Адронный калориметр и дополнительная мюонная система установка ДЕЛФИ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.01, кандидат физико-математических наук Садовский, Андрей Борисович

• Садовский, Андрей Борисович
• кандидат физико-математических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Садовский, Андрей Борисович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Применение пластиковых газоразрядных детекторов в установках на современных е+е~ коллайдерах.

1.1 Установки на современных е+е~ коллайдерах, на примере установки ДЕЛФИ на ЛЭП.

1.2 Общие сведения о газоразрядных детекторах.

1.3 Стримерный режим.

ГЛАВА 2. Адронный калориметр (НАС) установки ДЕЛФИ.

2.1 Физическое обоснование.

2.2 Конструкция адронного калориметра.

2.3 Характеристики адронного калориметра и его современный статус.

2.4 Исследование характеристик пластиковых детекторов с /3-источником.

2.5 Работа пластиковых детекторов с различным значением ре-зистивности катода.

2.6 Изучение влияния добавок азота в состав газовой смеси на отклик пластиковых детекторов.

2.7 Исследование угловой зависимости отклика пластиковых детекторов адронного калориметра ДЕЛФИ.

ГЛАВА 3. Дополнительная мюонная система (MUS) уста новки ДЕЛФИ.

3.1 Физическое обоснование.

3.2 Конструкция MUS. Особенности конструкции детекторов.

3.3 Исследования прототипов считывающей электроники MUS.

3.4 Исследование характеристик модуля MUS с использованием космических мюонов.

ГЛАВА 4. Использование HCAL и MUS в физическом анализе е+е~-взаимодействий. Алгоритм выделения адронных струй в пространстве четырехмерных скоростей

4.1 Измерение формы Z0 резонанса.

4.2 Измерение корреляции между поперечными компонентами спина в распадах т.

4.3 Измерение т поляризации в распадах Z0.

4.4 Несохранение числа ароматов лептонов в распадах

4.5 Алгоритм выделения адронных струй в пространстве четырехмерных скоростей.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Адронный калориметр и дополнительная мюонная система установка ДЕЛФИ»

Изучение процессов образования частиц в е+е аннигиляции получило новое развитие после запуска в 1989 году большого электрон-позитронного коллайдера (LEP) в CERN. Детектор ДЕЛФИ (DELPHI-DEtector with Lepton, Photon and Hadron Identification) - один из четырех детекторов на ЛЭП, созданных для прецизионной проверки стандартной теории электрослабого взаимодействия Глэшоу-Вайнберга- Салама, выяснения числа поколений нейтрино, лептонов и кварков, проверки на новом уровне теории сильного взаимодействия (КХД) и поиска новых частиц [DEL82].

Для решения этих задач установка ДЕЛФИ обеспечивает: трехмерную пространственную информацию о каждой заряженной частице и измерение импульсов в магнитном поле; трехмерную информацию об энерговыделении в электромагнитном и адронном калориметрах; точное определение координат вершины события; хорошее разрешение и высокую гранулярность всех компонентов установки; идентификацию частиц практически в полном телесном угле, в том числе и с помощью детектора колец черенковского излучения.

Актуальность темы диссертации.

Одним из наиболее популярных детекторов в установках ЛЭП являются пластиковые газоразрядные детекторы, которые используются, как в калориметрии, так и для измерения координат треков заряженных частиц. Для применения этих детекторов в установке ДЕЛФИ актуальным было изучение свойств, оптимизация параметров и разработка методики их массового производства.

Целью диссертационной работы является: Изучение характеристик детекторов и оптимизация их параметров для использования в установке ДЕЛФИ в качестве активных элементов: адронного калориметра; дополнительной мюонной системы.

Разработка методики массового производства детекторов, необходимых для создания адронного калориметра и дополнительных мюонных камер ДЕЛФИ.

Изготовление более 20000 детекторов, их сборка и проверка, контроль и поддержка работы в условиях многолетнего физического эксперимента.

Физический анализ данных е+е~ взаимодействий , полученных на установке ДЕЛФИ в диапазоне энергии ЛЭП.

Научная новизна работы. В диссертационной работе н приведены новые результаты экспериметальных исследовании характеристик пластиковых газоразрядных детекторов(ПГД) ; показана стабильность работы таких детекторов в стримерном и пропорциональном режимах при длительной эксплуатации в условиях физического эксперимента;

Научно-практическая ценность работы: реализовано применение ПГД в качестве активных детекторов адронного калориметра и координатных детекторов мюонной системы установки ДЕЛФИ на ЛЭП; накоплен опыт изготовления и проверки пластиковых газоразрядных детекторов в условиях массового производства; на основе ПГД создан адронный калориметр и дополнительная мюон-ная система установки ДЕЛФИ;

Автор защищает:

-проведенные методические работы, в результате которых были исследованы характеристики работы пластиковых детекторов: влияние скорости протока газовой смеси и различных добавок кислорода и азота на работу детекторов в стримерном и пропорциональном режиме; влияние значения резистивности катода с углеродным покрытием на стабильность работы ПГД и измерение зарядовых характеристик ПГД; зависимости амплитуды анодного и наведенного на внешний считывающий электрод зарядов, от расстояния до стримера и от угла пролетающей через детектор заряженной частицы; изготовление и испытание свыше 20000 ПГД, используемых в качестве активных детекторов адронного калориметра ДЕЛ ФИ; разработку и создание дополнительной мюонной системы установки ДЕЛ-ФИ, использующую ПГД работающие в пропорциональном режиме; новый алгоритм реконструкции струй в адронных событиях, реализованный в рамках релятивистски-инвариантного подхода.

Структура диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы экспериментальной физики», Садовский, Андрей Борисович

Основные выводы диссертационной работы опубликованы в [1-7]. Кратко их можно сформулировать следующим образом:

I. Проведены методические работы и исследованы характеристики работы пластиковых детекторов. В том числе: изучено влияние скорости протока газовой смеси и добавок кислорода и азота, на работу детекторов в стримерном и пропорциональном режиме; изучено влияние значения резистивности катода с углеродным покрытием на стабильность работы проволочных детекторов и измерены зарядовые характеристики; исследована зависимость амплитуды анодного и наведенного на внешний считывающий электрод зарядов от расстояния до стримера и от угла пролетающей через детектор заряженной частицы.

II. Изготовлено и испытано свыше 20000 ПГД, используемых в качестве активных элементов адронного калориметра. Контроль работы этих детекторов в условиях физического эксперимента показал их высокую работоспособность и надежность.

III. На основе ПГД, работающих в пропорциональном режиме разработана и создана дополнительная мюонная система (MUS) установки ДЕЛ-ФИ площадью ~ 60 м2. БШи исследованы ее основные параметры, такие как эффективность и координатное разрешение. Включение этой системы в мюонную идентификацию ДЕЛФИ позволило повысить эффективность и герметичность установки.

IV. Предложен новый алгоритм реконструкции струй, реализованный в рамках релятивистски-инвариантного подхода.Эффективность предложенного алгоритма по сравнению с другими ( типа JADE ) изучена для моделированных событий.

В заключении автор выражает глубокую благодарность своему научному руководителю A.C. Водопьянову за постановку задач и руководство, а также

A.М.Балдину, Б.В.Батюне, Н.И.Зимину, З.В.Крумштейну, А.Г.Ольшевскому, Э.Н.Цыганову, за неоценимую помощь и поддержку.

Автор глубоко признателен коллегам и соавторам по совместной работе в Лаборатории высоких энергий, особенно В.М.Головатюку, Ал.И.Зинченко,

B.Н.Позднякову, В.Н.Рыжову, В.А.Сутулину, В.Г.Тимофееву, И.А.Тяпкину, Н.А.Филатовой.

Автор глубоко благодарен сотрудникам Лаборатории высоких энергий и Лаборатории ядерных проблем - участникам коллаборации ДЕЛФИ, коллективу Опытного производства ОИЯИ, а всей также Коллаборации ДЕЛФИ.

Автор благодарен руководству Лаборатории Высоких Энергий за поддержку исследований, результаты которых составляют основу настоящей диссертации.

Автор признателен своим близким, без терпения и доброго участия которых эта диссертация не могла бы состояться.

Публикации положенные в основу диссертации:

1. V.M.Golovatyuk, Z.Guzik, R.B.Kadyrov, T.S.Nigmanov, V.D.Riabtsov, A.B.Sadovsky, A.E.Senner, M.D.Shafranov, E.Streit, V.G.Timofeev , E.N.Tsyganov, I.A.Tyapkin, A.S.Vodopianov, J.Wojtkowska, N.I.Zimin. "Some characteristics of plastic streamer tubes". NIM А236Д985, p.306.

2. V.M.Golovatyuk, Z.Guzik, N.A.Filatova, R.B.Kadyrov, T.S.Nigmanov, V.D.Riabtsov, A.B.Sadovsky, E.N.Tsyganov, I.A.Tyapkin, N.I.Zimin. " Operation of plastic streamer tubes with high resistivity varnish". NIM A243, 1986, p.91.

3. А.С.Водопьянов, А.Б,Садовский. " Алгоритм выделения адронных струй в пространстве четырехмерных скоростей". Краткие сообщения ОИ-ЯИ, N5[68]-94, Дубна,1994.

4. N.Khovansky, Z.Krumshtein, A.Olshevski, A.Sadovsky, Yu.Sedykh, S.Czellar. J.Zaslavsky, J.Molnar, P.Sicho, Z.Tomsa. "Investigation of the readout electronics of DELPHI Surround muon chamber". Сообщение ОИЯИ, E13-95-522, Дубна, 1995.

5. Z.V.Krumstein, A.B.Sadovsky, Yu.V.Sedykh. "Investigation of angular dependence of the charge responce of the DELPHI Hadron calorimeter plastic tubes". Краткие сообщения ОИЯИ, N5[73]-95, Дубна,1995.

6. P.Abrey,., A.Sadovsky et al. "Performance of the DELPHI detector". NIM A378,1996,p.57

7. Z.V.Krumstein, A.B.Sadovsky "Influence of nitrogen and oxigen gas ad-dmixture on the responce of the DELPHI HCAL and MUS detectors". Краткие сообщения ОИЯИ, N4[84]-97, Дубна,1997.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Садовский, Андрей Борисович, 2000 год

1. Aarn91. P.Aarnio et al., Nucl. Inst, and Meth. A303 (1991) 233.

2. Abr81. H. Abramowicz et al., Nucl. Instr. and Meth.,v. 180, N2-3, (1981) 429.

3. Ale79. G.D. Alexeev et al., Lett. Nuovo cimento, 1979, v.25, N 5, p.157

4. Ale82. G.D. Alexeev et al., Sov.J.Particles and Nuclei., 13(3)p.293,1982.

5. ALE83. ALEPH Technical Proposal, CERN/LEPC/83-2 (1983).

6. Ale90. Alekseev G.A. et al., NIM A292 (1990) 551.

7. Ale92. G.Alexeev et al, Streamer monitor, 1992, unpublished

8. Ahme91. K.Ahmet et al., Nucl. Inst, and Meth. A305 (1991) 275.

9. Ama81. U.Amaldi, Phys.Scripta, 23 (1981) 409.

10. Ata81. M. Atac et al., Preprint Fermilab. FN-339, July 10, 1981.

11. Aug93. A.Augustinus, The Hadron Calorimeter Streamer tube Readout system, Users manual version 1993.01, 20 october 1993

12. Abre96. P.Abreu et al., Nucl. Inst, and Meth. A378 (1996) 57.

13. Bac78. C. Bacci et al., Phys. Lett. 86B (1979) 234.

14. Bal84. Baldin A.M, Сообщение ОИЯИ, Pl-84-04, Дубна (1984).

15. Bal86. Балдин A.M. и др., ЯФ, 1986, т.44, с.1209.

16. Ва187. Baldin A.M et а1.,в сб. Краткие сообщения ОИЯИ, Nl21]-87, 1997, Дубна, с.17.

17. Ва188. Балдин A.M. и др., ЯФ, 1988, т.48, с.995.

18. Bar83. T.Baroncelli et al, DELPHI NOTE 83-73 (1983).

19. Bat78. G. Battistoni et al., Nucl. Inst, and Meth. 152 (1978) 423.

20. Bat79. G. Battistoni et al., Proposal for an experiment on nucleon stability. Frascati-Milano- Torino (1979).

21. Bat80. G. Battistoni et al., Nucl. Inst, and Meth. 176 (1980) 297.

22. Bat82. G. Battistoni et al., Nucl. Inst, and Meth. 202 (1982) 495.

23. Bau87. G.Bauer et al., Nucl. Inst, and Meth. A253 (1987) 179.

24. Ben87. Bengtsson M., Sjostrand T. Nucl. Phys., v. B289, p. 810,(1987).

25. Bet88. S. Bethke et al., Phys. Lett. v. 213B (1988) 235.

26. Beu90. E.Beuville et al., Nucl. Inst, and Meth., A288 (1990) 157.

27. Beu92. E.Beuville et al., IEEE Trans. Nuclear Science, v.39 (1992) 766

28. Bra64. Brandt S. et al., Phys. Lett. 12B (1964) 57.

29. Bro87. R.C.A. Brown , DELPHI note 87-14 GAS 13

30. Bro89. R.C.A. Brown et all. Distributed controls for the DELPHI gas supply system, IEEE Trans on Nucl. Scien, Vol. 36, No. 1, February 1989

31. Busz88. W. Busza, Nucl. Inst, and Meth. A265 (1988) 210.

32. Cha75. S. Brehin et al., Nucl. Inst, and Meth. 123 (1975) 225.

33. Cha78. G.Charpak et al., IEEE Trans. Nucl. Sci. 1978, NS-25, p 122.

34. Dau81. Daum H.J. -Z.Phys., v8, p.l76.,(1981).

35. Deca90. D.Decamp et al., Nucl. Inst, and Meth. A294 (1990) 121.

36. DEL82. Physics arms of the DELPHI Collaboration, DELPHI-82-2 (1982).

37. DEL83. DELPHI Technical Proposal, CERN/LEPC/83-3 (1983).

38. DEL91. DELPHI Collaboration, Nucl. Inst, and Meth., A303 (1991) 233.

39. Del92. DELPHI Collaboration, DELPHI note 92-139 TRACK 71

40. DEL95. DELPHI Collaboration, CERN-EP/95-194 (1995) .

41. Del9408. DELPHI Collaboration, CERN-EP/94-08 (1994) .

42. Del9530. DELPHI Collaboration, CERN-EP/95-30 (1995) .

43. Гри89. Гришин В.Г. и др. Сообщение ОИЯИ, Р1-89-693, Дубна (1989).

44. Gre78. В. Grelaud et al., LAL-78/25 (1978).

45. Gru70. С. Grunbers et al., Nucl. Inst, and Meth. 78 (1970) 102.1.a79. S.Iwata, Nagoya University report DPNU-3-79 (1979).

46. Jon79. M. Jonker et al., Nucl. Inst, and Meth.kad91. John A.Kadyk, "Wire Chamber Aging", NIM A300 (1991) p.436

47. Kho93. Khomenko B.,Smadja G., DELPHI NOTE 93-38 CAL 102.

48. Kur93. Kurvinen K., Memorandum to DELPHI HCAL Group, Streamer

49. L3 Technical Proposal, CERN/LEPC/83-5 (1983).1.p85. Lapin V., Obraztsov V. DELPHI NOTE 85-59 CAL 14.1.c94. LeCroy 1994 Research Instrumentation Catalog,1994, p.95.

50. Mal36. L. Malter, Phys.Rev., 1936, 50, p. 48.

51. Nill81. H.P. Nilles and K.H. Streng, Phys.Rev.,D23(1981),1944.

52. OPL83. OPAL Technical Proposal, CERN/LEPC/83-4 (1983).

53. Pan81. W.K.H.Panovsky, Proc. Int. Symp. on Lepton and Photon Interaction at High Energies, Bonn (1981) 957.

54. PLB404. DELPHI Collaboration, P.Abreu et al., Phys. Lett. 404B (1997) 194.

55. Pie84. A.Piesert and F.Sauli, CERN 84-04, 1984.

56. Rub84. C.Rubbia, CERN-EP/84-135 (1984) .

57. Sjo92. Sjostrand T. CERN-TH/6488-92 ,(1992).

58. SLD84. SLD Disign Report, SLAC-274 (1984).

59. Spa92. Spassov Tz. DELPHI NOTE 92-52 PROG 185,

60. Spassov Tz., Yepes P. DELPHI NOTE 92-53 PROG 186.

61. Tch93. Tchikilev 0. DELPHI NOTE 93-144 CAL 109. Charge vs. Angle of Incidences of Cosmic Muons, 12.07.1993.

62. Tow47. J.Townsend,"Electrons in Gases", Hutchinson, London, 1947.

63. Wu84. S.L.Wu, Phys. Reports, 107 (1984) 61.