Калибровка переднего калориметра детектора CMS тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.01, кандидат физико-математических наук Крохотин, Андрей Анатольевич

• Крохотин, Андрей Анатольевич
• кандидат физико-математических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Крохотин, Андрей Анатольевич

Введение

1. Физика на детекторе CMS

1.1. Стандартная модель.

1.2. Поиски Хиггсовского бозона

1.3. Поиск суперсимметричных частиц.

1.4. Поиск новых массивных векторных бозонов.

1.5. Дополнительные измерения.

2. Описание детектора CMS

2.1. Технические требования к детектору CMS

2.2. Магнит и Мюонная Система.

2.3. Трекер.

2.4. Электромагнитный Калориметр.

2.4.1. Центральный и торцевые калориметры.

2.4.2. Прешауер.

2.5. Адронный Калориметр

2.5.1. Центральный адронный калориметр.

2.5.2. Внешний адронный калориметр

2.5.3. Торцевой адронный калориметр

2.5.4. Передние калориметры

2.6. Триггер и система накопления данных.

2.6.1. Триггер первого уровня.

2.6.2. Триггера высокого уровня.

3. Оптимизация сегментации торцевого адронного калориметра для учета радиационных повреждений

3.1. Описание торцевого адронного калориметра.

3.2. Постановка задачи.

3.3. Моделирование.

3.3.1. Дозы.

3.3.2. Потери сцинтилляционной эффективности при облучении

3.3.3. Моделирование отклика калориметра к 7г-мезонам, определение хитов CMSIM.

3.3.4. Варианты конструкции НЕ.

3.4. Восстановление Е и Ет.

3.4.1. Метод вычисления Е и Ет

3.4.2. Перекалибровка сигналов с ячеек после облучения

3.5. Оценка энергетического разрешения калориметра для 7г-мезонов после 10 лет работы БАК.

3.6. Обобщение результатов главы.

4. Калибровка переднего калориметра детектора CMS на радиоактивном источнике 60Со

4.1. Описание HF.

4.2. Сравнение HF с другими существующими адронными калориметрами

4.3. Калибровка HF на пучке

4.4. Описание процедуры набора данных с радиоактивного источника

4.5. Калибровка на данных с радиоактивного источника.

4.5.1. Метод "Среднего Заряда".

4.5.2. Метод "Фиксированного Диапазона".

4.5.3. Метод "Экстраполяции Сигнала Под Пьедестал"

4.6. Точность Калибровки.

4.7. Точность Калибровки для напряжения 1150 В.

4.8. Перенесение калибровки на НР.

4.9. Обобщение результатов главы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Калибровка переднего калориметра детектора CMS»

Детектор CMS (Compact Muon Solenoid) [1] установлен на Большом Ад-ронном Коллайдере (БАК) [2] в CERN. БАК является протон-протонным коллайдером с энергией 14 ТэВ в системе центра масс сталкивающихся протонов. Предполагается, что в период запуска БАК энергия в системе центра масс сталкивающих протонов будет чуть ниже и составит 10 ТэВ.

Во второй части данной диссертации кратко описываются различные физические каналы, которые могут быть изучены на установке CMS, и, как следствие, предъявляемые технические требования к детектору.

В третьей части дается техническое описание детектора CMS. Более подробное описание торцевых адронных калориметров и передних калориметров дается в четвертой и пятой частях диссертации, результаты которых относятся к данным детекторам.

В четвертой части диссертации представлено исследование воздействия радиации на отклик торцевых адронных калориметров (НЕ) детектора CMS. В детекторе CMS установлено два НЕ. Они расположены симметрично относительно точки столкновения, в области псевдобыстрот 1.3 < |?7| < 3. Каждый торцевой адропный калориметр состоит из чередующихся слоев поглотителя и сциптиллятора. Часть энергии, теряемой заряженными частицами на ионизацию при прохождении через сцинтиллятор, превращается в свет, который выводится из сцинтиллятора с помощью спектросдвигаю-щих оптических волокон, а затем по обычным оптическим волокнам направляется на гибридные фотодиоды. В результате облучения уменьшается световыход сцинтиллятора, а также становятся короче длины поглощения света у сцинтиллятора и у оптических волокон. Эти эффекты сильно зависят от накопленной дозы и могут привести к заметному ухудшению отклика калориметра. Особенно сильным данное ухудшение должно оказаться на границе НЕ (|?7| 3), где ожидаются чрезвычайно высокие уровни радиации (около 10 МРад за 10 лет работы БАК). В результате проделанной работы была составлена компьютерная модель, позволяющая моделировать отклик калориметра в зависимости от полученной дозы. Изменение отклика было исследовано на примере 7г-мезонов после 10 лет работы БАК. Для уменьшения эффектов облучения были рассмотрены различные варианты конструкции НЕ. Было показано, что при некоторых вариантах дизайна практически полная компенсация указанных эффектов может быть достигнута соответствующей перекалибровкой отклика сигнала с башен НЕ.

В пятой части диссертации описывается калибровка передних калориметров (HF) детектора CMS с помощью радиоактивного источника 60Со. В CMS установлено два HF. Они расположены симметрично относительно точки столкновения, в области псевдобыстрот 3 < |?7| < 5. Передние калориметры предназначены для идентификации и измерения энергий струй, летящих в переднюю область. Помимо измерения передних струй передние калориметры обеспечивают герметичность детектора CMS, что позволяет улучшить точность измерения отсутствующей поперечной энергии. Во время работы БАК калибровку HF можно будет осуществлять, используя различные физические каналы. Однако для проведения начальной калибровки, до начала набора физических данных, необходимо использовать другие методы. Лучшим методом является калибровка с помощью тестового пучка. Однако, из-за недостатка времени, поместить все модули НР на пучок не представлялось возможным. В результате была разработана процедура перенесения калибровки с модулей, откалиброванных на тестовых пучках, на неоткалиброванные модули с помощью радиоактивного источника 60Со. Отличительной особенностью данной калибровки является сложность выделения сигнала, так как сигнал от радиоактивного источника частично перекрывается с пьедесталом. Это объясняется выбором рабочего напряжения на фотоумножителях, которое должно быть достаточно низким чтобы обеспечить возможность измерения энергий струй в широком диапазоне. Кроме того, количество пьедестальных входов превышает количество сигнальных на четыре порядка.

Для проведения калибровки с помощью радиоактивного источника было разработано несколько различных методик, которые отличаются друг от друга методом отделения сигнала от пьедестала. Был произведен анализ различных эффектов, влияющих на точность калибровки. В результате было показано, что точность калибровки на радиоактивном источнике по отношению к калибровке на тестовом пучке составляет 5 %. Во время работы ускорителя БАК передние калориметры будут подвергаться воздействию гигантских радиационных доз 100 МРад/г), в результате чего их отклик будет со временем уменьшаться. Радиоактивный источник может применяться для мониторирования прозрачности оптических волокон, которые являются чувствительным элементом НР. Была продемонстрирована возможность определять прозрачность волокон, измеряя изменение сигнала от источника в зависимости от его положения внутри НР.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы экспериментальной физики», Крохотин, Андрей Анатольевич

Заключение

В представленной диссертации была описана процедура оптимизации конструкции торцевого адронного калориметра, с целью уменьшения влияния эффектов радиационных повреждений на отклик калориметра. Кроме того, была разработана процедура калибровки передних калориметров с помощью радиоактивного источника 60Со и была проведена калибровка всех каналов переднего калориметра. Ниже перечислены основные результаты диссертации:

1. Было найдено, что отклик калориметра к 7г-мезонам существенно падает в области Г) & 3. Этот эффект обусловлен поперечными утечками адронного ливня через границу торцевого адронного калориметра. Вычисления показывают, что отклик может быть восстановлен в случае варианта конструкции калориметра с 29 башнями. Это достигается соответствующей перекалибровкой сигналов с 28 и 29 башен. При этом один и тот же набор поправок работает в широком диапазоне энергий 7Г-мезонов.

2. Разработана методика расчета изменения отклика адронного калориметра вследствие радиационных повреждений. Было показано, что в рамках используемой упрощенной модели эффект радиационных повреждений может быть скомпенсирован с помощью перекалибровки сигналов с башен адронного калориметра.

3. Показано, что дополнительная поперечная сегментация торцевого адронного калориметра помогает корректировать эффект радиационных повреждений. В частности было показано, что вариант конструкции адронного калориметра с 29 башнями имеет преимущества по сравнению с 28 башнями

4. Показано, что продольная сегментация адронного калориметра не является необходимой для корректировки эффекта радиационных повреждений.

5. Разработана методика извлечения сверхслабого сигнала от радиоактивного источника 60Со и показано, что предложенные калибровочные методы позволяют достичь точности калибровки порядка 5% относительно калибровки, полученной на пучке электронов с энергией 100 ГэВ.

6. С помощью радиоактивного источника 60 Со была проведена калибровка всех каналов передних калориметров CMS, а полученные результаты занесены в базу данных. Данная калибровка будет использоваться в период запуска БАК и начала набора данных на детекторе CMS.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Крохотин, Андрей Анатольевич, 2008 год

1. CMS Collaboration, "The CMS experiment at the CERN LHC", Journal of Instrumentation, Volume 3, August 2008, S08004

2. L.Evans et al., "LHC Machine", Journal of Instrumentation, Volume 3, August 2008, S08001

3. G. Abbiendi et al., "Search for the Standard Model Higgs boson at LEP", Phys. Lett. B565 61-75 (2003).

4. D.Zeppenfeld, "Higgs Physics at the LHC", Int. J. Mod. Phys. A16, 831 (2001);

5. T.Phehn, D.Rainwater, D.Zeppenfeld, "Determining the Structure of Higgs Couplings at the CERN Large Hadron Collider", Phys. Rev. Lett. 88, 051801 (2002);

6. N.Kauer, T.Plehn, D.Rainwater, D.Zeppenfeld, "# WW as the discovery mode for a light Higgs boson", Phys. Lett. B503 (2001) 113-120;

7. D.Rainwater, D.Zeppenfeld, K.Hagiwara, "Searching for H —> rr in weak boson fusion at the CERN LHC", Phys. Rev. D59 (1999) 014037

8. C. Amsler et al., "Review of Particle Physics", Physics Letters B667 (2008) 1

9. S.Abdullin et al, "Summary of the CMS potential for the Higgs boson discovery", CMS NOTE-2003/033; Eur. Phys. J. C39S2 (2005) 41-61.

10. S.Abdullin et al., "Discovery Potential for Supersymmetry in CMS", CMS NOTE-1998/006; J .Phys. G28 469, 2002

11. M.Cvetic and P.Langacker, "New Gauge Bosons from String Models", Mod. Phys. Lett. All (1996) 1247-1262, arXiv: hep-ph/9602424

12. A.Leike, "The phenomenology of extra neutral gauge bosons", Phys. Pert. 317 (1999) 143-250, arXiv: hep-ph/9805494

13. C.T.Hill and E.H.Simmons, "Strong dynamics and electroweak symmetry breaking", Phys. Rept. 381 (2003) 235-402, arXiv:hep-ph/0203079

14. T.Han, H.Logan, B.McElrath, and L.-T.Wang, "Phenomenology of the little Higgs model", Phys. Rev. D67 (2003) 095004

15. G. F. Giudice, R. Rattazzi, J. D. Wells, "Quantum Gravity and Extra Dimensions at High-Energy Colliders", Nucl.Phys. B544 (1999) 3-38

16. G. F. Giudice, R. Rattazzi, J. D. Wells, "Transplanckian Collisions at the LHC and Beyond", Nucl.Phys. B630 (2002) 293-325

17. CMS Collaboration, "CMS Magnet Technical Design Report", CERN/LHCC 97-10, CMS TDR 1, 2 May 1997

18. CMS Collaboration, "The Hadron Calorimeter Project Design Report", CERN/LHCC 97-31, CMS TDR 2, 20 June 1997

19. CMS Collaboration, "CMS Muon Technical Design Report", CERN/LHCC 97-32, CMS TDR 3, 15 December 1997

20. CMS Collaboration, "CMS ECAL Technical Design Report", CERN/LHCC 97-33, CMS TDR 4, 15 December 1997

21. CMS Collaboration, "The Tracker System Project Technical Design Report", CERN/LHCC 98-6, CMS TDR 5, 15 April 199824. "CMS Physics TDR: Volume I (PTDR1), Detector Performace and Software", CERN-LHCC-2006-001, 2 February 2006

22. K. Deiters et al., "Properties of the avalanche photodiodes for the CMS electromagnetic calorimeter", Nucl.Instr.Meth. A453 (2000) 223

23. K.Bell et al., "The development of vacuum phototriodes for the CMS electromagnetic calorimeter", Nucl.Instr.Meth. A469 (2001) 29

24. P.Adzic et al., "Energy Resolution of the Barrel of the CMS Electromagnetic Calorimeter", JINST 2 P04004 (2007)

25. P.Adzic et al., "Reconstruction of the signal amplitude of the CMS electromagnetic calorimeter", European Physical Journal C46-S1 (2006) 2335.

26. P.Adzic et al., "Results of the first performance tests of the CMS electromagnetic calorimeter", European Physical Journal C44-S2 (2006) 110.

27. CMS HCAL Collaboration, "Design, Performance and Calibration of CMS Hadron-Barrel Calorimeter Wedges", The European Physical Journal C -Particles and Fields, Volume 55, Number 1 / May, 2008 pp. 159-171

28. S. Abdullin et al, "Design, Performance, and Calibration of the CMS Hadron-Outer Calorimeter", CMS NOTE-2008/020

29. CMS HCAL Collaboration, "Design, Performance and Calibration of CMS Hadron-Endcap Calorimeter Wedges", CMS NOTE-2008/010

30. P. I. Goncharov et al., "Characteristics of a Sector of the Endcap Hadron Calorimeter for the CMS Facility", Instruments and Experimental Techniques, V. 47, N 1 (2004) 47

31. V.I.Kryshkin and A.I.Ronzhin, "An optical fiber readout for scintillator calorimeters", Nucl.Instr.Meth. A247 (1986) 583

32. M.G.Albrow et al, "A uranium scintillator calorimeter with plastic-fibre readout", Nucl. Instr. Meth. A256 (1987) 23

33. P.Cushman, A.Heering, and A.Ronzhin, "Custom HPD readout for the CMS

34. HCAL", Nucl.Instr. and Meth. A442 (2000) 289

35. I. Golutvin et al, "Simulation of radiation damage in HE scintillating tiles and Pion Energy Resolution", CMS NOTE-2002/013

36. S.Barsuk, A.Golutvin, V.Kirichenko, I.Korolko, S.Malyshev, V.Rusinov and E.Tarkovski, "Radiation damage of LHCB electromagnetic calorimeter", LHCB 2000-033, 2000

37. CMS detector simulation software group, "CMS Simulation Package CMSIM Users Guide and Reference Manual http://cmsdoc.cern.ch/cmsim/manual/cmsl21/manual.html

38. GEANT Detector Description and Simulation Tool, CERN Program Library, Long Writeup, W5013

39. V.Senchishin et al, "Manufacture and study of new polystyrene scintillators", Semiconductor physics, quantum electronics and optoelectronics, V. 3, N 2. (2000) 223

40. J. Birks, "The theory and practice of scintillation counting", Pergamon Press, 1964

41. V.Gavrilov et al, "Study of Quartz Fiber Radiation Hardness CMS TN-94/324 (1994)

42. G.Anzivinu et al, Nucl. Instr. and Meth. A360 (1995) 237

43. P.Gorodetzky et al, "Quartz fiber calorimetry", Nucl. Instrum. Methods A361 161 (1995)

44. N.Akchurin et al., "Quartz fiber calorimeter", Nucl. Instrum. Methods A379 526 (1996)

45. N.Akchurin at al, "Beam test results from a fine-sampling quartz fiber calorimeter for electron, photon and hadron detection", Nucl. Instrum. Methods A399, 202 (1997)

46. N.Akchurin et al, "Test beam of quartz-fibre calorimeter prototype with a passive front section", Nucl. Instrum. Methods A400 267 (1997)

47. N.Akchurin et al, "On the differences between high-energy proton and pion showers and their signals in a non-compensating calorimeter", Nucl. Instrum. Methods A408 380 (1998)

48. N.Akchurin et al, "Test beam results of CMS quartz fibre calorimeter prototype and simulation of response to high energy hadron jets", Nucl. Instrum. Methods A409 593 (1998)

49. V.Gavrilov, "CMS quartz fiber calorimeter", Nucl. Instrum. Methods A453 242 (2000)

50. A.S.Ayan et al, "Energy resolution and the linearity of the CMS forward quartz fibre calorimeter pre-production-prototype (PPP-1)", J. Phys. G: Nucl. Part. Phys. 30 N33 (2004)

51. Гаврилов В.Б., Данилов М.В., "Черенковский кварцевый калориметр", Ядерная физика. 2004 Т. 67. №7. С. 1390

52. U. Akgun, A.S. Ayan, P. Bruecken, et al, "Complete tests of 2000 Hamamatsu Л7525БА phototubes for the CMS-BF Forward Calorimeter", Nucl. Instrum. Methods A550 145 (2005)

53. S. Abdullin et al, "Design, performance, and calibration of CMS forward calorimeter wedges", The European Physical Journal С Particles and Fields, Volume 53, Number 1 / January, 2008, pp. 139-166

54. N.Akchurin and R.Wigmans, Review of Scientific Instruments, Vol 74, No 6 (2002)

55. K.Goulianos et al, "The CDF MiniPlug calorimeters", Nucl. Instr. and Meth. A496 333 (2003)

56. S.Abachi et al, "The D0 detector", Nucl. Instrum. Meth. A338 185 (1994)

57. ATLAS Collaboration, "The ATLAS Experiment at the CERN Large Hadron Collider", Journal of Instrumentation, Volume 3, August 2008, S08003

58. ATLAS Collaboration, "Liquid Argon Calorimeter Technical Design Report ", CERN/LHCC 96-41, 15 December 1996

59. N.Akchurin at al, "Source calibration of CMS quartz fiber calorimeter Contributed to "9th Astroparticle, Particle and Space Physics, Detectors and Medical Physics Applications "Conference, Villa Olmo, Como, Italy, 17-21 October 2005

60. Н.Акчурин, В.Б.Гаврилов, С.В.Семенов и др., "Калибровка переднего калориметра детектора CMS с помощью радиоактивного источника тСо Приборы и Техника Эксперимента, Vol. 50, No. 6, (2007) 744

61. N.Akchurin, A.S, Ayan, A. Ershov, "Response of a Quartz Fiber Calorimeter to Radiactive Source", CMS IN-2004/002

62. A.Ershov, N.Akchurin, M.Spezziga, "Computation and measurement of HF source geometrical factors", CMS IN-2006/037

63. N.Akchurin, S.Cerci, V.Gavrilov et al., "Single photoelectron peak measurement and its application for HF calibration and PMT gain monitoring", CMS IN-2008/015M