволяла отбирать только взаимодействия, произошедшие в мишени, а также определять тип провзаимодействовавшей частицы пучка. Заряженные частицы идентифицировались при помощи пропорциональных камер. Для регистрации фотонов использовался жидкоаргонный калориметр LAC (Liquid Argon Calorimeter) с проективной системой считывания сигнала в виде чередующихся горизонтальных и вертикальных регистрирующих элементов (стрипов). LAC располагался на расстоянии 8 метров от мишени под углом 100 мрад по отношению к пучку;

апертура прибора составляла 1.40.81 м. Система Отбора Событий (Триггер) базировалась на показаниях калориметра, при помощи которых селектировались события с высокой суммарной поперечной энергией1 и как Аналог pT, где вместо величины импульса используется энергия частицы.

минимум одним локализованным энерговыделением с pT 0.6 ГэВ/c. Кроме сечений рождения 0 – и –мезонов были измерены также средняя величина их отношения и параметры A–зависимости 0 и.

1.3.2. Установка WA70 Эксперимент WA70 [10, 11] на ускорительном кольце SPS (ЦЕРН) исследовал взаимодействие смешанного пучка (протоны и ± –мезоны) с энергией 280 ГэВ с водородной мишенью.

Тороидальный магнит вокруг пучка и система счетчиков служили для подавления фонов и для идентификации типа взаимодействующей частицы. Сама детекторная установка включала в себя –спектрометр, дополненный электромагнитным калориметром с расположенной перед ним многопроволочной пропорциональной камерой (MWPC) для идентификации заряженных частиц непосредственно перед точкой их попадания в ЭК.

Калориметр с апертурой 44 метра располагался на расстоянии 11 метров от мишени и состоял из 12 сегментов, упорядоченных в три слоя в продольном направлении и в четыре квадранта симметрично вокруг оси пучка в поперечном направлении. Каждый сегмент включал в себя 10 свинцовых пластин, переслоенных тефлоновыми трубками, заполненными жидким сцинтиллятором. Каждый слой трубок был ортогонален предыдущему;

считывание сигнала осуществлялось при помощи оптических волокон, внедренных в трубки, и системы фотоумножителей. Самый первый по отношению к мишени сегмент калориметра был оборудован также системой TOF (time–of–flight) для измерения эффективного времени распространения света по сцинтилляционной трубке. Для отбора событий с энергичными нейтралами каждый квадрант калориметра делился на 16 ячеек. Взвешенное аналоговое суммирование сигналов с последних динодов фотоумножителей, относящихся к определенным пространственным конфигурациям таких ячеек, позволяло быстро оценивать их суммарную поперечную энергию и сравнивать ее с заданным порогом.

1.3.3. Установка NA24 Эксперимент NA24 [12], также как и вышеописанный WA70, использовал смешанный адронный пучок с энергией 300 ГэВ, производимый ускорительным кольцом SPS. Мишень состояла из жидкого водорода. Поскольку непосредственной целью эксперимента было изучение механизмов рождения прямых фотонов, он включал в себя сложную систему для идентификации нейтральных частиц, состоявшую из высокогранулярного детектора для определения координат фотонов и кольцевого калориметра, центральное отверстие которого перекрывал еще один замыкающий калориметр. Стратегия отбора событий основывалась на селекции энергичных электромагнитных кластеров, производимой за несколько последовательных шагов.

Детектор для определения координат фотонов, расположенный на расстоянии примерно 8 метров от центра мишени, состоял из чередующихся слоев свинцового поглотителя и пропорциональных камер в виде трубок треугольного сечения. Проволочки последних могли быть ориентированы горизонтально, вертикально и под углом 45, что позволяло измерять продольное и поперечное энерговыделение в электромагнитном ливне, а также координаты его центра тяжести.

Оба калориметра – кольцевой и замыкающий – включали в себя две секции: электромагнитную (гетерогенная структура свинец / сцинтиллятор) и адронную (железо / сцинтиллятор). Оригинальной чертой калориметрии NA является использование флуоресцентных добавок в системах светосбора разных секций, что позволяло различать электромагнитные и адронные ливни при помощи разделения двух цветовых компонент сцинтилляционного света [26].

1.3.4. Установка E706 Основной целью эксперимента E706 [13, 14] на линии Meson West (Tevatron, Fermilab) являлось изучение физики частиц с большими поперечными импульсами, в первую очередь – измерение сечений рождения прямых фотонов. При этом использовался как первичный протонный пучок Tevatron с энергией 800 ГэВ, так и разнообразные вторичные пучки более низких энергий, в частности – протонный с энергией 530 ГэВ. Задействованные в установке мишени состояли из жидкого водорода, бериллия и меди. Система счетчиков и разнообразных защитных приспособлений позволяла идентифицировать тип частицы во вторичном пучке и подавлять паразитные фоны от мюонов и адронов с неосевыми направлениями импульсов.

Сама установка E706 включала в себя систему идентификации заряженных частиц и три калориметра для регистрации нейтральных частиц. Первая состояла из кремниевых микростриповых детекторов, дипольного магнита, нескольких станций пропорциональных и дрейфовых камер и мюонного спектрометра. Центральным элементом калориметрической системы являлся цилиндрический электромагнитный калориметр с внешним радиусом 160 см, расположенный в 9 метрах от мишени. ЭК E706 представлял собой свинцовую структуру, подразделенную на 33 продольные ячейки, которые образовывали две секции: переднюю и заднюю (по отношению к мишени).

Каждая ячейка состояла из свинцового катода, анода с кольцевыми стрипами для реконструкции радиальной координаты (R–стрипы), второго катода и анода со стрипами в виде секторов для реконструкции угловой координаты (–стрипы). Пространство между слоями было залито жидким аргоном.

В радиальном направлении калориметр подразделялся на внутреннюю и внешнюю секции с различным угловым охватом одного –стрипа (/ радиан для внутренней и /384 радиан для внешней секции). Ширина индивидуального R–стрипа составляла около 5.5 мм, слегка варьируясь от ячейки к ячейке по правилам проективной геометрии по отношению к точке (ГэВ/с) (ГэВ/с) 10 (нб) (нб) 10 10 10 10,, 10 dp dp Ed Ed 10 - - E629, s=19.4 E629, s=19. -2 - 10 WA70, s=22.96 10 WA70, s=22. - NA24, s=23. 10 E706, s=31. - - E706, s=31.6 E706, s=38. - E706, s=38.8 - 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0. xT xT 1.2.1 a) 1.2.2 b) Рис. 1.2. Компиляция xT –зависимостей сечений рождения a) 0 –мезонов;

b) –мезонов для экспериментов E629, WA70, NA24 и E взаимодействия. Также в состав установки входили жидкоаргонный адронный калориметр, расположенный в том же криостате, что и ЭК, и передний калориметр на основе сцинтиллятора, охватывавший область ускорительной трубы. В обоих случаях в качестве поглотителя использовалась сталь.

Система отбора событий базировалась на селекции энергичных ливней в ЭК, дополненной требованиями наличия одного взаимодействия частицы пучка с мишенью и отсутствия фонового взаимодействия в гало пучка.

На рис. 1.2.1 и рис. 1.2.2 приведены компиляции xT –зависимостей инвариантных сечений рождения 0 – и –мезонов, измеренных различными d установками. Результаты представлены в форме величин E d = d(p2, T )dY dp пересчитанных на один нуклон. Для сечений рождения нейтральных пионов, измеренных установками WA70 и E706, опубликованы также теоретические вычисления [25]. Для диапазона pT 5 ГэВ/c, где последние более или менее надежны, численный фактор расхождения составляет от 1.45 до 2.5 раз в зависимости от выбора набора масштабных параметров.

ГЛАВА УСТАНОВКА HERA-B 2.1. Кольцевой ускоритель HERA Протонно–позитронный коллайдер HERA (лаборатория DESY, Гамбург, Германия) включает в себя два накопительных кольца протяженностью 6.3 км каждое, осуществляющих ускорение p до энергии 920 ГэВ и e+ до энергии 27.5 ГэВ. Протонное и позитронное кольца имеют две общие точки пересечения, где и осуществляются e+ p–взаимодействия.

Структура протонного пучка HERA схематически представлена на рис. 2.1.

Частицы ускоряются в составе отдельных сгустков или банчей, разделенных незаселенными промежутками. Интервал времени между прохождением двух сгустков через фиксированную точку пространства лабораторной системы отсчета составляет 96 нс. Всего в каждый момент времени в накопительном кольце могли бы ускоряться двести двадцать банчей, равномерно заселяющих всю его длину. Однако для удобства технического обслуживания и эксплуатации ускорителя сорок сгустков отсутствует. По сложившейся терминологии, соответствующие им места в структуре пучка в дальнейшем будут обозначаться словосочетанием “пустые банчи”.

Два детектора (ZEUS и H1), расположенные в точках пересечения протонного и электронного колец, предназначены для исследования внутренней структуры протона при помощи процессов, обусловленных глубоко–неупругим e+ p–рассеянием. Третий эксперимент, HERMES, занимается взаимодействиями поляризованных релятивистских позитронов с поляризованными протонами мишени с целью более глубокого понимания механизмов, ответственных за спин протона.

В 1992 году было опубликовано предложение проекта по использованию протонного кольца HERA в качестве фабрики B–мезонов [27]. К началу 2000 года он был реализован технически, и установка HERA-B начала предварительный набор данных. По результатам последнего была утверждена 10 сгустков 5x96 нс 5x96 нс 15x96 нс 96 нс 96 нс 0000 0000 1111 1111 1111 1111 0000 0000 0000 0000 0000 1111 1111 11111 11111 1111111111 1111 00000 00000 0000000000 0000 0000 0000 1111 1111 1111 1111 0000 0000 1111 1111 0000 0000 0000 1111 1111 0000 0000 11111 11111 1111111111 1111 00000 00000 0000000000 0000 1111 1111 0000 0000 1111 1111 0000 0000 1111 1111 0000 0000 0000 0000 0000 1111 1111 11111 11111 1111111111 1111 00000 00000 0000000000 0000 1111 1111 0000 0000 0000 0000 1111 1111 1111 1111 0000 0000 0000 0000 0000 1111 1111 00000 00000 0000000000 0000 11111 11111 1111111111 1111 0000 0000 1111 1111 1111 1111 0000 0000 1111 1111 0000 0000 0000 1111 1111 0000 0000 11111 11111 1111111111 1111 00000 00000 0000000000 0000 1111 1111 0000 0000 0000 0000 1111 1111 0000 0000 1111 1111 1111 1111 1111 0000 0000 11111 11111 1111111111 1111 00000 00000 0000000000 0000 0000 0000 1111 1111 1111 1111 0000 0000 1111 1111 0000 0000 0000 1111 1111 0000 0000 11111 11111 1111111111 1111 00000 00000 0000000000 0000 1111 1111 0000 0000 1111 1111 0000 0000 1111 1111 0000 0000 0000 0000 0000 1111 1111 11111 11111 1111111111 1111 00000 00000 0000000000 0000 0000 0000 1111 1111 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Номер сгустка Рис. 2.1: Структура протонного пучка ускорителя HERA окончательная физическая программа эксперимента, основными пунктами которой являются изучение механизмов рождения тяжелых кварков и проверка ряда предсказаний КХД в отношении pA–взаимодействий. В рамках проведенных исследований были измерены сечения рождения и K 0 [15], D0 + + +, D, Ds и D [16], J/– [17], c – [18] и – мезонов [19] при энергии s = 41.6 ГэВ. Важным достижением HERA-B является измерение сечения рождения bb–пар [20].

2.2. Общая структура HERA-B Математическое моделирование показало, что для накопления за приемлемое время (несколько лет набора данных) физически значимой статистики установка HERA-B должна работать в режиме уверенной реконструкции вплоть до пяти pA–взаимодействий за время прохождения одного сгустка протонов мимо мишени (так называемое событие). Это означает на практике большие плотности потоков частиц (вплоть до частиц в секунду на квадратный сантиметр площади для близких к первичной вершине внутренних областей установки) – и, как следствие, определяет технологию и сегментацию отдельных детекторных подсистем и радиационные стойкости их компонент.

Требование достаточной геометрической эфективности (почти 4–охвата в системе центра масс) означает в лабораторной системе координат угловые диапазоны 10 |x | 250 мрад / 10 |y | 160 мрад, что отражается в сильно вытянутой геометрии HERA-B. Меньшие углы исключены из–за того, что через центр спектрометра проходит труба протонного кольца ускорителя (в дальнейшем – протонная труба), а б льшие – из–за резкого возрастания о стоимости установки при дальнейшем увеличении ее апертуры на фоне относительно малого выигрыша в эффективности.

В состав HERA-B входят следующие компоненты (см. рис. 2.2):

Вершинный Детектор для регистрации первичных и вторичных вершин распадов;

система трековых камер для реконструкции треков заряженных частиц (Трековая Система);

детектор частиц с большим поперечным импульсом (ДБПИ);

детектор черенковского излучения для идентификации адронов (Черенковский Детектор);

Электромагнитный (ЭМ) Калориметр для регистрации фотонов и измерения энергий e+ /e и, наконец, Мюонная Система для идентификации + /. Для измерения импульсов заряженных частиц предусмотрен дипольный магнит.

Электромагнитный Калориметр, ДБПИ и Мюонная Система дополнены системами Электронного, Адронного и Мюонного Претриггера (предварительного отбора), осуществляющими быструю локализацию возможных координат прохождения через соответствующий детектор энергичных электронов / фотонов, адронов и мюонов соответственно.

Параметры подобных кандидатов служат отправной информацией для Станции Трекера p Мюонная Система Черенковский Детектор Магнит ЭМ Калориметр Вершинный Детектор Рис. 2.2: Установка HERA-B Системы Отбора Событий (или Системы Триггера) HERA-B, которая призвана обеспечивать эффективную селекцию интересных с точки зрения поставленных физических задач данных для последующего более тщательного их изучения. В ее основе лежит схема отбора энергичных ди–лептонных пар, электронных или мюонных, содержащих лептоны одного сорта с противоположным зарядом, определенной кинематикой и инвариантной массой, лежащей в заданных пределах. Физические параметры отбора пары задаются программно в широких пределах в зависимости от поставленной задачи. Также предусмотрена альтернативная возможность селекции одиночного лептона, фотона или адрона с достаточно большим поперечным импульсом.

На стадии Технического Предложения Проекта [29] обсуждалась четырехуровневая схема организации Системы Триггера, производящая фильтрацию физических событий за четыре последовательных этапа. В процессе более поздних изменений было принято решение интегрировать второй и третий уровни в общую структуру Триггера Второго Уровня.

Наиболее существенные физические требования к подсистемам установки HERA-B [5, 29, 30] и ее Системе Отбора Событий сведены в табл. 2. и 2.3 соответственно1,2,3. Основные геометрические и технологические характеристики детекторных подсистем представлены в табл. 2.2. Более подробно организация и характеристики каждой из них будут рассмотрены ниже.

Детальное рассмотрение предварительной физической программы эксперимента HERA-B, а также техническая документация, касающаяся устройства как установки в целом, так и отдельных подсистем, могут быть найдены в Предложении Проекта [28] и Техническом Описании Проекта [29].

Подробное описание статуса HERA-B в 2000 году и окончательная программа исследований содержатся в [30].

2.2.1. Система координат HERA-B В дальнейшем, если это не оговорено особо, все встречающиеся в тексте цифровые параметры, связанные с углами и расстояниями, будут приводиться в привязке к системе координат HERA-B, которая представляет собой правостороннюю лабораторную систему отсчета с центром в точке первичного взаимодействия и осью z, направленной параллельно протонному пучку в сторону его движения. Ось x выбрана таким образом, что отклонение частиц в поле магнита происходит в плоскости x–z;

ось y при этом направлена вверх.

2.3. Мишень Мишень HERA-B [31] располагается в гало протонного пучка. Размещение в этой области (36 r.m.s. от размеров пучка, типичное значение r.m.s.

составляет порядка 400 мкм) различных конфигураций тонких проволочек (рис. 2.3) позволяет достичь, при определенных условиях, достаточной для целей HERA-B частоты взаимодействий (ЧВ) протонов с веществом мишени.

Основные физические требования, предъявляемые к мишени HERA-B, заключаются в обеспечении заданной ЧВ и стабильности величины последней на протяжении достаточно длительных сеансов набора данных продолжительностью в несколько часов. При этом влияние на функционирование ускорительного кольца HERA и увеличение фона, наблюдаемого другими экспериментами, должны быть минимальными. Оба вышеприведенных требования численно выражаются в виде ограничения, налагаемого на минимальное значение параметра “эффективность мишени” T, которая определяется как отношение ЧВ к общей частоте потери протонов из пучка HERA. Согласно спецификации проекта [29], T должна составлять как минимум 50% при максимальной частоте взаимодействий 40 МГц.

Под ячейкой понимается область детектора, обслуживаемая отдельным каналом регистрирующей электроники.

Здесь и далее термином “загрузка” обозначается средняя вероятность получения ненулевого отклика в ячейке какого–либо детектора в одном событии, выражаемая в процентах от общего числа событий.

Буквой r обозначается расстояние от оси пучка (в см).

Таблица 2.1. Основные рабочие условия HERA-B и физические требования к детекторным подсистемам 10 |x | 250 мрад, 10 |y | 160 мрад Общие Апертура Требования / Рабочая частота взаимодействий (ЧВ) вплоть до 40 МГц 96 нс рабочие Время первичной обработки сигнала 3 107 /r 2 частиц в секунду условия Поток частиц (ЧВ=40 МГц) Мишень Эффективность 50% Вершинный Детектор Пространственное разрешение 30 мкм в поперечном направлении 2. 2 Тл м 2.7 By dz 3.5 Тл м Магнит Интеграл поля Расстояние до мишени 4.5 м 3/r Трековая Плотность треков (ЧВ=40 МГц) Система Загрузка (ЧВ=40 МГц) 5% – Внутренний Трекер 20% – Внешний Трекер p /p2 104 / ГэВ для энергичных частиц частиц Импульсное разрешение x 100 200 мкм Пространственное разрешение Эффективность реконструкции сегмента трека 99% 1.5 ГэВ/c ДБПИ Поперечный импульс отобранных треков Фактор подавления фоновых событий 3 50 ГэВ/c Черенковский Идентификация K–мезонов в диапазоне импульсов Детектор с эффективностью 90% Разделение /K/p 1 мм Пространственное разрешение 1 мрад Угловое разрешение Число фотонов в одном кольце (=1) Электромагнитный Загрузка 10% 0 250 ГэВ/канал Калориметр Рабочий диапазон энергий Пространственное разрешение 1.4 см E /E (10 15%)/ E 1.5% Энергетическое разрешение 5 200 ГэВ/c Мюонная Диапазон импульсов мюонов Система Загрузка 1% Эффективность 99% Таблица 2.2. Основные геометрические и технологические характеристики детекторных подсистем HERA-B Диапазон Число Подсистема Технология базового элемента геометрической Размер ячейки считывающих чувствительности каналов 147 Вершинный Детектор Кремниевые микростриповые детекторы 1 см |x|,|y| 6 см 50 мкм Трековая Система:

109 Внутренний Трекер Микростриповые газовые камеры 5 |x|,|y| 25 см 300 мкм 113 5 10 мм Внешний Трекер Дрейфовые газовые трубки (honeycomb) 25 |x|,|y| 290 см Детектор БПИ 12 10 |x | 58 мрад 3.2 6. Внутренний ДБПИ Газовые пиксельные камеры 4 8 мм 10 |y | 44 мрад 6 38 |x | 250 мрад Внешний ДБПИ Газовые трубочные камеры (straw) 5 мм 44 |y | 143 мрад 27 Черенковский Детектор Газовый радиатор Апертура HERA-B – ЭМ Калориметр 2 Внутренняя секция “Шашлык” (W/сцинтиллятор) 11 |x| 78 см 2.24 см 11 |y| 45 см 2 Средняя секция “Шашлык” (Pb/сцинтиллятор) 78 |x| 223 см 5.59 см 45 |y| 123 см 1.8 Внешняя секция “Шашлык” (Pb/сцинтиллятор) 223 |x| 312 см 11.18 см 123 |y| 234 см Мюонная Система 7.8 9 9.4 мм Внутренняя секция Пиксельные газовые камеры 14 |x| 409 см 14 |y| 310 см 14 12мм2 23.5 14 |x | 220 мрад Внешняя секция Пропорциональные трубочные/ 14 |y | 160 мрад падовые камеры Таблица 2.3. Система Отбора Событий HERA-B. Аббревиатуры и особенности конструкции каждой подсистемы см. ниже по тексту данной главы Задействованные Время вы- Коэффи Уровень Функция компоненты Алгоритм работки циент по детектора решения давления 0 Локализация области интереса Электронный Претриггер ЭМ Калориметр поиск ЭМ–кластера Мюонный Претриггер Мюонная Система Совпадение сработавших ячеек 1.6 мкс – Адронный Претриггер ДБПИ Совпадение сработавших ячеек 1 Первичный отбор слои ТС/МС Реконструкция сегмента трека 12 мкс дилептонной пары/одиночного (после магнита) /e/адрона с большим pT, адрона с заданными параметрами проверка величины инвариантной массы пары / pT одиночного трека 2 Уточнение параметров ТС/ВД Реконструкция треков, найденных 5 мс дилептонной пары Триггером Первого Уровня, или одиночного адрона реконструкция вершины 2х треков, первичная идентификация частиц 4 Полная реконструкция события весь HERA-B Полная реконструкция события 4с – e Протонная труба ov inner ab Протонный пучок outer w lo y 0.35 мм e be ov inner ab x 0.4 мм Проволочки мишени outer 1 P low Гало пучка be Точки взаимодействия Рис. 2.3. Принцип работы мишени Рис. 2.4. Конфигурация HERA-B станций мишени Таблица 2.4. Некоторые параметры материалов мишени: зарядовое число Z, атомная масса A, ядерная длина поглощения, радиационная длина X Материал C Al Ti W Z 6 12 22 A 12. 27. 47.9 184., см 38.1 39.4 27.5 9. X0, см 18.8 8.9 3.56 0. Мишень HERA-B включает в себя набор из 8 прямых тонких проволочек прямоугольного или круглого поперечного сечения, сделанных из различных материалов. Размеры проволочек диктуются, с одной стороны, геометрической точностью определения координат главной вершины взаимодействия, которая не должна быть хуже, чем общее пространственное разрешение спектрометра HERA-B, и, с другой стороны, требованием достаточно высокой для поддержания требуемой частоты рождения В– мезонов вероятности взаимодействия протонов с их веществом. Ряд параметров материалов мишени приведен в табл. 2.4.

Мишень организована как две станции, каждая из которых содержит проволочки, расположенные с четырех сторон от пучка в одной плоскости, перпендикулярной оси z (см. рис. 2.4, табл. 2.5). Подобная структура позволяет работать с множественными взаимодействиями, легко разделяя их первичные вершины, которые расположены, как правило, на различных проволочках. Расстояние между плоскостями станций вдоль оси пучка составляет 40 мм.

Таблица 2.5: Конфигурация станций мишени (2002 – 2003 гг.) Проволочка Материал Сечение Размер 50 500 мкм above1 Al прямоугольное 100 500 мкм below1 C прямоугольное = 50 мкм W – до 06.02.03 круглое inner = 100 мкм W+Re – после 06.02.03 круглое = 50 мкм outer1 Ti круглое = 50 мкм above2 Pd круглое = 50 мкм Ti – до 06.02.03 круглое below = 100 мкм W+Re – после 06.02.03 круглое 100 500 мкм inner2 C прямоугольное 50 500 мкм outer2 W прямоугольное Система станций располагается в вакуумной камере, б льшуюо часть которой занимает Вершинный Детектор. Проволочки, одна или несколько, вдвигаются на номинальное положение и выдвигаются из гало пучка при помощи прецизионных моторных механизмов;

точность достижения заданного положения при этом составляет порядка одного микрометра. Требуемая частота взаимодействий достигается при помощи компьютеризованной итерационной процедуры, каждый цикл которой основан на прямом измерении текущей ЧВ при помощи специальных сцинтилляционных счетчиков и последующей коррекции положения проволочек мишени. Итерации прекращаются при достижении заданного значения ЧВ. При одновременной работе с несколькими проволочками дополнительно используются показания зарядово–чувствительных интеграторов, позволяющих определить, какую из них нужно двигать в текущий момент.

Опыт набора данных в течение нескольких лет показал, что:

1) мишень HERA-B способна поддерживать требуемую среднюю частоту взаимодействий (вплоть до 40 МГц) на протяжении длительных непрерывных периодов набора данных порядка нескольких часов [31];

2) система надежна и эффективна – мишень обеспечивает актуальные с точки зрения физики pA–взаимодействия в течение 8095% пригодного для набора данных времени. При этом технические неполадки в самой инфраструктуре мишени и их ликвидация отнимают не более 12% от общего количества потеряного времени [30]. Система оперативного мониторирования позволяет непрерывно отслеживать значения ЧВ и уровень фона и, в случае возникновения проблем, сразу же принимать меры по их устранению;

3) эффективность мишени T составляет в среднем 6065% (углеродная мишень) [32];

4) на стадии ввода установки в эксплуатацию другие эксперименты наблюдали увеличение фонов, обусловленное введением мишени HERA-B в гало пучка. Этот эффект был устранен при помощи небольшой подстройки коллиматоров протонного пучка HERA.

2.4. Вершинный Детектор Основные задачи

Вершинного Детектора (ВД) [33] в эксперименте HERA-B заключаются в точном определении координат и начальных направлений треков заряженных частиц для реконструкции первичных вершин и вершин распадов вторичных J/ l+ l в “золотом” канале B 0J/KS, а также в вычислении прицельныx параметров конечных продуктов, порожденных вторым (сопутствующим распадному) В–мезоном.

Показания ВД используются также Триггером Второго Уровня для подавления фоновых событий.

Основным физическим требованием к ВД является высокое пространственное разрешение. Погрешность определения координат вершины распада должна находиться в пределах 500 мкм в направлении полета B– мезона и не превышать 2530 мкм в перпендикулярной ему плоскости [34].

Основным фактором, ухудшающим пространственное разрешение, является многократное рассеяние, поэтому количество вещества внутри рабочего объема установки HERA-B должно быть минимальным. Важным условием является также способность выдерживать очень высокие радиационные загрузки – вплоть до 100 кГр / год в самых центральных областях около y, см 35 мрад 49 мрад 149 мрад 94 мрад 60 мрад 25.6 мрад 15.8 мрад 10 мрад 12 3 4 5 6 7 8 No суперслоя z, см 0 50 100 150 Рис. 2.5. Расположение суперслоев Вершинного Детектора HERA-B (1/2 часть, верхняя полусфера). Наклонные линии соответствуют трекам, исходящим из мишени 5 см Направление 5 см 7 см движения a) b) c) Рис. 2.6. Одна плоскость суперслоя КМД: a) в рабочем положении;

b) в раздвинутом положении;

c) ориентация стрипов квадранта (пунктир – задняя сторона КМД) протонного пучка – без существенной деградации важных для выполнения требуемых физических задач характеристик.

Исходя из всех вышеперечисленных соображений, базовым элементом ВД выбран кремниевый микростриповый детектор (КМД), а система ВД в целом организована как несколько трековых стерео–плоскостей, расположенных вдоль направления движения протонного пучка и ориентированных в перпендикулярном по отношению к нему направлении. Минимальное расстояние от тела детектора до оси пучка, определяемое радиационной стойкостью КМД, составляет не менее одного сантиметра, что эквивалентно одному году работы ВД в проектных условиях HERA-B без замены КМД.

Угловая апертура и длина ВД ( 2 м) определяются, соответственно, верхним и нижним пределами диапазона геометрической чувствительности всей установки HERA-B.

Вершинный Детектор включает в себя 64 двусторонних кремниевых микростриповых детектора, которые организованы в восемь так называемых суперслоев (см. рис. 2.5). Суперслой подразделен на четыре квадранта, каждый из которых состоит из двух плоскостей, разделенных алюминиевой пластиной толщиной 150 мкм. Отдельная плоскость представляет собой двусторонний КМД;

микрострипы каждой стороны ориентированы под углом 90 по отношению друг к другу и с наклоном ± 2.5 по отношению краям плоскости (т. е. под углом 5 по отношению к стрипам детектора соседней плоскости, см. рис. 2.6). Подобная стерео–конструкция позволяет улучшить точности реконструкции параметров трека в пространстве. Активная площадь одной стороны КМД составляет 5070 мм2 при общем числе горизонтально– и вертикально–ориентированных стрипов 1280 и 1024 соответственно. Шаг структуры стрипов составляет 50 мкм.

Каждый квадрант первых семи по отношению к мишени суперслоев интегрирован с манипулятором раздвижного механизма (технология Roman pot [35]), который позволяет удалять КМД от оси протонного пучка в периоды инжекции частиц в накопительное кольцо (см. рис. 2.6), точно воспроизводить конфигурацию детектора каждый раз перед новым сеансом набора данных и время от времени (обычно в моменты долговременной остановки ускорителя) менять расположение квадрантов суперслоев относительно друг друга с целью более равномерного распределения получаемых доз радиации и минимизации таким образом последствий радиационных повреждений.


Вся вышеописанная система помещена в стальную вакуумную камеру, где также расположены станции мишени и защитный экран, предотвращающий возникновение паразитных электромагнитных полей, наведенных протонным пучком, которые могут вызвать как нестабильность самого пучка, так и перегрев компонент детектора. Для минимизации многократного рассеяния задняя стенка камеры сделана из алюминия (толщина 3 мм). С этой же целью система охлаждения ВД, равно как и большая часть системы механической поддержки, вынесены за пределы рабочего объема HERA-B, а элементы, находящиеся внутри диапазона геометрической чувствительности установки, реализованы на базе композитных материалов с малыми радиационными длинами.

Защитный экран организован в виде набора из четырех упругих стальных полос (поперечное сечение 5 мкм 12.7 мм), расположенных параллельно направлению протонного пучка симметричным образом на расстоянии 22 мм по отношению к его оси. Длина каждой из них составляет почти два метра (от мишени и до задней стенки вакуумной камеры). Во время вдвижения плоскостей ВД на рабочие позиции полосы экрана смещаются квадрантами суперслоев 1 и 6, приближаясь таким образом к пучку до расстояния 7 мм.

Восьмой суперслой ВД располагается вне вакуумной камеры непосредственно за ее задней стенкой. Его положение в пространстве строго фиксировано.

Считывание сигнала осуществляется при помощи 128–канальных микросхем HELIX 128-2.2 VLSI [36], размещенных на расстоянии как минимум 100 мм от оси пучка для уменьшения дозы облучения.

Каждый канал микросхемы включает в себя зарядово–чувствительный предварительный усилитель (предусилитель), формирователь импульса и буфер емкостью 141 элемент для запоминания данных. Содержимое ячеек буферов HELIX вычитывается последовательным образом по мере необходимости и передается расположенным вне зоны детектора 10–битным аналогово–цифровым преобразователям (АЦП) по кабелям из оптического волокна. При тактовой частоте считывания 20 МГц полная обработка информации (считывание, оцифровка и запоминание данных) со всех каналов ВД занимает интервал времени меньший чем 15 мкс.

Опыт эксплуатации Вершинного Детектора в течение нескольких лет показал, что [37, 38]:

• радиационная стойкость системы ВД позволяет выдерживать неоднородные потоки частиц вплоть до 31014 минимально– ионизирующих частиц на один квадратный сантиметр в год без существенной деградации основных характеристик детектора. Эти цифры находятся в согласии со спецификациями исходного проекта;

• отношение сигнал / шум в системе ВД находится на приемлемом уровне ( 18);

• эффективность регистрации отдельным КМД отклика на частицу (так называемый хит) хит составляет более 95%. Этого вполне достаточно для целей HERA-B, поскольку вышеописанная стерео– структура суперслоев ВД позволяет добиться требуемой эффективности восстановления трека частицы при значениях хит 90%;

• пространственные разрешения при реконструкции первичных вершин распадов x = 31 40 мкм, y = 32 42 мкм, z =260 430 мкм, также как точность определения длины пробега вторичных J/ (l = 750 мкм, мишень inner2, С) удовлетворяют спецификациям исходного проекта1.

2.5. Магнит Дипольный магнит HERA-B имеет угловую апертуру ±160 мрад в верикальной плоскости и ±250 мрад в горизонтальной плоскости. Силовые линии поля в рабочем объеме направлены вертикально. Расположение центра магнита соответствует минимально возможному (из–за того, что ВД не должен подвергаться воздействию поля) расстоянию 4.5 метра до мишени. При этом несколько снижается эффективность регистрации KL, поскольку только 85% из них распадается за время прохождения этой дистанции. Тем не менее, увеличение расстояния до мишени представляется Величины разрешений варьируются в зависимости от типа проволочки мишени в пределах диапазонов, указанных в тексте.

нерентабельным из–за резкого возрастания размеров и цены прибора при фиксированной апертуре установки. Величина интеграла магнитного 2. поля (2 Тлм 2.7 By dz 3.5 Тлм) определяется минимальной величиной массового разрешения спектрометра, необходимой для разделения распадов Bd и Bs (m 25 МэВ) и оптимальным соотношением сигнал / фон при реконструкции “золотого” канала B 0J/KS с одной стороны, и требованием достаточной геометрической эффективности HERA-B по отношению к относительно мягким частицам с другой стороны.

Утвержденное проектом значение составляет 2.13 Тлм при токе 4279 А.

Ярмо магнита сделано из железа, обмотки – из меди. Воздействие поля на позитронный пучок ускорителя компенсируется системой дополнительных магнитов, расположенных вокруг трубы соответствующего кольца.

Карта магнитного поля была тщательно измерена сразу же после ввода магнита в эксплуатацию. Она активно используется программным пакетом реконструкции HERA-B.

2.6. Трековая Система Трековая Система (ТС) HERA-B должна справляться с восстановлением треков заряженных частиц в условиях высокой множественности продуктов взаимодействия протонов с мишенью, характерной для проектных условий эксперимента, а также оперативно предоставлять информацию, необходимую системе Триггера Первого Уровня. Достаточная с точки зрения B– физики величина импульсного разрешения ТС (p/p (1 2) 104 p при больших p) определяется необходимостью уверенного выделения “золотого” канала распада B 0 J/KS из фоновых процессов B 0 J/K J/KS при условии, что 0 не идентифицируется. При малых импульсах доминирует вклад многократного рассеяния, который добавляется в p /p квадратичным образом в форме постоянного члена. По этой причине, равно как и с точки зрения рабочих характеристик спектрометра HERA-B в целом, общее количество вещества ТС должно быть минимальным.

Размеры ячейки ТС определяются, главным образом, условием ее невысокой загрузки (см. табл. 2.1), критичным для правильного проведения треков в условиях высокой множественности продуктов взаимодействия в событии, а также реалистичной величиной финансовых затрат и частично – довольно умеренными требованиями к пространственному разрешению ТС x 100200 мкм. Эффективность восстановления сегментов треков должна быть как можно более близкой к 100%, главным образом из–за высокой чувствительности к этой величине результирующей эффективности Системы Триггера.

Трековая Система HERA-B включает в себя семь плоских станций (суперслоев), распределенных вдоль оси протонного пучка между Вершинным Детектором и Электромагнитным Калориметром (см.

x, см Магнит Черенковский ЭК Детектор 3 220 мрад 11 00 00 0 0 11 1 1 1 00 0 0 11 1 1 1 11 1 1 00 0 0 0 00 0 0 11 1 1 1 00 0 0 11 1 1 11 1 1 00 0 0 0 250 мрад 11 1 1 00 0 0 0 0 11 1 1 00 0 0 0 1 00 0 0 11 1 1 1 00 z, см 1 11 1 1 00 0 0 0 00 0 0 11 1 1 1 4 5 7 9 10 11 1 1 00 0 0 0 11 1 1 00 0 0 0 11 1 1 00 0 0 0 00 00 11 11 MS1 MS 1013 MS 4 MC1 PC 14 TC Рис. 2.7: Станции Трековой Системы (вид сверху) рис. 2.7). Каждая станция состоит из двух секций, реализованных на базе различных технологий – а именно, Внутреннего (вблизи протонной трубы, микростриповые газовые камеры) и Внешнего (на периферии, дрейфовые газовые камеры) Трекеров. Подобная структура позволяет минимизировать суммарную стоимость прибора и количество считывающих каналов без существенного ухудшения эффективности регистрации заряженных частиц и качества реконструкции параметров их треков. Самая первая станция интегрирована также с последним (восьмым) суперслоем Вершинного Детектора.

Исходный проект предусматривал размещение еще нескольких суперслоев ТС внутри области, охваченной магнитным полем, однако потом, в связи с изменением физической программы HERA-B, необходимость в их присутствии перестала быть сколь–нибудь острой. Поэтому в конце концов было решено отказаться от соответствующих станций в пользу уменьшения количества вещества.

Особенности конструкции станций Трековой Системы приведены в табл. 2.6. Камеры суперслоев 1, 3 и 4 состоят, в основном, из одинарных слоев детекторных элементов, тогда как станции 2, 5, 6 и 7, чья информация используется системой Триггера Первого Уровня, содержат двухслойные камеры. В последнем случае дублирующие друг друга слои детекторных элементов, покрывающие один и тот же пространственный промежуток, позволяют гарантировать эффективность регистрации заряженных частиц одной камерой 99%, что является критичным с точки зрения Системы Отбора Событий. Как в двойных, так и в одинарных камерах детекторные элементы могут иметь различную пространственную ориентацию в плоскости x–y, что обеспечивает более точную реконструкцию трека.

Таблица 2.6. Особенности конструкции станций ТС. ДС/ОС – двойной/одинарный слой камер, 0/ + / обозначает ориентацию считывающих элементов камер под углом 0/ + 5/5 по отношению к оси y Кодовое Число Oриентация Станция Тип z, cm название слоев слоев 0, + Внутр. MS1 201 2 ДС +, 0, Внеш. MC1 209.5 3 ОС 00,, 0, ++, Внутр. MS10 720 3 ДС, 2 ОС 0,, 0, ++ 00 Внеш. PC01 732.0 3 ОС, 3 ДС 0, + Внутр. MS11 758.5 2 ДС 0, +, 0,, 0, + Внеш. PC02 764.5 6 ОС 0, + Внутр. MS12 785. 2 ДС 0, +, 0,, 0, + Внеш. PC03 791.0 6 ОС 00,, 0, ++, Внутр. MS13 811.5 3 ДС, 2 ОС 0,, 0, ++, 00, Внеш. PC04 823.5 3 ОС, 3 ДС 00, ++, Внутр. MS14 1175.0 3 ДС ++, 00, Внеш. TC01 1184.0 3 ДС 00, ++, Внутр. MS15 1293.5 3 ДС ++, 00, Внеш. TC02 1320.0 3 ДС 2.6.1. Внутренний Трекер Подсистема Внутреннего Трекера [39] перекрывает зону от 10 до 100 мрад вокруг протонной трубы – внутреннюю и наиболее радиационно загруженную часть диапазона геометрической чувствительности HERA-B. Каждая станция Внутреннего Трекера состоит из нескольких слоев микростриповых газовых камер (МГК, технология MSGC–GEM) с различными ориентациями стрипов в пространстве: и ±5 по отношению к вертикали. Каждый слой представляет собой совокупность четырех МГК Г–образной формы, которые перекрываются таким образом, чтобы достичь 100%–ной геометрической эффективности (см. рис. 2.8). Такое разделение выбрано, чтобы, во–первых, уменьшить загрузку в пересчете на один стрип, и, во–вторых, иметь возможность раздвинуть слой для технического обслуживания. Каждый слой располагается на несущей плоскости, служащей также для крепления обслуживающих 11111111111111111111111 1:0.3 мм 11111111111111111111111 2:125 мкм 000000000000000000000000 3:18 мкм 11111111111111111111111 3:7 мкм 11111111111111111111111 GEM 11111111111111111111111 2:50 мкм 000000000000000000000000 3:7 мкм 3 мм 2.8 мм a) b) 0.4 mm 300 мкм 10 мкм 170 мкм Рис. 2.8. a) один слой камер (4 шт.) Анод Катод Внутреннего Трекера;

b) двойной Рис. 2.9. Технология MSGC–GEM: 1– слой камер Внутреннего Трекера G10, 2–каптон, 3–медь (±5) кабелей и считывающей электроники.

Одинарная камера (см. рис. 2.9) представляет собой газонаполненный (смесь Ar/CO2 в пропорции 70%:30%) контейнер, который включает в себя дрейфовый электрод (стеклотекстолит G10 + медное покрытие) в районе фронтальной поверхности, пластину изолятора (стекло + аморфное покрытие на базе углерода), несущую набор анодных и катодных стрипов, и специальную перфорированную фольгу (GEM) между ними, разбивающую объем камеры на две части с различными коэффициентами газового усиления (КГУ). Это позволяет, в условиях фиксированного общего КГУ камеры, уменьшить эффективный КГУ промежутка между фольгой и стрипами и за счет этого избежать нежелательных искровых разрядов между анодами и катодами, спровоцированных высоко–ионизирующими частицами. Перфорированная фольга GEM расположена таким образом, что зазор между ней и дрейфовым электродом составляет 3 мм, что гарантирует время сбора сигнала на аноде в пределах 96 нс. Относительно большой зазор между GEM и плоскостью электродов (2.8 мм) позволяет сохранить однородность распределения газового коэффициента усиления в пространстве на приемлемом уровне. Рабочие величины последнего составляют для промежутка электрод–GEM и 200 для зазора GEM–изолятор [40].

В целом, камеры, базирующиеся на вышеописанной технологии MSGC– GEM, обладают хорошей радиационной стойкостью и способны адекватно функционировать в условиях высоких загрузок центральных областей HERA-B.

В суперслоях MS1–MS13 задействованы камеры размером 23 25 см2, шагом считывающего промежутка 300 мкм, шириной анода 10 мкм и катода 170 мкм. МГК суперслоев MS14–MS15 имеют размер 27 27.5 см2 и шаг считывающего промежутка 350 мкм. Каждая МГК включает в себя ячейки.

Система считывания Внутреннего Трекера базируется на 128–канальных микросхемах HELIX и практически идентична уже описанной выше системе считывания Вершинного Детектора (см. раздел 2.4.).

2.6.2. Внешний Трекер Внешний Трекер [42] перекрывает диапазон от 25 см до 3 м вокруг оси пучка. Каждая станция представляет собой суперслой больших камер (см. рис. 2.10), собранных из отдельных дрейфовых газовых трубок с сечением в виде правильного шестиугольника (технология Honeycomb). Схематическое изображение детекторного элемента, а также структуры двойных и одинарных слоев камер, представлено на рис. 2.11.

Сигнальные (анодные) проволочки диаметром 25 мкм натянуты вдоль каждой трубки по ее центру и припаяны к специальным непроводящим FR4– стрипам для фиксации их положения (точность лучше, чем 50 мкм). Роль катодов исполняют внешние стенки ячейки, сделанные из фольги на базе материала Pokalon–C (75 мкм) с напыленным на нее с внутренней стороны 00000000 11111111 2м 00000000 11111111 11111111 00000000 Передача 11111111 00000000 000000 111111 сигнала.

11111111 00000000 00000000 11111111 проволоч 11111111 00000000 ки 75 мкм 11111111 00000000 00000000 11111111 0.2 м 11111111 00000000 00000000 11111111 Рабочая 11111111 00000000 зона.

11111111 00000000 проволоч 00000000 11111111 11111111 00000000 ки 25 мкм 00000000 11111111 11111111 00000000 Мертвая 11111111 00000000 зона.

00000000 11111111 11111111 00000000 11111111 00000000 Рабочая 00000000 11111111 зона.

00000000 11111111 проволоч 11111111 00000000 00000000 11111111 ки 25 мкм Слой 2- Слой 2- Слой 1- Слой 1- a) b) Рис. 2.10. a) модуль Внешнего Трекера;

b) фрагмент суперслоя Внешнего Трекера (слои 0, ±5 ) Сигнальные проволочки Фольга Pokalon-C FR стрип Двойной слой Одинарный слой 5/10 мм Рис. 2.11. Технология Honeycomb (газовые трубки гексагонального сечения) золотым покрытием. В периферийных областях детектора с небольшими загрузками используются трубки с максимально возможным размером 10 мм. Эта цифра диктуется тем условием, что время сбора заряда в ячейке должно быть меньше временного промежутка между соседними банчами HERA. По этой же причине в качестве рабочего газа выбрана смесь, содержащая CF4 (Ar/CF4/CO2 в пропорции 65%:30%:5%) которая обеспечивает высокие скорости дрейфа при приемлемых значениях рабочих напряжений. Центральные области вблизи протонной трубы оборудованы камерами, содержащими трубки размером 5 мм. Последняя величина определяется значениями максимальной величины загрузки ( 20%) и требованием стабильности высокого напряжения, приложенного к газовому промежутку.

Один или два слоя газовых трубок составляют одну камеру (или модуль) размером 30 см 4.5 м. Внутренняя структура модулей различается в зависимости от их положения по отношению к оси пучка. Три типа камер отражают изменение сегментации слоев вдоль y–координаты, необходимое для поддержания загрузки на требуемом низком уровне. Так, периферия оборудована модулями, состоящими из трубок с одной анодной проволочкой, протянутой вдоль всего рабочего объема. Ближе к центру установлены камеры второго типа, в которых верхняя и нижняя половины газовых трубок обслуживаются отдельными проволочками с независимым считыванием.

Наконец, в самых внутренних и наиболее загруженных областях используются модули конструкции, представленной на рис. 2.10 (двойной слой). Камера подразделяется в продольном направлении на большую рабочую зону, мертвую зону, малую рабочую зону и зону передачи сигнала. В малой рабочей зоне аноды имеют небольшую длину (20 см) и крепятся к толстым проволочкам (бериллий / медь) длиной около двух метров, служащих для передачи сигнала вовне камеры, но не для его усиления. В большой рабочей зоне сбор сигнала осуществляется во всем ее объеме. Подобная сложная конструкция позволяет уменьшить эффективную загрузку станции трекера.

Для достижения 100%–ной геометрической эффективности каждая камера третьего типа включает в себя как минимум два слоя, комплементарных по отношению друг к другу.

Система считывания Внешнего Трекера [43] базируется на использовании 8–канальной микросхемы ASD–8 [44], которая включает в себя усилитель, формирователь сигнала и дискриминатор. Выходы ASD–8 подключены к 128–канальной карте время–цифрового преобразователя (ВЦП). Последняя содержит также кольцевой буфер, позволяющий запоминать показания Внешнего Трекера для 128 последовательных событий. Нужная информация затем может быть вычитана по запросу Системы Сбора Данных HERA-B.

Величина временного разрешения одного канала ВЦП составляет 0.14 нс, что эквивалентно точности измерения координаты 11 мкм.

Интерфейс ТС для коммуникаций с Системой Отбора Событий будет описан ниже в разделе 2.11..

2.6.3. Рабочие характеристики ТС 1) Внутренний Трекер [40, 41]:

• среднее отношение сигнал / шум: 14;

• эффективность одной камеры: 90%;

• собственное разрешение: x 110 мкм, пространственное y 1 мм.

2) Внешний Трекер [45]:

• эффективность регистрации частицы в ячейке детекторного элемента: 92 98%;

• эффективность проведения треков: 95% для частиц с импульсом, превышающим 5 ГэВ/c;

• собственное пространственное разрешение (x–координата):

300320 мкм;

• импульсное разрешение: p /p(%) = (1.61 ± 0.02) (51 ± 6) 104p для мюонов с импульсом p в диапазоне 1080 ГэВ/с.

2.7. Детектор Частиц с Большим Поперечным Импульсом (ДБПИ) Основной задачей Детектора Частиц с Большим Поперечным Импульсом (ДБПИ) [46] является выработка сигнала для предварительной селекции распадов, содержащих энергичный адрон (pT 1.5 ГэВ/c). В число подобных процессов входят, к примеру, каналы B 0 + и B 0 a±, анализ которых позволяет вычислить синус двойного угла треугольника унитарности, а также разнообразные редкие распады В–мезонов. Методика отбора событий базируется на анализе особенностей пространственной картины прохождения через магнитное поле заряженных частиц, регистрируемых при помощи нескольких плоскостей трековых камер, размещенных в соответствующем регионе спектрометра. Треки частиц с большим поперечным импульсом обычно или тяготеют к менее сильному искривлению в магнитном поле, или направлены под большим углом к оси z, поэтому сравнение карты относительного расположения сработавших ячеек каждого слоя с заданным набором нескольких матриц совпадений является эффективным способом предварительной селекции интересующих событий на аппаратном уровне.

Главными условиями, определяющими технологию и размер ячейки ДБПИ, являются:

1) высокие загрузки HERA-B. По этой причине в ДБПИ используются камеры не с проволочным, а с падовым считыванием сигнала;

Падовые пластины 0000000 0000000 1111111 1111111 5.0 мм 0.001 Каптон 1111111 0.0007 Cu - сбор заряда 0.003 Каптон 0.0007 Cu (пады) a) b) Рис. 2.12: a) пиксельная камера (фрагмент);

b) трубочная камера (фрагмент) 2) ограничения системы Триггера Первого Уровня на количество передаваемых ей кандидатов в энергичные адроны и требование высокой эффективности селекции нужных событий уже на стадии Адронного Претриггера. Частота поступления событий, отобранных ДБПИ, в систему Триггера Первого Уровня не должна превышать 20 МГц. Иначе говоря, фактор подавления фоновых событий должен составлять как минимум 500;

эта цифра определяет количество станций детектора, размеры ячейки для каждого из них и числовые параметры для рассчета матриц совпадений;



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |
 

Похожие работы:





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.