Электромагнитный калориметр для больших углов детектора Clas тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.16, кандидат физико-математических наук Сапуненко, Владимир Викторович

• Сапуненко, Владимир Викторович
• кандидат физико-математических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Сапуненко, Владимир Викторович

Введение.

Программа физических экспериментов и детектор CLAS.

Основные характеристики детектора CLAS.

Постановка задачи.

Глава I Описание экспериментальной установки.

Ускоритель.

Детектор (Спектрометр CLAS).

Тороидальный магнит.

Дрейфовые камеры.

Черенковский счётчик.

Электромагнитные калориметры.

Система времени пролёта.

Система сбора данных.

Обработка данных.

Калибровка детектора.

Реконструкция событий.

Реконструкция треков заряженных частиц.

Реконструкция времени старта.

Сопоставление данных из разных подсистем.

Идентификация заряженных частиц.

Идентификация нейтральных частиц.

Процесс окончательной обработки.

Глава II Электромагнитный калориметр для больших углов.

Определение проектных характеристик.

Проектирование калориметра.

Выбор и тестирование материалов.

Измерение длины поглощения.

Оценка количества фотоэлектронов.

Время распространения светового импульса в блоке сцинтиллятора

Система сбора и передачи света.

Фотоумножители.

Электроника.

Тестирование калориметра в сборе.

Глава III Моделирование и реконструкция событий.

Коррекции времени.

Коррекции амплитуды.

Реконструкция событий.

Определение коэффициента конверсии ADC-энергия.

Оценка энергетического и временного разрешения.

Глава IV Калибровка и мониторинг детектора.

Калибровка по энергии.

Калибровка по времени.

Мониторинг калориметра в реальном времени.

Глава V Изучение эффективности калориметра на пучке.

Отклик на ионизирующие частицы.

Отклик на электромагнитные ливни.

Оценка временного разрешения.

Регистрация у-квантов и реконструкция распада к0.

Разделение у-квантов и нейтронов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Электромагнитный калориметр для больших углов детектора Clas»

Эксперименты по электронному и фотонному рассеянию на адронных мишенях оказывали и оказывают определяющее влияние на развитие и расширение наших представлений о строении вещества. Обычно в таких экспериментах для регистрации рассеянного электрона используют магнитные спектрометры, покрывающие сравнительно небольшие телесные углы (порядка нескольких мер). Принципиальное преимущество таких спектрометров заключается в высокой разрешающей способности и относительно низкой чувствительности к побочным процессам, поскольку детектор в таких системах располагается, как правило, в зонах, хорошо защищенных от пучка. Однако очевидным недостатком таких аппаратов является низкий аксептанс как по телесному углу, так и по импульсу. Таким образом, на практике такие эксперименты ограничены одновременной • регистрацией двух (трёх в некоторых специальных случаях) частиц. Кроме того, случайные совпадения существенно ограничивают возможность выделения некоторых каналов в фазовом пространстве, где регистрируемые частицы не сильно коррелированны. Следует отметить, что для набора достаточной статистики из-за очень низкого аксептанса необходимо использование сильноточного пучка, что, в свою очередь, накладывает существенные ограничения на материал и свойства мишени. Высокая эффективность регистрации конечных продуктов электронного рассеяния также необходима в экспериментах с несколькими частицами в конечном состоянии, типичными примерами которых являются рождение возбужденных мезонов и барионов. Для получения более подробной информации о структуре нуклонов и ядер необходимо изучение эксклюзивных каналов. Например, исследование возбужденных состояний нуклонов требует надёжного определения спина, четности и изоспина, что может быть достигнуто путем изучения их каналов распада, для чего в свою очередь необходимо проведение эксклюзивных измерений.

Все перечисленные выше ограничения успешно преодолеваются при использовании так называемых 4тс-детекторов. Такого типа детекторы обычно используются в сочетании с пучками меченых фотонов - например TAGX [1], SAPHIR [2], и DAPHNE [3]. Мгновенная интенсивность пучка изп за случайных совпадений ограничена величиной в -10 меченых фотонов в секунду и приводит к сравнительно низкому фону при использовании 4л;-детекторов.

Таблица 1. Детекторы большого аксептанса в экспериментах электронного рассеяния

Установка Е (ГэВ) DW (ср) 5р/р (FWHM) L (cm'V)

DESY 7 «371 4-10'3 1.5-10"31

Cornell 12 «2.5тг 2-10"2 3.2-10"32

Bonn 2 0.5 3-Ю"2 1.8-10"34

В экспериментах электронного рассеяния на неподвижной мишени нет таких простых ограничений, однако светимость, приемлемая для 4тг-детекторов, будет ограничена другими факторами, например высоким электромагнитным фоном, который приводит к перегрузке элементов детектора. В качестве примеров 47г-детекторов (детекторов большого аксептанса), работающих с электронным пучком, можно привести детектор LAME, который работал на 12-ти ГэВ-ом синхротроне в Корнелл с мгновенной светимостью 3.2-1032 cm"V, а также детектор HERA,

31 2 1 работающий со светимостью в 5-10 см" с" на поляризованной мишени (ограничено практически достижимой плотностью мишени) и 4-1032 cm'V1 на неполяризованных мишенях.

Для решения этих задач необходимо совместно использовать детектор большого аксептанса и ускоритель непрерывного действия, обладающий большой интенсивностью пучка. Такая экспериментальная установка позволит изучать как эксклюзивные реакции, связанные с рождением многих частиц в конечном состоянии, так и инклюзивные и семиинклюзивные процессы, одновременно покрывая широкую кинематическую область в одном эксперименте.

В прошлом основными препятствиями в реализации детекторов большого аксептанса были технические и технологические проблемы, достаточно сложные для небольших научных групп, занимавшихся проблемами промежуточных энергий. Произошедшие за последние 20 лет значительные успехи в развитии электронных ускорителей непрерывного действия, технологии регистрации частиц привели к усилению интереса физического сообщества к физике промежуточных энергий и к формированию крупных интернациональных коллективов, способных реализовывать крупные проекты.

Введение в строй нового электронного ускорителя непрерывного действия, построенного в лаборатории им. Джефферсона (Jefferson Lab, USA) обладающего рекордными параметрами пучка (см. табл. 2), открыл качественно новые возможности для исследований в области физики

Таблица 2. Характеристики ускорителя CEBAF

Максимальная энергия 5.7 ГэВ

Максимальный ток 200 мкА

Степень поляризации 80%

Разброс по энергии ЛЕ/Е <10"4 сильных взаимодействий. Еще до экспериментов в JLAB в мире были накоплены обширные данные о динамике сильных взаимодействий при высоких энергиях (десятки-сотни ГэВ), соответствующих шкале расстояний

10"1:>см. Экспериментальные данные по глубоко неупругому рассеянию электронов, е+е" - аннигиляции с рождением адронов позволили в 70-80 годы создать фундаментальную калибровочную теорию сильных взаимодействий -калибровочную хромодинамику (КХД) [4]. Квантовая хромодинамика сводит всё многообразие сильных взаимодействий к фундаментальным процессам, в которых цветные кварки обмениваются калибровочными частицами -переносчиками сильного взаимодействия - глюонами (Рис. 1а). Амплитуда этого процесса пропорциональна "бегущей" константе сильного взаимодействия as, её пространственно-временная функция идентична электромагнитной. а) б) в)

Рис. 1. Фундаментальные механизмы сильного взаимодействия: а) взаимодействие кварков с глюонами, б) тройная глюонная вершина, в) четверная глюонная вершина.

Кардинальные отличия механизмов сильного взаимодействия от других фундаментальных взаимодействий определяется т.н. "самодействием" глюонов. Глюоны, в отличие от фотонов, обладают "зарядом" - цветом и взаимодействуют друг с другом как показано на Рис. 16,в. Амплитуды этих взаимодействий также пропорциональны бегущей константе сильного взаимодействия as. Наличие дополнительных вершин (Рис. 16,в) приводит к совершенно отличному поведению бегущей константы сильного взаимодействия as в зависимости от расстояния, по сравнению с эффективной константой электромагнитного взаимодействия еет. Константа as

2 13 1 уменьшается с расстоянием от единицы (А —10" см - размер нуклона) до 10"

2 IS

A ~ 10" см). Это явление получило название асимптотической свободы кварков на малых расстояниях (<10~15см), и конфаймента кварков на больших (~10"13см).

На малых расстояниях кварки и глюоны слабо взаимодействуют друг с другом. Амплитуды сильных процессов могут быть рассчитаны в рамках фундаментальных механизмов КХД в виде разложения по степеням (as)N и сопоставлены с экспериментом.

1.5 1

0.5

0 1,5 1

0.5 0 1.5 1

0.5 О х = хЗ.ооооэ г У x = g<6aoi3 г У .

X = 0.0005

I I I 111 il I I м I п

X = 0.0032 ""I■ .

J■ .I ■ ' И"

X = 0.0008,' uiiL

X = 0.005 mi.

X = 0.Р002 У nxiL

Х= 0.0013

X = 0.008 гI III mil.Ill

X = 0.00032 У

Mill

X = 0.002

I I ' Ml.llI I I mill С о ей О

XJ — о О

•HI 96-97 □QCD fit (H1) -P2(lnQ2) 1

10

10

10

Qz/GeV®

2 2 2 Рис. 2. Структурные функции протона F (x,Q ) , как функция Q для различных значений (интервалов) х (точки). Непрерывная линия

2 2 2 представляет подгонку полиномом Р (x,Q ) = а(х) + b(x) InQ +

2 2 c(x)(lnQ ) Пунктир - расчеты по КДХ (NLO QCD fit) данных HI для Q2 > 3.5 GeV2 )

На Рис. 2 сравниваются экспериментальные данные по структурным функциям глубоконеупругого инклюзивного рассеяния электронов Fa(x,(f) [5], полученных на ускорителе HERA, (Германия) с результатами расчетов этих функций в рамках фундаментальных механизмов КХД. Как следует из приведенного на Рис. 2 сравнения, КХД хорошо описывает инклюзивные данные по глубоконеупругому рассеянию в исключительно широкой области

2 15 малых расстояний (А <10" см), отвечающей изменению энергии виртуального фотона от 30 до 5000 ГэВ . Поскольку инклюзивный процесс является суммой всех возможных реакций, столь хорошее описание экспериментальных данных в столь большом диапазоне малых расстояний однозначно подтверждает статус КХД как фундаментальной теории сильных взаимодействий и блестяще иллюстрирует возможности КХД описывать сильные взаимодействия на малых расстояниях. см

Ll. О

К=0л0«и*-0.0см08 с,=4в Cj-35

-0.00013

10

1 Г

Н1 96-97 Н1 94-97 high Q* тс

10

10

QCD Fit (Н1) QCD Fit (H1+BCDMS) extrapolated Fits

10' о rs jra о О

Q/GeV

2 2

Рис. 3. Протонные структурные функции F (x,Q ) измеренные в HI и NMC экспериментах.

Иная ситуация имеет место в области расстояний, соответствующих переходу между конфайнментом и асимптотической свободой кварков (10"13

2 1S

A <10" см). Как отмечалось выше, бегущая константа as растёт с увеличением расстояния и в переходной области становится сравнимой с единицей. В результате оказывается невозможным выполнить расчеты амплитуд сильных процессов в пертурбативной теории возмущений, т.к. ряд по степеням (as)N быстро теряет сходимость. Это означает, что динамика сильного взаимодействия становится существенно непертурбативной. В нее даёт вклад множество механизмов, которые хотя и сводятся к фундаментальным КХД процессам, но не могут быть надежно предсказаны. Это означает, что для понимания природы непертурбативных сильных взаимодействий необходимо как можно более широкие экспериментальные данные по совокупности реакций, формирующих различные конечные адронные состояния.

Программа физических экспериментов и детектор CLAS

Наличие в JLAB непрерывного пучка электронов с рекордными параметрами и детектора большого аксептанса CLAS [6], построенного при тесной кооперации ученых из 16-ти стран, открыло качественно новые возможности для исследования непертурбативных сильных взаимодействий в полной совокупности эксклюзивных каналов реакций с фотонами и электронами. Центральной задачей обширной программы экспериментов, выполняемой на детекторе CLAS международной коллаборацией, является изучение структуры адронов, динамики сильных взаимодействий и их эволюции с расстоянием в области перехода от конфаймента к асимптотической свободе кварков [7]. Это новое и приоритетное направление в современной физике сильных взаимодействий. Отличительной особенностью экспериментов на детекторе CLAS является использование в качестве частиц-зондов реальных и виртуальных фотонов, являющихся калибровочными частицами КЭД. Динамика их формирования и взаимодействие во входном канале реакции хорошо известна и описывается рамках КЭД. Эти обстоятельства обеспечивают преимущество в интерпретации данных реакции с реальными и виртуальными фотонами. Фоновые условия эксперимента также обеспечивают преимущества сравнительно с пучками адронов.

Можно выделить следующие основные направления исследований структуры адронов и динамики сильных взаимодействий в экспериментах на детекторе CLAS:

• Исследование структуры возбужденных состояний нуклона N и её эволюция с расстоянием (10"13 <А2<10"15см);

• Исследование партонных распределений в нуклоне в области больших значений Бьёркеновской переменной х (х>0) и малых

2 2 виртуальностей фотона (Q <4.0 ГэВ ) в инклюзивных процессах и семиинклюзивном рождении мезонов;

• Исследование конкуренции жестких и мягких механизмов сильного взаимодействия в эксклюзивных каналах рождения мезонов;

• Исследование новых типов структурных функций нуклона GPD в эксклюзивных и семиинклюзивных реакциях.

Программа физических экспериментов требует создания детектора, способного одновременно измерять все кинематически открытые каналы реакции под действием реальных и виртуальных фотонов на нуклоне и атомных ядрах. Детектор должен позволять регистрировать все частицы конечного адронного состояния в диапазоне углов, близкому к 4л. Регистрация событий должна производиться в режиме событие-за-событием с определением типов частиц и их четырёх импульсов в каждом событии.

Это качественно новые требования, которым не удовлетворяют существующие в мире детекторы, используемые как в физике средних, так и в физике высоких энергий.

Ниже представлены отдельные результаты последних экспериментов, выполненных на детекторе CLAS. Все эти эксперименты требовали измерения различных многочастичных эксклюзивных каналов в области перекрываемых углов эмиссии конечных частиц, близкой к 4я. Поэтому, использование детектора CLAS обеспечивало либо преимущественные, либо единственные возможности исследования таких процессов.

Современные модели барионов в рамках общих принципов симметрии предсказывают наличие значительно большего числа возбужденных состояний нуклона N , чем обнаружено во всех выполненных экспериментах с пучками адронов, фотонов и электронов. Поиск таких необнаруженных состояний, названных "гш55/^"-резонансами, является приоритетной задачей адронной спектроскопии. Возможной причиной того, что "missing"-резонансы не были обнаружены, может быть малая вероятность их распада на конечные состояния с одиночным пионом. Современные данные по N* до экспериментов на детекторе CLAS были ограничены данными по жЫ рассеянию, фото- и электро- рождению одиночных пионов. В таких реакциях наблюдать нуклонные резонансы N, имеющие малую вероятностью распада на однопионные конечные состояния, достаточно сложно. Согласно кварковым моделям [8], вероятность распадов "гш55/>^"-резонансов на состояния с двумя пионами значительно больше вероятности однопионного распада. Электромагнитные формфакторы "missing" и обнаруженных возбуждений нуклона ожидаются сравнимыми. Это делает перспективным поиск "missing" состояний в реакциях рождения пар пионов реальными и виртуальными фотонами.

В последних экспериментах, проведенных коллаборацией CLAS [9], были выполнены детальные измерения сечений рождения виртуальными фотонами пар заряженных пионов на протоне. Данные получены для инвариантных масс конечной адронной системы с ^<2.1 ГэВ, 2 перекрывающей всю область энергий возбуждения N. Q виртуального фотона при этом изменялась от 0.5 до 1.5 ГэВ. Целью исследований являлся

12 поиск "m/jjmg"-pe30HaHC0B и измерение электромагнитных формфакторов высоколежащих возбуждений нуклона с массами более 1.6 ГэВ.

На Рис. 4 Приведены данные по Ж-зависимости интегрированных сечений реакции у„р-^>ж+ж~р при нескольких значениях Q2. Для каждой пары величин (W.Q2), показанных на рисунке 3, были получены наборы дифференциальных сечений, описывающих трёхчастичное конечное состояние; распределения по инвариантным массам систем (7г+ж~), (ж/?), dt dt — dt

-,-и угловые распределения для угла эмиссии ж мезона--. dM + dM dQ,

X X п* р "

Анализ этих данных был выполнен в рамках феноменологической модели описания рождения ж+ж~ пар реальными и виртуальными фотонами [10,11], развитой в коллаборации МГУ(Россия) - JLAB(CIUA) - ГГчГРТчГ(Италия). 30

7 25

20

15

10 5 0

1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2 2.1

W Or.'

Рис. 4. W-зависимости интегрированных сечений реакции yvp—>я+71-р при нескольких значениях Q2.

В настоящее время этот подход является уникальным для исследования рождения пар пионов при W>1.6 ГэВ. Модель [10,11] связывает электромагнитные формфакторы N* с измеренными сечениями, позволяя извлечь формфакторы из условия наилучшего воспроизведения полной совокупности экспериментальных данных.

В Ж-зависимости интегральных сечений реакции yvp^niiip впервые наблюдалась структура при W около 1.7 ГэВ для всех значений виртуальностей фотона Q2. Эта структура не могла быть описана вкладом только известных возбуждённых состояний нуклона (пунктир на Рис. 4). В результате эта структура была идентифицирована как новое барионное состояние 3/2+(1720), представляющее собой не что иное, как "missing"-резонанс. Таким образом, последние эксперименты по изучению эксклюзивного ж к канала привели к обнаружению первого "missing"-резонанса.

Исследования многочастичных состояний каонов в реакциях с реальными фотонами позволили обнаружить сигнал от нового, не наблюдавшегося ранее состояния адронной материи - пятикваркового образования, названного "пентакварком" [12]. На Рис. 5 приведены экспериментальные данные спектру инвариантных масс системы пК со странностью S=+l, для двух реакций, изучавшихся в экспериментах на детекторе CLAS yd pK'NK УР —> А~7Г+ tC п

В обеих реакциях протекающих на разных мишенях и происходящих за счет совершенно различных механизмов, в спектрах инвариантных масс наблюдается узкий пик при массе около 1.542 ГэВ с шириной меньше 21 МэВ, определяемой аппаратным разрешением. Этот пик идентифицирован как образование и последующий распад по каналу пК новой частицы 0 (1542). Необычность этой частицы заключается в том, что измеренная ширина распада оказалась меньше ширины резонансов с аналогичным энерговыделением. Странность такой частицы S=+ 1, а значит, она не может быть составлена из трех кварков. В солитонной модели [13] было предсказано существование антидекуплета адронов с 5-кварковой

14 конфигурацией uudds . Предсказанная масса этих частиц составляет 1530 МэВ, что находится в хорошем соответствии с обнаруженными пиками в системе пК\

Рис. 5. Инвариантная масса системы пК+ со странностью S=+l имеет четкий пик при 1.542 ГэВ/с2

Сигнал о возможном новом состоянии адронной материи -пентакварке, - полученный коллаборацией CLAS, стал подтверждением наблюдавшегося ранее состояния 0 (1520), представленным коллаборацией SPRING [14] и ИТЭФ [15]. Впоследствии подтверждение об этом состоянии пришло также с ускорителя ELSA в Бонне.

Возможно, эти результаты открывают новую страницу в физике адронов. Например, природа нового барионного состояния 3/2+(1720), может быть интерпретирована как 5-кварковая конфигурация с нулевой странностью uuduu .

М(пК+) | GeYVc2 |

Основные характеристики детектора CLAS

Спектрометр Большого Аксептанса (CEBAF Large Acceptance Spectrometer - CLAS) в лаборатории имени Джефферсона в Виржинии (TJNAF - Thomas Jefferosn National Accelerator Facility - Jefferson Lab -JLAB), спроектирован для изучения многочастичных, - в конечном состоянии - реакций, под действием фотонов и электронов при светимостях вплоть до 1034см"2с"1. Основные требования, которые закладывались при разработке проекта детектора CLAS и необходимые для успешного решения поставленных экспериментальной программой задач, были следующими [16]:

1. Зона однородного покрытия в большом интервале углов и импульсов для заряженных частиц, нейтронов и фотонов:

• Угловой аксептанс регистрации частиц: 4° < © <140°

• Аксептанс по импульсу для заряженных частиц: р > 100 MeV/c

• Аксептанс по энергии для фотонов: Е > 50 MeV

2. Высокое разрешение по углу и импульсу:

• разрешение по импульсу (малые 0, большие р): 8р/р^0.5% (FWHM)

• разрешение по импульсу (большие 0, малые р): 8р/р»1.0% (FWHM)

• разрешение по углу: 50«l.Omrad

3. Способность идентификации различных частиц: разделение электронов и пионов, каонов, протонов, и дейтронов в интересующем интервале импульсов.

4. Высокая светимость и темп счета. Спектрометр должен быть в состоянии функционировать в условиях высокого фона, которым сопровождаются эксперименты по рассеянию электронов, при этом,

• Светимость электронного пучка: L = 1034 cm-2 sec^1

• Интенсивность фотонного пучка: N< 108 sec-1

В таких условиях высокий уровень сегментации детектора и использование быстрых компонент является неизбежным. Кроме того, для успешного функционирования спектрометра в условиях высокого фона магнитное поле детектора должно обладать следующими характеристиками:

• Отклонять заряженные частицы с малым импульсом на большие углы так, чтобы они не попадали и не засоряли трековые детекторы. Основным источником таких частиц являются мягкие упруго рассеянные электроны (Мёллеровское рассеяние);

• Не должно отклонять заряженные частицы, летящие вперёд (такие как тормозные электроны или конверсионные е+ е пары).

5. Спектрометр должен позволять использование поляризованных мишеней (в твердом и газообразном виде), которые требуют своего собственного магнитного поля, т.е. необходимо иметь достаточное пространство в районе мишени, а магнитное поле спектрометра должно обращаться в ноль в этой зоне, чтобы не интерферировать с полем поляризованной мишени.

6. Открытая геометрия для обеспечения возможности установки дополнительного оборудования.

Построенный и введенный в эксплуатацию в 1996 году спектрометр CLAS представляет собой уникальный 4л;-детектор, не имеющий аналогов в мире [17] (Рис. 6)

Треки заряженных частиц в этом детекторе анализируются при помощи азимутально-симметричного тороидального магнитного поля напряженностью 1 Тесла, которое генерируется шестью сверхпроводящими катушками, расположенными вокруг линии пучка. Каждый сектор,

разделённый двумя катушками, представляет собой отдельный спектрометр, состоящий из трех слоёв трековых камер (DC) для реконструкции треков заряженных частиц, одного слоя сцинтилляционных счётчиков (система времени пролёта) для триггера и измерения времени пролёта частиц (TOF), наполненного газом Черенковского счетчика (СС) и электромагнитного ливневого калориметра для регистрации фотонов и нейтронов и улучшения электрон-пионного разделения. Черенковские и сцинтилляционные счетчики

17 определяют зону чувствительности в диапазоне полярного угла 0 от 10° до 150°. Модули переднего калориметра покрывают область от 10° до 45° в каждом секторе, и два модуля калориметра для больших углов (Large Angle Calorimeter - LAC) расширяет зону покрытия по углу G до 75° в двух секторах спектрометра CLAS.

Рис. 6. Схема детектора CLAS.

Данная работа посвящена обсуждению основных свойств модулей LAC, их компонентов, структуры детектора, его чувствительности и разрешающей способности, а также моделированию, подбору материалов, особенностям электронной системы сбора данных, калибровки и реконструкции событий в системе спектрометра CLAS.

Постановка задачи

Калориметр больших углов, не являясь критическим элементом для детектора CLAS в целом, тем не менее, представляет уникальные возможности в прямой идентификации нейтральных частиц, рассеянных на большие углы, что представляет существенный интерес для целого ряда планируемых и уже проводимых экспериментов в зале В. Для надежной идентификации заряженных частиц калориметр больших углов должен обеспечивать хорошее энергетическое и пространственное разрешение. Поскольку LAC является единственным детектором, способным непосредственно регистрировать и идентифицировать нейтральные частицы и обеспечивать разделение нейтронов и у-квантов в диапазоне азимутальных углов от 55° до 75°, то для этого необходимо иметь также и высокое временное разрешение.

Целью данной работы является детальное исследование свойств калориметра больших углов, в создании которого автор принимал непосредственное участие, и сравнение полученных результатов с данными моделирования методом Монте-Карло. Основные пункты исследования:

• Разработка метода и программного обеспечения для энергетической и временной калибровки калориметра с использованием физических данных, полученных на пучке;

• Разработка метода и программного обеспечения для мониторинга калориметра в режиме реального времени;

• Измерение эффективности регистрации заряженных (пионов и протонов) и нейтральных (у-квантов и нейтронов) частиц;

• Оценка энергетической и координатной разрешающей способности.

Заключение диссертации по теме «Физика атомного ядра и элементарных частиц», Сапуненко, Владимир Викторович

Заключение

Калориметр для больших углов был введен в строй в 1997 году как часть детектора CLAS, и с тех пор успешно функционирует в продвижении экспериментальных программ зала В с использованием электронных и фотонных пучков.

В данной работе было проведено детальное исследование внутренней функции отклика калориметра больших углов, являющегося частью детектора CLAS, и обеспечивающего регистрацию рассеянных электронов, фотонов и нейтронов, испускаемых на углы больше 45° в лабораторной системе.

• Разработан метода и пакет программного обеспечения для проведения энергетической и временной калибровки калориметра с использованием данных о высокоэнергетических пионах, испускаемых на большие углы, и получаемых в ходе физических сеансов с использованием электронного или фотонного пучка;

• Разработан метод и пакет программного обеспечения для мониторинга калориметра в режиме реального времени;

• Измерены эффективности регистрации заряженных (пионов и протонов) и нейтральных (у-квантов и нейтронов) частиц. Показано, что измеренные величины находятся в хорошем соответствии с предсказанными в расчетах по методу Монте-Карло;

• Измерена энергетическая и координатная разрешающие способности. Показано, что энергетическое разрешение для электромагнитных ливней может быть параметризовано как сг(£) (7.5 ±0.2)% Е ~ ЩГэВ)

• Показано, что количественная оценка энергетической калибровки калориметра может быть проведена путем восстановления инвариантной массы я0 из двух фотонного распада;

108

Показано, что калориметр обладает временной разрешающей способностью отвечающей требованиям программы экспериментов. Для нейтронов с импульсом выше 0.7 ГэВ/с эффективность регистрации составляет 20% и выше, а временное разрешение - 260 пс, что обеспечивает надежное разделение нейтронных и фотонных событий.

Благодарности

Я искренне благодарен моим научным руководителям профессору Б.С. Ишханову и старшему научному сотруднику В.И. Мокееву за постоянную помощь, внимание и поддержку на всех этапах этой работы.

Хотелось бы также выразить особую благодарность профессору В. Буркерту (V. Burkert) - руководителю зала "В" за предоставленную возможность участия в экспериментальной программе, профессору Дж. Рикко (G. Ricco) - вице-президенту INFN, руководителям программы AIACE от Генуэзского филиала INFN - профессорам М. Таюти (М. Taiuti) и М. Рипани (М. Ripani) за приглашение к участию в коллаборации CLAS, предоставленную тему исследования, полезные обсуждения методов и результатов работы.

Считаю необходимым отдельно поблагодарить сотрудников НИИЯФ МГУ к.ф.-м.н. Е. Головача и к.ф.-м.н. Г. Федотова, сотрудника ЕрФИ к.ф.-м.н. А. Авакяна и сотрудника ИТЭФ к.ф.-м.н. С. Бояринова за полезные идеи и поддержку в работе, а также всех друзей и коллег из института Ядерной Физики им. Д.В. Скобельцина, Генуэзского филиала INFN и зала "В" лаборатории им. Джефферсона за оказанное содействие и плодотворное сотрудничество.

И конечно же я благодарен моей жене, Сапуненко Елене за ту заботу и моральную поддержку, без которой данная работа не могла бы иметь завершения.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Сапуненко, Владимир Викторович, 2004 год

1. К. Maruyama, et al., Nucl. 1.str. And Meth. A376 (1996) 335

2. W.J. Schwille, et al., Nucl. Instr. And Meth. A344 (1994) 470

3. G. Audit, et al., Nucl. Instr. And Meth. A301 (1991) 473

4. GAUGE THEORIES IN PARTICLE PHYSICS: A PRACTICAL INTRODUCTION. By I.J.R. Aitchison (Oxford U.), A.J.G. Hey (Southampton U.). 1989. BRISTOL, UK: HILGER(1989) 571p

5. C. Adloff et al., HI collaboration], Eur. Phys. J. C21 (2001) 33

6. V.D.Burkert, CEBAF and Barion Physics Programm, CEBAF-PR96-001

7. V.D.Burkert, ELECTROEXCITATION OF NUCLEON RESONANCES. 9th International Conference on the Structure of Baryons (Baryons 2002), Newport News 2002, Baryons 2002, 29-42

8. D. Strottman. Phys.Rev. D20 (1979) 748-767

9. A. Yegneswaran, J. Yun, OBSERVATION OF AN EXOTIC S = +1 BARYON IN EXCLUSIVE PHOTOPRODUCTION FROM THE DEUTERON. Jul 2003. hep-ex/0307018

10. D. Diakonov, V. Petrov, M.V. Polyakov, Z.Phys. A359 (1997) 305

11. T. Nakano et al., Phys.Rev.Lett. 91 (2003) 012002.

12. V.V.Barmin et al., Phys.Atom.Nucl. 66 (2003) 1715

13. Conceptual Design Report -Basic Experimental Equpment, CEBAF April 13, 1990.

14. C.W. Leemann, D.R. Douglas, and G.A. Krafft, Ann. Rev. Nucl. Part. Sci. 51 (2001)413-450

15. D.B. Anderson, et al., Nucl. Inst. And Meth. А (в печати)

16. O.K. Baker, et al., Nucl. Inst. And Meth. A367 (1995) 92.

17. M.D. Mestayer, et al., Nucl. Inst. And Meth. A449 (2000) 81.

18. D.S. Carman, et al., Nucl. Inst. And Meth. A419 (1998) 315.

19. L. M. Qin, et al., Nucl. Inst. And Meth. A411 (1998) 216.

20. G.Adams, et al., Nucl. Inst. And Meth., A465 (2001)414

21. E.S. Smith, et al., Nucl. Inst. And Meth. A432 (1999) 265.

22. M.Amarian, et al., Nucl. Inst. And Meth. A460 (2001) 239.

23. E. S. Smith et. al. Nucl. Instr. and Meth. A432 (1999)256.

24. V. Blobel et. al. The BOS system for the CLAS detector: Dynamic Memory Management 1995.31. http://www.jlab.org/claschef/

25. M. Taiuti, et al., THE LARGE ANGLE ELECTROMAGNETIC SHOWER CALORIMETER FOR CLAS: MODULE DESIGN AND OPTIMIZATION OF PERFORMANCES, INFN/BE- 95/03

26. Collaborazione AIACE, Rapporto di Attivita, Internal Note, INFN, 1993

27. V.I Mokeev, et al., MONTE CARLO CODE FOR SIMULATION OF THE LARGE ANGLE ELECTROMAGNETIC SHOWER CALORIMETER FOR THE CLAS DETECTOR, INFN/BE-95/02

28. M. Taiuti, et al., Nucl. Inst. And Meth. A370 (1996) 429-434

29. M.Tahiti, et al., Nucl. Instr. and Meth. A357 (1995) 344

30. R.Brun et al., CERN/DD/EE/84-l(1987)

31. GEANT 3.21, CERN Program Library Long Writeup W5013.

32. PDG,Phys. Rev. D66 (2001)183

33. P. Rossi et al.,CLAS-NOTE 2001-005, 200144. http://www.jlab.org/~vvsap/lacdoc.html