Исследование характеристик слоеных сцинтилляционных калориметров для эксперимента LHCb тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.23, кандидат физико-математических наук Прокудин, Михаил Сергеевич

• Прокудин, Михаил Сергеевич
• кандидат физико-математических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Прокудин, Михаил Сергеевич

Оглавление

Введение

1 Современные электромагнитные калориметры

1.1 Калориметры типа «шашлык».

2 Установка LHCb и её калориметрическая система

2.1 Ускоритель LHC.

2.2 Рождение b-кварков на LHC.

2.3 Детектор LHCb

2.3.1 Система восстановления треков.

2.3.2 Детекторы черенковского излучения.

2.3.3 Мюонный детектор.

2.3.4 Магнит, вакуумная камера.

2.3.5 Калориметрическая система.

2.4 Физические задачи калориметра.

2.5 Требования к характеристикам калориметрической системы

2.5.1 Сцинтилляционные счётчики SDP и PRS.

2.5.2 Электромагнитный калориметр.

2.5.3 Адронный калориметр

3 Электромагнитный калориметр LHCb

3.1 Общие характеристики.

3.1.1 Описание мониторной системы.

3.2 Конструкция модуля

3.3 Сборка модуля.

3.4 Контроль качества модулей электромагнитного калориметра

3.4.1 Контроль качества входящих материалов

1 3.4.2 Контроль качества при производстве сцинтилляционных пласгин.

3.4.3 Контроль качества спектросмещающих волокон.

3.4.4 Измерения на космическом стенде.

3.4.5 Измерение световыхода.

4 Измерения на пучке частиц

4.1 Описание установки.

4.1.1 Прототип мониторной системы

4.2 Измерение координат точки попадания частиц пучка в калориметр

4.3 Измерение свойств калориметрических модулей.

4.3.1 Калибровка модулей по энергии.

4.3.2 Световыход.

4.3.3 Энергетическое разрешение

4.3.4 Однородность отклика.

5 Моделирование неоднородности отклика калориметров типа «шашлык»

5.1 Программа моделирования светосбора.

5.2 Оптическая модель сцинтилляционной пластины.

5.3 Измерение толщины сцинтилляционных пластин.

5.4 GEANT-моделирование тестовой калориметрической сборки

6 Обсуждение результатов

6.1 Сравнение результатов измерений и моделирования однородности отклика калориметра.

6.2 Влияние оптических параметров на неоднородность отклика светосбора

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование характеристик слоеных сцинтилляционных калориметров для эксперимента LHCb»

Электромагнитный калориметр является важнейшей подсистемой практически хзо всех современных установках, созданных для исследования широкого круга явлений в области физики высоких энергии. В современном эксперименте электромагнитный калориметр обычно выполняет следующие функции:

• выработка триггерного сигнала для отбора сигнальных событий, представляющих интерес с точки зрения физической программы эксперимента;

• восстановление энергии и кинематических параметров электронов и 7-кван-тов;

• идентификация частиц, в частности распознавание фотонов и разделение электронов и заряженных адронов.

Электромагнитный калориметр является уникальным прибором, позволяющим реконструировать нейтральные пионы, 77-мезоны и распады частиц, с образованием одного или нескольких фотонов в конечном состоянии. Качество реконструкции этих частиц и уровень комбинаторного фона определяется энергетическим и пространственным разрешением калориметра, которые напрямую зависят от его внутреннего устройства. Современные установки рассчитаны на эксплуатацию при высокой частоте столкновений пучков частиц 40 МГц для экспериментов на коллайдере LHC), поэтому электромагнитный калориметр должен иметь малое мёртвое время и малую длительность сигнала во избежания перекрытия сигналов от следующих друг за другом событий. Кроме того, физические задачи многих современных экспериментов предполагают высокую множественность входящих в калориметр частиц (на единицу площади). Так, если две частицы попадают в электромагнитный калориметр на небольшом расстоянии друг от друга, таким образом, что обе частицы выделяют энергию в одной или соседних калориметрцческих ячейках, то восстановление кинематических параметров этих частиц становится практически невозможным. Проблема может быть решена увеличением расстояния между калориметром и точкой столкновения пучков (пучка и мишени). Но в этом случае значительно возрастут размеры калориметра, а значит и его стоимость. Другим способом решения этой проблемы является увеличение поперечной сегментации калориметра и уменьшение его радиуса Мольера. Таким образом современный калориметр должен обладать адекватными поставленной физической задаче энергетическим и пространственным разрешениями, радиусом Мольера и поперечной сегментацией, которая, в общем случае, может быть различной в разных местах калориметра. Длительность сигнала от калориметра и время его считывания должны быть минимальными.

Этим требованиям удовлетворяют калориметры, построенные по технологии «шашлык» (см. Главу 1.1). Однако их проблемой остаётся относительно высокий постоянный член в энергетическом разрешении, ограничивающий качество реконструкции высокоэнергичных частиц. Данная работа посвящена исследованию и поиску путей совершенствования характеристик электромагнитных калориметров типа «шашлык» для эксперимента LHCb. Проведённые детальные и систематические измерения неоднородности отклика модулей калориметра типа «шашлык» по поверхности позволили детально смоделировать и понять причины возникновения это неоднородности и выявить пути её уменьшения. Такое уменьшение необходимо для построения новых и модернизации уже существующих калориметров, для улучшения их разрешения и/или уменьшения радиуса Мольера.

На защиту выносятся следующие вопросы:

1. Измерение неоднородности отклика модулей калориметра LHCb и экспериментального модуля с пластинами свинца и сцинтиллятора толщиной 0.5 мм;

2. Оригинальный метод моделирования процессов светосбора в сцинтилляци-онных пластинах калориметра;

3. Оригинальный метод моделирования неоднородностей отклика модулей калориметра типа «шашлык», учитывающий вариации эффективности светосбора и толщины сцинтилляционных пластин калориметра.

Основные материалы работы опубликованы в [1-4]. Результаты, представленные в диссертации, докладывались на совещаниях международных коллабораций

LHCb п CBM, а также международных конференциях .

Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения.

Заключение диссертации по теме «Физика высоких энергий», Прокудин, Михаил Сергеевич

Заключение

Работа основана на материалах, полученных в процессе проверки качества и пучковых испытаний модулей электромагнитного калориметра LHCb.

Получены следующие результаты:

• разработаны и внедрены методы контроля качества модулей электромагнитного калориметра LHCb, включающие в себя, в частности, контроль световыхода модулей на стенде с использованием космических мюонов;

• измерены энергетическое разрешение и световыход модулей всех секций электромагнитного калориметра LHCb, а также экспериментального калориметрического модуля с тонкими пластинами сцинтиллятора и поглотителя. Энергетическое разрешение модулей калориметра LHCb составило 8 — 9%/у/Ё, что лучше требуемых 10%/у/Е;

• впервые систематически измерена неоднородность отклика по поверхности калориметрических модулей типа «шашлык» с пространственным разрешением 1 мм с использованием высокоэнергичных мюонов и электронов. Были измерены модули с различной сегментацией и с разными толщинами пластин. Неоднородность отклика модулей калориметра LHCb, измеренная с помощью высокоэнергичных мюонов, составила ±6%, а измеренная с помощью электронов с энергией 50 ГэВ — ±2%;

• для дальнейшего развития технологии «шашлык» разработан способ моделирования неоднородности отклика, а также способ оценки световыхода калориметрических модулей; создана GEANT-модель калориметрического модуля типа «шашлык», учитывающая особенности его конструкции вплоть до характерных размеров 0.1 мм; написана программа моделирования светосбора, основанная на принципе трассировки лучей, и построена оптическая модель сцинтилляци-онной пластины калориметра типа «шашлык». Параметры оптической модели извлечены и проверены путём сравнения с полученными в ходе пучковых испытаний данными; определены параметры сцинтилляционных пластин, оказывающие наибольшее влияние на неоднородность отклика калориметра по поверхности, что необходимо для учёта при проектировании калориметрических модулей для модернизации детектора LHCb и будущих детекторов в физике высоких энергий; построен калориметрический модуль типа «шашлык» с пластинами сцпн-тнллятора и поглотителя толщиной 0.5 мм. Характеристики модуля, такие как световыход, энергетическое разрешение и неоднородность отклика, измерены на пучках частиц. Энергетическое разрешение экспериментального модуля составило 7.7%/у/Е ф 1.2%, неоднородность отклика, измеренная с помощью высокоэнергичных мюонов, — около ±20%;

• в ходе пучковых испытаний проверена работоспособность и определены характеристики прототипа светодиодной мониторной системы калориметра LHCb. Временная нестабильность тестовой калориметрической сборки, измеренная на электронном пучке в течении 24 часов, составила менее 0.2%;

• предложены способы улучшения однородности оклика по поверхности калориметров типа «шашлык» с высокой продольной сегментацией:

1) автоматизация и совершенствование процедуры контроля качества на всех этапах производства модулей типа «шашлык»;

2) матирование, а не алюминнзация, торцов и тонкой каймы около краёв сцинтилляционных пластин;

3) улучшение качества поверхности пластин, что особенно актуально для тонких сцинтилляционных пластин;

4) использование световых масок на поверхности сцинтиллятора и листах тайвика.

Благодарности

Хочется выразить признательность своему научному руководителю Андрею Игоревичу Голутвину за постановку нетривиальных научных задач.

Я особенно благодарен своему начальнику Ивану Королько, который взял на себя нелёгкий труд непосредственного и ежедневного научного руководства и постоянного внимания к моей работе.

Я благодарен Константину Михайлову за ценные обсуждения и помощь.

Я очень благодарен моей жене Марии Прокудиной, вдохновлявшей меня на протяжении создания этой работы, а также своим родителям и сестре помощи и поддержки которых эта работа никогда не была бы закончена.

Я благодарен коллективу ускорителя SPS CERN, а также Александру Арефьеву, Сергею Барсуку, Ивану Беляеву, Кириллу Ворончеву, Юрию Гилицкому, Сергею Долгову, Тенгизу Кварацхелия, Ирине Мачихильян, Алексею Морозову, Павлу Полозову, Алексею Ставинскому, Евгению Тарковскому, Тимофею Углову, Егору Шаркову.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Прокудин, Михаил Сергеевич, 2008 год

1. Арефьев А.В., Беляев И.М. . Прокудин М.С. и другие, Изучение светосбора в калориметрах типа «шашлык», Приборы и Техника Эксперимента 4 (2008) 25-37.

2. Arefev, A.V., Barsuk, S.Y. . Prokudin M.S. and others, Beam Test Results of the LHCb Electromagnetic Calorimeter., Tech. Rep. LHCb-2007-149. CERN-LHCb-2007-149, CERN, Geneva, revised version submitted on 2008-05-15 09:09:53 (May 2008).

3. The LHCb Collaboration and A Augusto Alves Jr et al, The LHCb Detector at the LHC, Journal of Instrumentation 3 (08) (2008) S08005.

4. URL http://stacks.iop.org/1748-0221/3/S08005

5. The Belle detector, Nucl. Instrum. Meth. A479 (2002) 117-232.

6. B. Aubert, et al., The BaBar detector, Nucl. Instrum. Meth. A479 (2002) 1-116.

7. V. V. Anashin, et al., Status of the KEDR detector, Nucl. Instrum. Meth. A478 (2002) 420-425.

8. V. M. Aulchenko, et al., Liquid krypton calorimeter for KEDR detector and last prototype results, Nucl. Instrum. Meth. A379 (1996) 475-477.

9. С. M. S. Collaboration, CMS, the Compact Muon Solenoid: Technical proposal, CERN/LHCC 94-38.

10. W. W. Armstrong, et al., ATLAS: Technical proposal for a general-purpose p p experiment at the Large Hadron Collider at CERNCERN-LHCC-94-43.

11. R. Barate, et al., Search for the standard model Higgs boson at LEP, Phys. Lett. B565 (2003) 61-75.

12. R. Bruneliere, CMS electromagnetic calorimeter performance and test beam results, Nucl. Instrum. Meth. A572 (2007) 33-35.

13. P. Adzic, et al., Energy resolution of the barrel of the CMS electromagnetic calorimeter, JINST 2 (2007) P04004.

14. ATLAS liquid argon calorimeter: Technical design rcportCERN-LHCC-96-41.

15. M. Aharrouche, The ATLAS liquid argon calorimeter: Construction, integration, commissioning and combined test beam results, Nucl. Instrum. Meth. A581 (2007) 373-376.

16. J. Colas, et al., Response Uniformity of the ATLAS Liquid Argon Electromagnetic Calorimeter, Nucl. Instrum. Meth. A582 (2007) 429-455.

17. M. R. Adams, et al., RADIATION DAMAGE STUDIES OF CERIUM DOPED RADIATION RESISTANT LEAD GLASS DETECTORS, Nucl. Instrum. Metli. A238 (1985) 333-340.

18. T. Sumiyoslii, et al., PERFORMANCE OF THE VENUS LEAD GLASS CALORIMETER AT TRISTAN, Nucl. Instr. Meth. A271 (1988) 432.

19. Y. A. Budagov, et al., Study of a 260 channel lead glass calorimeterJINR-E13-92-219.

20. L. Bartoszek, et al., The E760 lead glass central calorimeter: Design and initial test results, Nucl. Instrum. Meth. A301 (1991) 47-60.

21. VENUS collaboration proposalTRISTAN-EXP-001.

22. K. Ahmet, et al., The OPAL detector at LEP, Nucl. Instrum. Meth. A305 (1991) 275-319.

23. K. Adcox, et al., PHENIX detector overview, Nucl. Instrum. Meth. A499 (2003) 469-479.

24. L. Aphecetche, et al., PHENIX calorimeter, Nucl. Instrum. Meth. A499 (2003) 521-536.

25. Алексеев, И. Г., Белогуров С.Г. . Прокудин М.С. и другие, Установка FLINT для исследования кумулятивных процессов с рожедением фотона, Приборы и Техника Эксперимента 4 (2008) 5-12.

26. V. Eckardt, et al., A NOVEL LIGHT COLLECTION SYSTEM FOR SEGMENTED SCINTILLATION COUNTER CALORIMETERS, Nucl. Instr. Meth. 155 (1978) 389.

27. H. Fessler, et al., A SCINTILLATOR LEAD PHOTON CALORIMETER USING OPTICAL FIBER READOUT SYSTEMS, Nucl. Instrum. Meth. A240 (1985) 284-288.

28. M. Zeller, Improved search for the Decay K+ 7Г+ ц+е~.

29. G. S. Atoian, et al., Lead scintillator electromagnetic calorimeter with wavelength shifting fiber readout, Nucl. Instrum. Meth. A320 (1992) 144-154.

30. G. David, et al., Performance of the PHENIX EM calorimeter, IEEE Trans. Nucl. Sci. 43 (1996) 1491-1495.

31. E. Hartouni, et al., HERA-B: An experiment to study CP violation in the В system using an internal target at the HERA proton ring. Design reportDESY-PRC-95-01.

32. Avoni, G. and others, The electromagnetic calorimeter of the HERA-B experiment, Nucl. Instrum. Meth. A580 (2007) 1209-1226.

33. LHC project, http://cern.ch/LHC. URL http: //cern. ch/LHC

34. ALICE. Technical proposal for a Large Ion collider Experiment at the CERN LHC, LHC Tech. Proposal, CERN, Geneva, 1995.

35. T. Cormier, C. W. Fabjan, L. Riccati, H. de Groot, The Electromagnetic Calorimeter Addendum to the ALICE Technical Proposal, Tech. Rep. CERN-LHCC-2006-014. CERN-LHCC-96-32-ADD-3, CERN, Geneva (Mar 2006).

36. The forward muon spectrometer of ALICE. Addendum to the technical proposal for a Large Ion Collider experiment at the CERN LHC, LIIC Tech. Proposal, CERN, Geneva, 1996.

37. R. Antunes-Nobrega, et al., LHCb reoptimized detector design and performance. Technical Design Report, Technical Design Report LHCb, CERN, Geneva, 2003.

38. LHCb : Technical Proposal, Tech. Proposal, CERN, Geneva, 1998.

39. H. Dijkstra, et al., LHCb Letter of Intent, LHCb Collaboration, Tech. Rep. LHCb-95-001, CERN, Geneva (Jan 1995).

40. P. R. Barbosa-Marinho, et al., LHCb VELO (VErtex LOcator). Technical Design Report, Technical Design Report LHCb, CERN, Geneva, 2001.

41. P. R. Barbosa-Marinho, et al., LHCb outer tracker. Technical Design Report, Technical Design Report LHCb, CERN, Geneva, 2001.

42. P. R. Barbosa-Marinho, et al., LHCb inner tracker. Technical Design Report, Technical Design Report LHCb, CERN, Geneva, 2002, revised version number 1 submitted on 2002-11-13 14:14:34.

43. S. Amato, et al., LHCb RICH. Technical Design Report, Technical Design Report LHCb, CERN, Geneva, 2000.

44. P. R. Barbosa-Marinho, et al., LHCb muon system. Technical Design Report, Technical Design Report LHCb, CERN, Geneva, 2001.

45. LHCb muon system. Addendum to the Technical Design Report, Technical Design Report LHCb, CERN, Geneva, 2003.

46. LHCb muon system. Second addendum to the Technical Design Report, Technical Design Report LHCb, CERN, Geneva, 2005, submitted on 9 Apr 2005.

47. S. Amato, et al., LHCb magnet. Technical Design Report, Technical Design Report LHCb, CERN, Geneva, 1999.

48. LHCb calorimeters technical design report (2000).

49. E. 1. du Pont dc Nemours and Company, Wilmington, Delaware, USA, www.dupont.com.

50. KURARAY Corp., 3-10, Nihonbashi, 2 chome, Chuo-ku, Tokyo, Japan.

51. HAMAMATSU PHOTONICS KK, 325-6 Sunayama-cho, Hamamatsu, Shizuoka.

52. E. I. Tarkovsky, The HERA-B electromagnetic calorimeter, Nucl. Instruni. Meth. A379 (1996) 515-517.

53. L. Gatignon, The west experimental area at the CERN SPS.

54. J. Spanggaard, Delay wire chambers — a user guide (1998).

55. CERN program library long writeup (1993).

56. Agostinelli et al, GEANT4, a simulation toolkit, NIM A 506.

57. M. Espirito-Santo, A. Gomes, A. Maio, L.Peralta, M. Pimenta, В.Тотё, Experimental tests on scintillator tile light collection efficiency, Tech. Rep. 973 CAL 134, CERN, Geneva (January 1997).

58. W.-M. Yao, et al., Review of Particle Physics, Journal of Physics G 33 (2006) 1+. URL http://pdg. lbl. gov

59. LHC computing grid — technical design report (June 2005).

60. R. Brun, F. Rademakers, ROOT: An object oriented data analysis framework (1998).

61. Arie Kaufman and Daniel Cohen and Roni Yagel, Volume Graphics, Computer 26 (7) (1993) 51-64.