Создание экспериментального комплекса передней мюонной станции установки Компактный мюонный соленоид (CMS) тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.01, доктор наук Каржавин Владимир Юрьевич

• Каржавин Владимир Юрьевич
• доктор наук
• 2021

Оглавление диссертации доктор наук Каржавин Владимир Юрьевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Эксперимент Компактный Мюонный Соленоид на

Большом Адронном Коллайдере

1.1. Большой Адронный Коллайдер

1.2. Компактный Мюонный Соленоид

1.3. Основные субдетекторы CMS

1.3.1. Внутренний трекер

1.3.2. Полупроводниковые пиксельные детекторы

1.3.3. Полупроводниковые стриповые детекторы

1.3.4. Параметры трекера

1.4. Калориметрическая система CMS

1.4.1. Электромагнитный калориметр

1.4.2 Адронный калориметр

1.5. Мюонная система CMS

1.5.1. Основные требования к характеристикам мюонной ситемы

1.5.2. Дрейфовые камеры (DT)

1.5.3. Камеры с катодным считыванием информации (CSC)

1.5.4. Камеры с резистивными пластинами (RPC)

ГЛАВА 2. Критерии выбора детектора и электроники считывания

информации для передней мюонной станции МЕ1/1

2.1. Принцип работы камер с катодным считыванием информации

2.2. Пространственное разрешение камер с катодным считыванием

2.3. Требования к детекторам торцевой мюонной системы CMS

2.4. Особенности условий работы камер с катодным считыванием информации мюонной станции МЕ1/1

2.5. Требования к разработке электроники считывания для МЕ1/1 CSC

2.5.1. Организация считывания информации с катодных стрипов

2.5.2. Требования к усилителю формирователю сигналов с катодных

стрипов

2.5.3. Требования к электронике считывания информации с анодных проволочек

2.6. Аналоговая память на базе схемы выборки и хранения на переключаемых конденсаторах (СВХ)

2.7. Алгоритмы поиска координаты локального заряженного трека в

плоскости камеры

2.8. Триггерный процессор поиска локального заряженного трека по информации с катодных стрипов

2.9. Алгоритм поиска локального заряженного трека и времени

регистрации события по информации с анодных проволочек

2.10. Триггерный процессор поиска локального заряженного трека по информации с анодных проволочек

ГЛАВА 3. Методические исследования и оптимизация прототипов

электроники считывания и детекторов мюонной станции МЕ1/1

3.1. Программа экспериментальных исследований характеристик прототипов детектора и электроники считывания

3.2. Исследование характеристик прототипа P0 МЕ1/1 CSC в пучке заряженных частиц

3.2.1. Экспериментальное исследование влияния магнитного поля на координатную точность прототипа Р0

3.2.2. Влияние некоррелированного фона на характеристики прототипа P0

3.3. Экспериментальное изучение параметров CSC и электроники считывания на полномасштабных прототипах Р1 и Р2

3.3.1. Измерение пространственного и временного разрешения полномасштабного прототипа Р1

3.3.2. Интегральный тест детекторов торцевой части установки CMS в

пучке мюонов при наличии магнитного поля ~3 Т

3.3.3. Определение времени пересечения пучков ВХ и идентификация заряженного трека с помощью быстрых анодных сигналов

3.4. Изучение временного разрешения быстрого катодного канала электроники считывания

3.5. Экспериментальное исследование характеристик алгоритма определения центра кластера в МЕ1/1 CSC

3.6. Исследование характеристик предсерийных прототипов Р3 и Р4, со специально разработанной для детекторов МЕ1/1 электроникой

3.6.1. Состав и технические характеристики семейства интегральных

схем, специально разработанных для мюонной станции МЕ1/1

3.6.2. Исследование характеристик электроники регистрации с

прототипом камеры Р3 в пучке заряженных частиц (Н2, ЦЕРН)

3.6.3. Исследование временного разрешения прототипа камеры Р3 на

стенде с высокоинтенсивным гамма источником (GIF, CERN)

3.7. Исследование характеристик электроники регистрации на основе

специальных интегральных схем с предсерийным прототипом Р4

3.7.1. Тест прототипа Р4 в пучке мюонов с энергией Е=225 ГэВ (Н2,

ЦЕРН). Влияние газового усиления на характеристики CSC

3.7.2. Исследование загрузочной способности прототипа Р4.

Оптимизация катодного канала считывания информации

ГЛАВА 4. Создание детекторов для мюонной станции МЕ1/1

4.1. Физические характеристики камер с катодным считыванием

передней мюонной станции МЕ1/1

4.2. Изготовление и сборка серийных камер МЕ1/1

4.2.1. Контроль параметров панелей камеры во время сборки

4.2.2. Контроль параметров камер после сборки

4.3. Краткое описание электроники считывания информации установленной на детекторы мюонной станции МЕ1/1

4.3.1. Размещение электроники регистрации на камере МЕ1/1

4.3.2. Контроль работоспособности электроники считывания после монтажа на камеры МЕ1/1

ГЛАВА 5. Разразработка и создание передней мюонной станции ME 1/1

5.1. Особенности конструкции передней мюонной станции МЕ 1/1

5.2. Интеграция кабельных соединений мюонной станции МЕ 1/1

5.3. Система охлаждения электроники мюонной станции МЕ 1/1

5.4. Газовая система мюонной станции МЕ 1/1

5.5. Высоковольтная система передней мюонной станции МЕ1/1

5.6. Низковольтная система передней мюонной станции МЕ1/1

5.7. Проверка ME1/1 CSC перед монтажом в экспериментальную установку

5.8. Монтаж камер мюонной станции МЕ 1/1

5.9. Проверка ME1/1 CSC в процессе инсталляции

ГЛАВА 6. Проверка характеристик мюонной станции МЕ1/1 в реальных

условиях эксперимента СМS. Физический запуск СМS и первый

набор экспериментальных данных

6.1. Участие в совместном тесте субдетекторов CMS: «Магнитный тест

и испытание с космическими частицами (МТСС)»

6.1.1. Результаты испытаний детекторов МЕ1/1 в период МТСС

6.2. Участие в совместном тесте субдетекторов CMS: «набор данных с космическими частицами при рабочем значении магнитного поля (CRAFT)»

6.2.1. Состояние мюонной системы на начало CRAFT

6.2.2. Изучение пространственного разрешения МЕ1/1 CSC в реальных

экспериментальных условиях CMS в период CRAFT

6.3. Физический запуск CMS и первый набор экспериментальных данных

6.3.1. Открытие бозона Хиггса

ГЛАВА 7. Модернизация торцевой мюонной системы CMS

7.1. План экспериментальной программы на БАК

7.2. Модернизация торцевой мюонной системы в период первой

длительной остановки БАК (LS1)

7.3. Характеристика работы CSC в начальный период второго набора экспериментальных данных БАК (Run 2)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ

В течение последних сорока лет в научном понимании природы элементарных частиц и их взаимодействий достигнут значительный прогресс. Стандартная Модель, одно из самых больших достижений современной физики, была подтверждена результатами многочисленных экспериментов. Открытие t-кварка [1] в 1994 явилось последним доказательством правильности теории.

Согласно Стандартной модели, структура материи может быть представлена в виде двух семейств частиц: лептонов и кварков (каждое семейство подразделяется на 3 поколения), и четырех фундаментальных взаимодействий: электромагнитного, слабого ядерного, сильного ядерного и гравитационного [2].

Теория объединения электромагнитного и слабого взаимодействий, отмеченная Нобелевской премией в 1979 году и, получившая экспериментальное доказательство в начале восьмидесятых с открытием W± и Z0 бозонов [3-9], позволила сделать шаг вперед в понимании фундаментальных взаимодействий. Это первая теория объединения в современной физике, появившаяся более чем через сто лет после Максвелловского объединения электрического и магнитного взаимодействий. Тем не менее, Стандартная Модель все еще оставляет много вопросов без ответа: например, не объясняет механизм приобретения массы частицами. Также теорией не объяснен тот факт, что кварки и лептоны имеют три поколения, имеющие существенные различия в массах. Расширение теории Стандартной модели позволило дать ответы на эти вопросы, - сделано предположение о существовании Хиггсовского поля взаимодействия массивных векторных бозонов W± и Z0 [10]. При этом масса частиц приобретается через механизм спонтанного нарушения симметрии.

В течение восьмидесятых физики-теоретики пытались постулировать существование гравитона - бозона с гравитационным взаимодействием. Однако, и сейчас уровень теоретических и экспериментальных знаний в этой области недостаточен для серьезных выводов. Несбалансированные количества материи и антиматерии или, так называемой "Темной материи", остаются вопросами, которые ждут решения [11, 12].

Среди теорий, сформулированных для того, чтобы дать ответы на вопросы, которые не объясняются Стандартной Моделью, в настоящее время наиболее популярной является физическая гипотеза Суперсимметрии (SUSY), объединяющая современные теории электрослабых взаимодействий и квантовую хромодинамику (КХД). Основное предположение теории SUSY основано на том, что для каждой известной элементарной частицы существует частица суперпартнёр с равным зарядом. Для каждого кварка имеется

соответствующий скварк и аналогично существуют слептоны, нейтролины, глюины, и т.д. В то время, как стандартная хиггсовская модель содержит пять суперсимметричных частиц (Минимальное Суперсимметричное расширение Стандартной модели - MSSM) [12]. Поиск суперпартнёров известных частиц является одной из основных задач современной физики высоких энергий. Физическая программа экспериментов на Большом Адронном Коллайдере (БАК) включает задачу получения экспериментального доказательства правильности теории SUSY, что предполагает открытие и исследование суперсимметричных частиц, если они существуют, или изучение альтернативных явлений в случае отрицательного результата.

Решение поставленных физических задач потребовало создания беспрецедентных по своему масштабу экспериментальных установок, которые работают на встречных пучках большого адронного коллайдера БАК [13].

4 июля 2012 года, физики ЦЕРНа объявили, что нашли бозон Хиггса [14, 15]. Эта новость, имеющая огромное значение для понимания фундаментальных законов Вселенной, моментально «облетела» весь мир и вызвала огромный общественный интерес. Бозон Хиггса имени профессора Питера Хиггса, физика-теоретика из университета Эдинбурга, который предсказал его существование, является элементарной, субатомной частицей. В теории Стандартной модели бозон Хиггса занимает ключевую роль в объяснении того, как взаимодействуют различные типы элементарных частиц, которые составляют видимую Вселенную. При существовании бозона Хиггса экспериментальные результаты в физике частиц (за исключением физики нейтрино) хорошо соответствуют Стандартной модели, которая объясняет почему некоторые частицы (например, электроны) имеют массу, в то время как другие частицы (например, фотоны) не имеют массы. Считается, что элементарные частицы обретают массу, взаимодействуя с квантовым полем Хиггса. Теория состоит в следующем: бесчисленное количество бозонов Хиггса составляют энергетическое поле («поле Хиггса»), которое распространяется по всей Вселенной. Элементарные частицы различных типов движутся в поле Хиггса по-разному: частицы, обладающие небольшой массой, делают это очень легко, в то время как другие типы элементарных частиц двигаются через поле Хиггса не так легко, и это говорит о том, что они имеют относительно большую массу.

Увидеть в эксперименте непосредственно бозон Хиггса невозможно из-за чрезвычайно короткого времени жизни ~10-25 секунды, однако, при определенных условиях эксперимента распадающийся бозон Хиггса оставляет след в виде комбинации рожденных элементарных частиц. Например, бозон может распадаться на пару «Z-бозонов», которые в дальнейшем распадаются на другие частицы. Эти частицы оставляют своеобразный след (сигнатуру) в детекторах экспериментальных установок, который ученые могут интерпретировать как

указание на распад бозона Хиггса. Однако, во время столкновений пучков коллайдера такие комбинации могут рождаться в результате «фоновых» взаимодействий, поэтому поиск новых частиц физики осуществляют в области сигналов, превышающих предел фоновых шумов. В соответствии с современными теориями, бозон Хиггса должен рождаться несколько раз в каждый триллион столкновений частиц высоких энергий на БАК. Подтверждение существования бозона Хиггса является плацдармом для дальнейших исследований и более глубокого понимания Вселенной.

Экспериментальная информация, полученная на БАК, наряду с детальным изучением свойств бозона Хиггса и поиском новых, и экзотических частиц, позволит расширить знания в области физики высоких энергий и обеспечить более глубокое понимание фундаментальной природы материи. Коллаборация CMS осуществила беспрецедентно обширные поиски сигналов новой физики, которые позволили установить ограничения на пространство модельных параметров ряда теоретических сценариев, среди которых суперсимметрия, модели с дополнительными пространственными измерениями и частицами темной материи, расширенные калибровочные модели и многие другие. Кроме того, в рамках исследований СМ, проведено изучение характеристик процессов сильного и электрослабого взаимодействий (сечений, констант связи, корреляций и других характеристик) в протон-протонных и ядро-ядерных взаимодействиях.

Важно отметить, что подготовка и проведение физических исследований на крупнейших в мире и высокотехнологичных экспериментальных установках на БАК имеет побочный положительный эффект развития в разнообразных областях науки и техники таких, как медицина, вычислительная техника, электроника и промышленность.

Компактный мюонный соленоид (CMS) является одним из четырех экспериментов, работающих на БАК. Одна из основных задач эксперимента CMS нацелена на обнаружение лептонов с большим поперечным импульсом, которые в свою очередь являются характерным следом бозона Хиггса или суперсимметричных частиц.

Триггерная система установки CMS выбирает интересующие события с характерными сигнатурами рожденных элементарных частиц и сохраняет их для дальнейшего физического анализа. Обработка триггерной информации и выработка решения состоит из двух этапов: триггера первого уровня и триггера высокого уровня. Триггер первого уровня вырабатывается с помощью специальных процессоров, в то время как алгоритмы программ триггера высокого уровня требуют большой вычислительной мощности и обрабатываются «офлайн». Отбор событий на уровне триггера первого уровня происходит с привлечением информации с различных субсистем эксперимента, как с калориметров, так и с мюонных субдетекторов.

Идентификация мюонов в протон-протонных взаимодействиях на БАК, выполняемая мюонной системой, предоставляет возможность изучения обширной области физических процессов. Важнейшей особенностью мюонной системы является способность отделить реальные события от фоновых и с высокой точностью и эффективностью определить пространственную, временную координату, и измерить импульс в поперечной плоскости эксперимента

Мюоны образуются во многих физических каналах поиска: например, два или несколько мюонов возникают в следующих процессах распада бозона Хиггса:

+ — + — + —

H0 ^ WW ^ ц ц и ц ц X

Где X-пара лептонов или кварков. Близкие димюонные пары могут рождаться от распада J/¥.

Многопроволочные пропорциональные камеры с катодным считыванием информации (CSC) выбраны в качестве базовых детекторов мюонных систем крупнейших экспериментов CMS и ATLAS, так как они сочетают в себе следующие необходимые свойства:

• определение координаты частицы с высокой точностью;

• способность работать в сильном магнитном поле (~ 4 Т);

• возможность формирования локального триггера.

Координатная точность детекторов мюонной станции МЕ1/1 играет определяющую роль в обеспечении необходимого энергетического разрешения мюонной системы установки CM S. Наиболее близкое в мюонной системе место расположения станции по отношению к внутреннему трекеру определяет высокие требования к эффективности и точности определения пространственной координаты для восстановления мюонного трека в точку взаимодействия.

CMS и ATLAS являются крупнейшими экспериментальными установками в мире, разнообразные детекторные системы которых состоят из большого количества каналов считывания информации. Общее количество каналов регистрации в эксперименте составляет ~ 160 миллионов. Повышенные требования к характеристикам многоканальных детектирующих систем (CMS трекер имеет 12 х 107 каналов) и, одновременно, очень ограниченное место для размещения детекторов и электроники регистрации, влекут за собой необходимость решения ряда серьезных задач при разработке конструкций экспериментальных установок. Большое количество детекторов различных субсистем и электроники, расположенной непосредственно на них, недоступны в течение длительного периода эксплуатации, что накладывает специальные требования к высокой надежности. Ситуация осложняется еще и тем, что многие параметры детектирующих систем,

определяющие их точность, быстродействие и надежность, такие как: отношение сигнал-шум, температурная стабильность, способность работы в магнитном поле (< 4Т), радиационная стойкость, строго регламентированы [18, 19].

Большой адронный коллайдер является самым мощным ускорителем в мире, имеющим наивысшую интенсивность пучков. В зонах взаимодействия пучков рождаются огромное количество частиц, трековая информация которых регистрируется детекторами и поступает в систему сбора данных для дальнейшей обработки событий. Большой объем передаваемых данных (одно событие превышает 1 Мбайт) требует соответствующей вычислительной мощности (~ 109 MIPS), а также наличия быстрых линий передачи данных (~ 100 ^ 200 Мбайт/сек). Это обстоятельство требует использования достаточно новых для физики высоких энергий технологий, таких как: телекоммуникационные ключи, радиационно-стойкие специальные большие интегральные схемы (СБИС), полупроводниковая оптоэлектроника и оптические линии передачи данных.

К отличительным особенностям электронной аппаратуры экспериментов БАК следует отнести общую для всех систем тенденцию распределения вычислительной мощности. Бурное развитие технологии производства СБИС (процессоров, памяти и программируемой логики) позволило перераспределить ряд задач, решаемых триггерными системами, а также вырабатывать первичные триггерные решения с помощью электроники регистрации информации, располагаемой на детекторах. При этом возрастает скорость выработки решения триггера первого уровня, уменьшается объем передаваемых с детектора данных, возрастает скорость обработки данных, однако, заметно усложняется электронная аппаратура, располагаемая на детекторах, непосредственно в зоне повышенного радиационного фона. Решениями задач по эксплуатации и модернизации экспериментальных установок на БАК, занимаются тысячи ученых и инженеров во всем мире.

Впервые предложение по созданию установки Компактный Мюонный Соленоид ^MS) прозвучало на конференции "Большой Адронный Коллайдер" в 1990 году [14]. В 1990^1994 годах проводились работы по изучению возможности создания комплекса экспериментальных средств для решения поставленных физических задач. Была создана коллаборация заинтересованных научных центров Европы, Америки и Азии по созданию на БАК экспериментальной установки CMS. В эксперименте приняли участие представители ведущих институтов России и стран участниц ОИЯИ, объединенные в субколлаборацию RDMS (Russia and Dubna member states) [21]. В декабре 1994 г. координационным комитетом LHC (ЦЕРН) утвержден технический проект экспериментальной установки CMS [22].

В составе коллаборации RDMS, под руководством автора диссертации, в ОИЯИ и ЦЕРН проводились работы по проектированию, созданию и вводу в эксплуатацию комплекса передней мюонной станции МЕ1/1 торцевой мюонной системы установки CMS.

В настоящей диссертации приведены основные параметры Большого Адронного Коллайдера, а также дано описание установки CMS. Представлены принцип действия и конструкция многопроволочных пропорциональных камер с катодным считыванием информации ^SC). Сформулированы основные требования к физическим характеристикам камер, а также особенности условий их надежного функционирования в составе комплекса передней мюонной станции МЕ1/1 установки CMS.

Большое внимание в диссертации уделено экспериментальному исследованию характеристик прототипов камер и электроники считывания информации мюонной станции МЕ1/1. Результаты ряда описываемых экспериментов, в которых автор принял участие, легли в основу оптимизации характеристик электроники регистрации информации с учетом специфических особенностей мюонной станции МЕ1/1.

Под руководством автора разработано и создано нескольких поколений прототипов электроники считывания информации, что позволило создать комплекс аппаратуры для проведения методических исследований по изучению и оптимизации характеристик детекторов для мюонной станции МЕ1/1.

При непосредственном участии автора разработан и изготовлен первый прототип четырехслойной пропорциональной камеры с катодным считыванием информации размером 0.5 х 0.5 м2. Характеристики прототипа камеры были исследованы в пучке мюонов высоких энергий на канале Н2 (RD5). Измеренное пространственное разрешение детектора (ах ~ 60 мкм) подтвердило правильность выбора технологии пропорциональных камер с катодным считыванием для использования в торцевой части мюонного спектрометра установки CMS.

Под руководством автора проведены исследования характеристик детекторов в экспериментальных условиях, близких к реальным. Так, например, искажение формы распределения наведенного заряда, обусловленное влиянием магнитного поля, приводит к деградации точности камеры и тем самым вносит неопределенность в исследование характеристик электроники считывания, поэтому понимание процессов, приводящих к ухудшению свойств детектора, позволяет правильно оценить погрешность, а также предусмотреть методы компенсации или защиты от паразитных эффектов.

Впервые экспериментально исследовано влияние электромагнитного сопровождения, индуцируемого мюонами, на координатную точность пропорциональных камер с катодным считыванием. Показано, что многослойные камеры позволяют сохранить высокую точность и

эффективность в условиях электромагнитного сопровождения мюонов, а наличие шести плоскостей в мюонных камерах наиболее оптимально с точки зрения реконструкции трека с электромагнитным сопровождением мюона.

Результаты исследований, проведенных под руководством автора, позволили экспериментально подтвердить соответствие характеристик прототипов детекторов мюонной станции МЕ1/1 требованиям эксперимента CMS, а также выработать концептуальные решения для конструкции CSC камер и для разработки электроники считывания информации с них. На основании полученных экспериментальных результатов коллаборация CMS утвердила предложение использовать пропорциональные камеры с катодным считыванием информации в качестве основного детектора для торцевой мюонной системы CMS. Прежде чем перейти к серийному изготовлению камер и электроники, был создан ряд прототипов и проделан большой объем методических исследований, которые велись на протяжении шести лет в лабораторных условиях и на пучках заряженных частиц.

По результатам этапа НИР и конструкторской проработки проекта были подготовлены и успешно защищены инженерный и технический проекты мюонной системы, включающие расчеты и чертежи всех субсистем, результаты моделирования и экспериментальных исследований детекторов и электроники регистрации передней мюонной станции МЕ1/1 в экспериментальных условиях установки CMS.

Разработан и изготовлен предсерийный прототип детектора для мюонной станции МЕ1/1, исследование параметров которого на пучке в ЦЕРНе показало полное соответствие требованиям CMS. Был дан зеленый свет производству серийных камер.

Параллельно с методическими исследованиями прототипов проводилась подготовка к производству детекторов, включающая строительство специальных помещений для сборки детекторов, монтаж технологического оборудования и создание стенда для контроля параметров детекторов с помощью космических частиц. В короткий срок в лаборатории ЛФЧ ОИЯИ была создан участок по производству детекторов для мюонной станции МЕ1/1 установки CMS и начато их серийное производство.

После транспортировки детекторов в ЦЕРН перед монтажом в установку осуществлялась проверка их работоспособности и контроль параметров. Для этой цели был создан специальный участок в помещении бывшего ускорительного кольца ISR, где было смонтировано необходимое оборудование для работы с детекторами: газовый стенд, автоматизированный стенд для проверки основных характеристик камер, аппаратура и приспособления для ремонта. Монтаж детекторов передней мюонной станции МЕ1/1 в наземном монтажном зале SX5 были завершен 3 октября 2005 года.

Одним из важнейших этапов подготовки к запуску установки CMS явилась проверка совместной работы всех субсистем CMS в магнитном поле. Впервые при наличии магнитного поля рабочей величины (3 Т) экспериментально измерено пространственное разрешение детекторов передней станции ME1/1 (118 мкм на плоскость), что соответствует результатам, полученным с помощью моделирования и измерений в пучках заряженных частиц. Впервые продемонстрирована совместная работа передней станции ME1/1 и адронного калориметра установки CMS, показано хорошее пространственное совмещение двух систем.

После завершения проверки работоспособности субсистем эксперимента CMS в наземном зале SX5 экспериментальная установка, состоящая из 15 частей, соединенных между собой разъемными кабельными и сервисными коммуникациями, была раздвинута и поочередно опущена с помощью гигантского портального крана в подземный зал UX5 через специальную технологическую шахту на глубину 100 м. Вес одного из самых крупных сегментов CMS составлял 1950 тонн.

Монтаж экспериментальной установки CMS в подземном зале ознаменовал переход к финальной стадии подготовки CMS к запуску - сложнейший этап проверки работоспособности «оживления» установки, включающий огромный объем работ по наращиванию количества одновременно работающих детекторов, их систем питания и сервисного обеспечения, аппаратуры считывания информации, приема и передачи данных, систем медленного контроля, управления установкой и обеспечения безопасности работы установки.

Первые протон-протонные столкновения на БАК с энергией в центре масс 7 ТэВ (3,5 ТэВ + 3,5 ТэВ) произошли 30 марта 2010 года. Первый регулярный набор данных (RUN1) стартовал в начале 2011 г. и продлился до конца 2012 г. В период набора данных появилась уникальная возможность исследования физических параметров комплекса мюонной станции установки CMS на пучках БАК. Экспериментальные результаты явились основой для нескольких направлений научно-исследовательских работ по оптимизации характеристик детекторов, исследования влияния различных факторов на процесс старения и, соответственно, ухудшение основных параметров детекторов.

Сформулированы цели и задачи модернизации детекторов торцевой части мюонного спектрометра CMS для эффективной работы всех систем в условиях повышенной светимости БАК свыше 2x1034 см-2с-1 при протон-протонных соударениях.

Под руководством автора, в период первой длительной остановки БАК (2013- 2014 гг.), выполнены работы по модернизации детекторов и электроники считывания информации мюонной станции МЕ1/1

На основе экспериментальных данных, полученных после модернизации детекторов, показано улучшение их основных характеристик.

Цель диссертационной работы.

Настоящая диссертационная работа посвящена разработке, созданию, монтажу и обеспечению многолетней эксплуатации уникального комплекса передней станции МЕ1/1 торцевой мюонной системы установки Компактный Мюонный Соленоид на Большом адронном коллайдере.

Выполнение цели диссертационной работы включает следующие направления:

1. Создание многослойных пропорциональных камер с катодным считыванием для комплекса передней мюонной станции МЕ1/1, что включает выполнение следующих задач:

- разработка конструкции камер МЕ1/1;

- разработка технологии серийного производства камер МЕ1/1 и создание в ОИЯИ участка для изготовления камер, оснащённого необходимым оборудованием и системами контроля на всех этапах производства детекторов;

- производство 76 шестислойных камер с катодным считыванием информации для передней мюонной станции МЕ1/1.

2. Методические исследования характеристик камер для комплекса передней мюонной станции МЕ1/1 с целью оптимизации их конструкции для обеспечения уникальных параметров, соответствующих условиям проекта CMS. Создание уникальной электронной аппаратуры для проведения систематических методических исследований характеристик прототипов детекторов, включая:

- создание автоматизированных стендов для исследования характеристик детекторов с космическими частицами и на пучках заряженных частиц;

- разработку и изготовление комплекта специализированных интегральных схем для считывания анодной и катодной информации, на базе которых создана многоканальная система электроники регистрации для комплексных исследований прототипов детекторов мюонной станции МЕ1/1.

3. Монтаж комплекса передней мюонной станции на установке CMS, включая системы (высоковольтную, низковольтную, газовую и охлаждения электроники), обеспечивающие работу детекторов.

4. Проверка работоспособности комплекса мюонной станции МЕ1/1 после сборки. Исследование зависимости характеристик детекторов от реального магнитного поля в диапазоне 0 ^ 4 Т (тест с космическими частицами).

5. Экспериментальное исследование характеристик комплекса мюонной станции МЕ1/1 на протон-протонных столкновениях в первый период набора данных.

6. Модернизация детекторов и электроники считывания информации комплекса передней мюонной станции МЕ1/1 в период первой длительной остановки БАК (LS1), нацеленная на обеспечение надёжной и эффективной регистрации событий и организации триггера в области псевдобыстрот 2.1 < |п| < 2.4, в режиме работы БАК с полной энергией в системе центра масс Vs = 14 ТэВ и светимостью 2 x1034 см2 с-1, а также исследования, направленные на обеспечение работы установки в условиях высокой светимости БАК 5 ^ 7 x 1034 см2с-1, при увеличении интегральной светимости коллайдера на порядок по сравнению с исходным расчетным значением 300 фб-1.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Создание экспериментального комплекса передней мюонной станции установки Компактный мюонный соленоид (CMS)»

Актуальность темы диссертации.

Создан и введен в эксплуатацию комплекс передней мюонной станции МЕ1/1 торцевой мюонной системы одного из крупнейших в мире экспериментов - CMS.

Впервые для мюонной станции МЕ1/1 разработаны и применены камеры с катодным считыванием информации, которые имеют следующие уникальные параметры:

- работа в сильном магнитном поле > 4 T;

- работа при высоком уровне фоновых загрузок до 1.5 кГц/см2;

- эффективность регистрации, не хуже ~ 98 %;

- пространственное разрешение ~ 50 мкм;

- временное разрешение ~ 3 ns.

Созданная система торцевой мюонной станции, может быть востребована в современных экспериментальных установках, в которых необходима надежная и эффективная работа детекторов в сложных экспериментальных условиях и обеспечение при этом характеристик, необходимых для измерения поперечных импульсов мюонов и инвариантной массы пары мюонов с точностью ~ 1%.

Создана электронная аппаратура, необходимая для проведения систематических методических исследований характеристик прототипов детекторов, которая позволила оптимизировать разрабатываемую конструкцию камер с учетом особенностей мюонной станции МЕ1/1.

Разработана конструкция и технология изготовления шестислойных камер с катодным считыванием. В ОИЯИ для комплекса мюонной станции МЕ1/1 изготовлено 76 детекторов, которые доставлены в ЦЕРН и установлены в экспериментальную установку CMS.

Разработан сценарий и технология монтажа детекторов передней мюонной станции МЕ1/1. Для монтажа детекторов разработано, изготовлено и успешно применено специальное оборудование.

Впервые, после сборки экспериментальной установки, проведена проверка основных характеристик комплекса мюонной станции МЕ1/1 в реальном магнитном поле с помощью космических частиц (тесты МТСС и CRAFT). Показано, что физические характеристики мюонной станции МЕ1/1 соответствуют проектным условиям эксперимента CMS.

Осуществлен физический запуск комплекса передней мюонной станции в составе мюонной системы CMS. Анализ экспериментальных данных, полученных после запуска БАК в первый период набора данных, показал, что физические параметры детекторов передней мюонной станции соответствуют расчетным и удовлетворяют требованиям проекта CMS .

Детекторы передней мюонной станции ME1/1, имея наилучшие в мюонной системе характеристики, играют ключевую роль в реализации практически всей программы физических исследований эксперимента CMS. Одним из фундаментальных достижений в реализации этой программы явилось открытие новой частицы бозона Хиггса.

Разработан и реализован проект первого этапа модернизации комплекса передней мюонной станции в период длительной технической остановки БАК (LS1). Физические параметры передней мюонной станции, измеренные после модернизации, показали улучшение основных характеристик детекторов.

Содержание диссертации.

Диссертация состоит из введения, семи глав и заключения.

Во введении сформулированы цели и задачи диссертационной работы, рассмотрены актуальность исследований и практическая ценность работы.

В первой главе приведено краткое описание и основные характеристики «Большого Адронного Коллайдера» (БАК). Рассмотрено назначение экспериментальных установок, работающих на БАК. Дано краткое описание установки «Компактный мюонный соленоид» (CМS), а также назначение, состав и характеристики субсистем CМS. Акцент сделан на мюонной системе экспериментальной установки CMS и входящем в ее состав комплексе передней мюонной станции торцевой части мюонной системы. Торцевая часть состоит из четырех мюонных станций (МЕ1- МЕ4), каждая из которых состоит из шестислойных камер с

катодным считыванием информации (CSC) и дополнительных триггерных детекторов на основе плоских резистивных камер, перекрывающих область псевдобыстрот 0.9 < |п| < 2.4.

Вторая глава посвящена обоснованию выбора типа детектора для комплекса передней станции торцевой мюонной системы установки CMS. Приведены основные физические задачи и требования проекта CMS к детекторам комплекса передней станции мюонной системы. Представлен физический принцип работы пропорциональных камер с катодным считыванием. Перечислены особенности условий работы камер комплекса передней мюонной станции в экспериментальной установке.

В третьей главе приведены результаты методических исследований камер с катодным считыванием. Разработаны и исследованы прототипы камер передней мюонной станции МЕ1/1. Разработан комплекс электронной аппаратуры, необходимой для проведения систематических исследований физических характеристик прототипов детекторов.

Сформулированы задачи оптимизации конструкции детекторов для передней мюонной станции. Представлена программа систематических исследований характеристик прототипов камер с катодным считыванием для передней мюонной станции.

Показано, что камеры удовлетворяют требованиям проекта и обеспечивают необходимые физические характеристики при работе в магнитном поле ~ 3 T и при высоком уровне фоновых загрузок до 1.5 Гц/см2:

- эффективность регистрации не хуже s ~ 98%;

- пространственное разрешение а ~ 75мкм;

- временное разрешение t ~ 2 ns.

Четвертая глава описывает разработку, конструирование и создание камер с катодным считыванием для передней мюонной станции МЕ1/1 эксперимента CMS.

Представлены конструкция и технология изготовления камер с катодным считыванием.

Описано создание в лаборатории ЛФВЭ ОИЯИ участка изготовления камер с катодным считыванием для передней мюонной станции ME1/1.

Пятая глава посвящена разработке и созданию передней мюонной станции МЕ1/1.

Представлены особенности конструкции передней мюонной станции МЕ1/1. Изложены решения задач интеграции кабельных и сервисных соединений передней мюонной станции.

Приведено краткое описание систем обеспечения передней мюонной станции МЕ1/1. Представлен сценарий и процесс монтажа детекторов передней мюонной станции МЕ1/1.

Дано описание электроники считывания передней мюонной станции МЕ1/1 и принцип выработки локального триггера.

Представлена последовательность проверки ME1/1 CSC перед и в процессе инсталляции камер в экспериментальную установку.

Шестая глава посвящена исследованию характеристик мюонной станции МЕ1/1 в реальных условиях эксперимента в составе торцевой мюонной системы CМS, а также физическому запуску CMS.

Приведены основные результаты проверки работы передней мюонной станции МЕ1/1 после монтажа установки CMS с космическими частицами в магнитном поле в наземном зале (MTCC), а также после монтажа установки в подземном экспериментальном зале CMS (CRAFT).

Представлены характеристики работы детекторов мюонной станции ME1/1 в период первого набора данных, анализ которых показывает, что физические параметры детекторов передней мюонной станции соответствуют расчетным и удовлетворяют требованиям проекта CMS.

В седьмой главе представлена многоэтапная программа модернизации CMS, нацеленная на подготовку к работе в условиях повышенной светимости БАК (предельное значение пика светимости 7.5 x 1034 cм"2с"1).

Представлена мотивация модернизации комплекса передней мюонной станции и основные направления первого этапа модернизации в период длительной технической остановки БАК 2012 - 2013 гг. Дано описание подготовки и проведения основных работ по модернизации комплекса передней мюонной станции МЕ1/1 :

- оснащение камер МЕ1/1 новой электроникой, на базе цифровых карт считывания информации с катодных стрипов (DCFEB);

- модернизация нижней части камер (МЕ1/1а);

- модернизация системы низковольтного питания детекторов МЕ1/1 .

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы. В конце текста приводится список публикаций, положенных в основу диссертации.

ГЛАВА 1. Эксперимент Компактный Мюонный Соленоид на Большом Адронном Коллайдере.

1.1. Большой Адронный Коллайдер (БАК).

Большой адронный коллайдер (БАК), длинна которого составляет 27 км, расположен на глубине ~100 м под землёй между горным массивом Юра и Женевским озером, пересекая границу между Францией и Швейцарией (рис. 1.1). Большой адронный коллайдер спроектирован для ускорения и столкновения как протонов, так и атомных ядер с энергией в центре масс = 14 ТэВ и = 5,52 ТэВ на нуклон соответственно (где последнее значение относится к столкновениям РЬ-?Ь) [23].

Рис. 1.1. Большой Адронный Коллайдер и четыре эксперимента CMS, ATLAS, LHCb и ALICE.

БАК расположен в туннеле бывшего ускорителя электронов и позитронов «Большой электрон-позитронный коллайдер» (LEP) [24]. Решение об ускорении протонов вместо электронов было принято потому, что высокая энергия столкновений может быть получена только при условии, если потери на синхротронное излучение будут малы.

Масса протона примерно в 1836 раз больше, чем масса электрона. Поскольку потери энергии пропорциональны , протон той же энергии дает значительно меньше синхротронного излучения и поэтому является адекватным выбором. Негативная особенность ускорения протонов, состоит в том, что, являясь мультипартонными частицами, они содержат кварки и

глюоны, которые генерируют гораздо более высокий фон, чем точечные электрон-позитронные столкновения.

Физическая программа экспериментов, работающих на пучках протонов и ядер Большого адронного коллайдера (БАК), наряду с изучением свойств бозона Хиггса и прецизионной проверкой выводов Стандартной модели (СМ), включает задачу поиска доказательств существования новой физики за пределами СМ.

Два эксперимента общего назначения ATLAS и CMS предназначены для проведения широкого спектра физических исследований в ТэВ-ном диапазоне энергий, включая изучение свойств бозона Хиггса, измерение параметров элементарных частиц с более высокой точностью, а также поиск доказательств существования новой физики за пределами Стандартной модели. Эксперимент LHCb специализируется на точном измерении СР-нарушений и редких распадов. Эксперимент ALICE исследует сильные взаимодействия при очень высоких плотностях энергии в столкновениях тяжелых ионов. Ожидается, что в такой среде существует новый вид материи: кварк-глюонная плазма.

CMS

Рис. 1.2. Ускорительный комплекс ЦЕРН.

На рисунке 1.2 показан ускорительный комплекс ЦЕРН [24, 25]. Инжекция частиц в БАК осуществляется с помощью существующей цепочки ускорителей: сначала протоны ускоряются в линейном ускорителе (LINAC-4) и в протон-синхротронном бустере до кинетической энергии 1.4 ГэВ, затем ускорители протонный синхротрон (PS) и суперпротонный синхротрон (SPS) доводят протонные пучки до энергии 450 ГэВ. Окончательное ускорение до энергии пучков 7 ТэВ происходит в кольцах коллайдера БАК.

Для организации работы коллайдера в режиме столкновения тяжелых ионов, первые два этапа инжекции заменяются на LINAC3 (Linear Accelerator) и LEIR (Low Energy Ion Ring).

В 2011 г. энергия столкновения протонов составляла 7 ТэВ, в 2012 году энергия была повышена до 8 ТэВ, и номинальное значение энергии коллайдера 14 ТэВ (на сегодняшний день самое большое в мире) было достигнуто после длительного технического отключения 2013-2014 гг.

Сгустки частиц (банчи), каждый из которых содержит 1011 частиц, вращаются внутри ускорителя с интервалом в 25 нс между ними. Ускорение сгустков происходит за счет многократного усиления, создаваемого высокочастотным электрическим полем в ускоряющих промежутках, направленным по движению частиц и дающим им энергетический толчок. Каждый ускоряющий промежуток имеет электрическое напряжение 2 МВ с частотой 400 МГц, обеспечивая ускоряющее поле 5 МВ/м.

Всего в туннеле LHC примерно 1600 магнитов, которые охлаждаются сверхтекучим гелием до температуры 1,9 К и позволяют создавать магнитное поле ~ 8Т. Разрез диполя поворотного магнита БАК показан на рисунке 1.3.

LHC DIPOLE : STANDARD CROSS-SECTION_

ALIGNMENT TARGET MAIN QUADRIPOLE BOS-BARS HFAT FXCHANOFR PIPF SUPERIKSU.ATON SUPERCONDUCTING COILS BEAMPVC

VACUUM VESSEL ВЕЛИ SCREEN AUXILIARY BUS-UARS SHRINKW5 CYLINDERI HE l-VESSEL THERMAL SHIELD (66 » /¡>Ki NON-MAQNETtC COLLARS IRON YOKE (COLD MASS. 1.MQ DIPOLE BUS-BARS SUPPORT! POST

Рис 1.3. Поперечное сечение диполя поворотного магнита БАК.

Форма каждого сверхпроводящего магнита обеспечивает изгиб траектории частиц, соответствующий радиусу БАК.

Встречные вращающиеся банчи каждые 25 наносекунд (Твх) сталкиваются в области пересечения пучков, находящейся в центральной части экспериментальных установок. Энергия протонов в каждом из встречных банчей эквивалентна 7 ТэВ и, соответственно, энергия центра масс составляет 14 ТэВ.

При соударении протонов в результате неупругого взаимодействия рождаются частицы, которые регистрируются детекторами в экспериментальной установке. Вероятность неупругих взаимодействий в единицу времени определяется: с одной стороны - поперечным сечением р-р взаимодействия, а с другой стороны - плотностью и частотой протонных банчей. Эти величины определяют характеристику ускорителя, называемою "светимостью" (L). Количество взаимодействий, регистрируемых в экспериментах, является мгновенной светимостью ускорителя. Для процесса с сечением о количество событий в БАК за At дней: Nt = oLAt. Где La - мгновенная светимость, интегрированная за интервал времени At.

Мгновенная светимость для кольцевого коллайдера с примерно "гауссовой" формой распределения сгустков с размерами ox,oz, можно записать в виде:

L=-^ (1)

где N - это количество частиц в сгустке. f - частота его вращения.

L=1034 см"2с-1 - проектная светимость LHC коллайдера.

В 2012 году, перед остановкой БАК на профилактику, светимость достигла значения: L=7.7 1033 см"2с-1. Значение мгновенной светимости не является постоянной величиной в течение сеанса по набору экспериментальных данных.

Взаимодействия типа "пучок - пучок" или "пучок - газ" могут уменьшить значение светимости, но главной причиной ее постоянного падения являются потери интенсивности пучка в столкновениях. Таким образом, мы может параметризовать мгновенную светимость, как:

1 (t\ = 1 p-t/r T-i + T-i + T-i п

^реаск° > Lcollisions 1 Lbeam-beam 1 Lbeam-gas V

Эта величина измеряется в экспериментах при каждом пересечении пучка с помощью детекторов, расположенных на малых углах по отношению к пучку.

В CMS мгновенная светимость измеряется передним калориметром на основе кварцевого волокна, который находится на расстоянии z = 11,2 м от точки взаимодействия. Дополнительные измерения мгновенной светимости, необходимые для физического анализа, осуществляются с помощью пиксельного детектора, информация с которого не считывается для каждого сгустка, а дает опорное поперечное сечение, что является более стабильным в рабочих условиях и измеряется с помощью метода сканирования Ван дер Меера [26].

Интегральная светимость коллайдера, полученная в эксперименте CMS за период первого периода набора данных, показана на рисунке 1.4. Видно, что график интегральной светимости отражает последовательное улучшение работы ускорителя.

CMS Integrated Luminosity, рр

Data Included from 2010-03-30 11:21 to 2012-12-16 20:49 LTTC

Date (UTC)

Рис. 1.4. Интегральная светимость коллайдера, поставленная CMS в различные периоды набора данных.

Количество неупругих взаимодействий в секунду - "частота событий" определяется как произведение поперечного сечения и светимости:

№об = L х а = 1034 см-2 с-1 х 60х10"3 х10-24см2 = 6 х108 с-1 (1.3)

Большое количество событий налагает серьезные требования к быстродействию детекторов и электроники считывания информации, а также к набору и обработке экспериментальных данных.

Кроме того, детектор и электроника, располагаемая непосредственно на нем или в непосредственной близости от него, подвергаются высоким дозам радиационного облучения, что требует применения радиационно-стойких технологий.

Необходимость большой светимости состоит в том, что наибольший интерес вызывают процессы, идущие с малыми сечениями. Например, сечение рождения частицы Хиггс можно оценить как:

а Хиггс = 10-11 х а^. (1.4)

Поиск Хиггса можно сравнить с поиском иголки в стоге сена. Иными словами, чтобы найти столь редкое событие, приходится регистрировать огромное количество различного рода событий. Так как сгустки протонов имеют конечные размеры, при пересечении пучков рождаются события, вершины или точки взаимодействия которых располагаются в объеме с

размерами: (а г) вдоль и (ах, у) поперек пучка. В таблице 1.1 приведены наиболее важные, с точки зрения эксперимента, параметры ускорителя.

Таблица 1.1

Энергия центра масс (р-р взаимодействия) 14 ТэВ

Номинальная светимость L 1034 см-2с-1

Время жизни светимости At 10 часов

Радиус пучка в точке взаимодействия 16 мкм

Интервал пересечения пучков 24.95нс

Частота пересечения пучков 40.08 МГц

Длинна банча 76 мм

Количество банчей 2808

Количество частиц в одном банче 1.1х

Угол пересечения пучков 280 мкрад

Длинна окружности кольца коллайдера R 26.659 км

Магнитное поле диполя Р 8.3 Т

Общее поперечное сечение неупругих взаимодействий Ginel ~55 мб

Количество взаимодействий за одно пересечение банчей n ~20

Частота событий f 109 Гц

Распределение вершин взаимодействия по пучку Gz 5.3 см

Распределение вершин взаимодействия поперек пучка Gx 15 мкм

На рисунке 1.5 показана конфигурация БАК, которая состоит из двух колец для ускорения встречных пучков с восьмью пунктами доступа, между которыми находятся участки ускорителя длинной 528 м. В четырех местах на кольце коллайдера (см. рисунок 1.2), где организовано пересечение пучков, расположены экспериментальные установки: CMS, ATLAS, ALICE и LHCB.

1.2 Компактный Мюонный Соленоид (CMS).

Компактный Мюонный Соленоид (CMS) [16] является одним из двух экспериментов общего назначения на БАК. Экспериментальная установка CMS находится на пересечении пучков БАК, которое соответствует октанту коллайдера №5 (рис. 1.5.).

Установка CMS спроектирована для выполнения обширной физической программы в сложных рабочих условиях при повышенной светимости БАК.

Рис.1.5. Схема расположения экспериментов на кольце коллайдера LHC.

Общий вид экспериментальной установки CMS представлен на рисунке 1.6. Основными частями установки являются: трекер на основе кремниевых детекторов (голубой цвет), электромагнитный калориметр (зелено-голубой), адронный калориметр (оранжевый), сверхпроводящий магнитный соленоид (фиолетовый), мюонные камеры (белый).

Рис. 1.6. Общий вид экспериментальной установки CMS.

Основными особенностями детекторов, необходимыми для работы в условиях БАК, являются: радиационная стойкость, хорошее пространственное и временное разрешение, а также возможность быстрого триггерирования. Эти требования определяются большим протон-протонным сечением, высокой интенсивностью пучка и высокой частотой столкновений. Также, для выполнения физических задач эксперимента, необходимо иметь высокую гранулярность детекторов, которая нужна как для эффективной реконструкции отдельных частиц, так и для того, чтобы иметь возможность работать с событиями с большим «пайлапом» (Pile-Up - множественность взаимодействий в одном пересечении пучков).

Название эксперимента Компактный Мюонный Соленоид происходит от его уникального цилиндрического сверхпроводящего соленоида с внутренним диаметром 6 м, который содержит в объеме поля следующие системы CMS: кремниевый трекер (пиксели + стрипы) (TK), электромагнитный калориметр, сделанный из кристаллов PbWO4 (ECAL), торцевой адронный калориметр (HCAL), состоящий из латунных дисков, прослоенных сцинтилляторами, и переднюю мюонную станцию, сделанную на основе камер с катодным считыванием информации (CSC). Мюонные дрейфовые камеры (DT), камеры с катодным считыванием (CSC) и резистивные пластинчатые камеры (RPC) встроены в стальное возвратное ярмо магнита. Длина соленоида составляет 12.5 м.

Максимальная величина магнитного поля в соленоиде достигает 4 Т. Номинальная рабочая величина поля составляет 3.8 Т. Схематический вид сверхпроводящего соленоида приведен на рисунке 1. 7.

Рис. 1.7 Схематический вид сверхпроводящего магнитного соленоида эксперимента СМS.

Катушка соленоида состоит из четырех слоев Nb Ti обмоток, охлаждаемых жидким гелием [27]. Общая сумма, запасенной в магнитном поле энергии, достигает 2.6 ГДж. Магнит окружен возвратным ярмом из железа весом 10 тысяч тонн. По соотношению размеров сверхпроводящей обмотки и мощности соленоида, он относится к магнитам среднего размера, однако, это крупнейший в мире сверхпроводящий магнитный соленоид.

Конструкция установки CMS обеспечивает надежную и эффективную идентификацию мюонов, фотонов и электронов при высоком энергетическом разрешении (около 1% в области больших импульсов).

1.3. Субсистемы экспериментальной установки CMS. 1.3.1. Внутренний трекер.

Задачами внутреннего трекера [28] являются восстановление изолированных треков заряженных частиц с большими значениями поперечного импульса pt с эффективностью не хуже 95%, а также восстановление треков с большими pt в струе с эффективностью 90%, в широком диапазоне псевдобыстрот | <2.6. Кремниевые детекторы обеспечивают требуемое пространственное разрешение и точность при самой высокой светимости LHC.

Рис. 1.8. Применение полупроводниковых детекторов разного типа во внутреннем трекере.

Полупроводниковый треккер, являющийся ближним детектором к точке взаимодействия пучков, состоит из двух различных типов полупроводниковых детекторов: пиксельных и стриповых. Эти детекторы имеют отличное пространственное разрешение (до 25 мкм),

которое дает возможность прекрасно реконструировать импульс (разрешение ~1% при малом поперечном импульсе).

Комбинация детекторов различных технологий представлена на рисунке 1.8. Полупроводниковые пиксельные детекторы представлены синем цветом, все остальные области (TIB, TID, TOB, и TEC) состоят из стриповых детекторов.

Полупроводниковые детекторы сделаны из двух пластин кремния, соединенных вместе, и образующих p-n переход. Одна пластина легирована отрицательно и содержит больше свободных электронов, а другая легирована положительно и содержит больше свободных дырок (отсутствие электронов).

На границе p-n перехода электроны и дырки диффундируют в противоположные области и рекомбинируют с частицами противоположного заряда, создавая дисбаланс заряда: область n и область p, вблизи перехода становятся, соответственно, положительно и отрицательно заряженными. Исходя из этого, образовавшееся электрическое поле замедляет диффузию до тех пор, пока система не достигнет равновесия. Заряженная частица, проходя через эту область, теряет энергию, при этом электроны переходят из непроводящей зоны в проводящую, создавая электронно-дырочные пары. Под действием электрического поля электронно-дырочные пары мигрируют по направлению к n или р области и формируют сигнал, регистрируемый электроникой считывания. К сожалению, уровень сигнала мал, так как количество свободных зарядов велико по сравнению с формирующими сигнал, а активная область мала. Для повышения эффективности детектора к полупроводнику прикладывается разность потенциалов, способствующая дополнительному распространению электронов и дырок через переход. Как правило, для размера активной области 300 мкм, величина напряжения составляет порядка 100 В.

1.3.2. Полупроводниковые пиксельные детекторы.

Полупроводниковые пиксельные детекторы, представленные на рисунке 1.9, состоят из мелких 100 мкм х 150 мкм прямоугольников (пэдов), предназначенных для считывания и помещенных поверх блока среды детектирования, образованной областью n-p перехода. Электроны, которые образуются в этой области, мигрируют в направлении кремниевых пикселей.

Проблема состоит в том, что для каждого пикселя нужна своя электроника считывания, которая занимает значительный объем и требует кабельных соединений, которые создают мертвые зоны для размещения детекторов. Задача разработчиков найти правильный баланс между количеством пикселей (гранулярность), размером электроники и разрешением

детектора. Тем не менее технология пиксельных детекторов является наиболее точной технологией трековых детекторов в CMS с пространственным разрешением от 15 до 20 мкм. Значение пространственного разрешения меньше, чем размер пикселя, благодаря перераспределению заряда.

Рис. 1.9. Полупроводниковый пиксельный детектор.

Все пиксели используют один и тот же блок детектирования и, соответственно, одну и туже энергию, выделенную частицей. Считывая общий заряд, выделенный на каждом пикселе, мы можем определить центр «тяжести» по амплитуде (COG). Способ COG основан на предположении, что существует линейная зависимость между амплитудой, индуцированного на пикселе сигнала, и расстоянием между его центром и попаданием частицы, так что каждый пиксель имеет вес, пропорциональный полученному заряду.

Реконструированная координата кластера может быть представлена как:

v _ xi9i (1 5)

acog - v. (15)

Li di

где qi - индивидуальный сигнал пикселя в кластере, и - позиция пикселя в определенной системе координат.

Такой же метод может быть применен и к другим детекторам до тех пор, пока заряд считывается аналоговым, а не цифровым способом.

1.3.3. Полупроводниковые стриповые детекторы.

Внешние слои трекера не могут иметь такую высокую гранулярность как пиксельные детекторы по техническим и финансовым причинам. Объем данных, который должен быть считан с детектора, очень значителен. На сегодняшний день технологии для выполнения этой задачи находятся в стадии развития. Для уменьшения гранулярности детекторов есть способ вместо пикселей измерять одну координату с помощью кремниевых стрипов. При шаге стрипов от 80 до 122 мкм, можно получить разрешение 23 - 53 мкм в направлении перпендикулярном стрипам, но при этом существует большая ошибка по координате вдоль стрипа, пропорциональная размеру детектирующего элемента. Для улучшения глобальной точности некоторые детектирующие элементы имеют два стрипа с небольшим стерео углом между ними, как правило величиной 100 мрад, что позволяет измерить обе координаты. Однако, такая конфигурация порождает ложные срабатывания из-за неоднозначности, которая возникает в случае, когда в детектор одновременно попадает больше, чем одна частица.

Список литературы диссертационного исследования доктор наук Каржавин Владимир Юрьевич, 2021 год

ЛИТЕРАТУРА

[1] F. Abe et al., CDF collaboration, Phys. Rev. D 50 (1994) 2966, L73 vol 2 (1994) 225.

[2] K. Kodama; et al. "Observation of tau neutrino interactions". Physics Letters B. 504 (3) (2001) 218-224; arXiv:hep-ex/0012035.)

[3] Review of Particle Physics, Phys. Rew. D 54 (1996) 19.

[4] G. Arnison et al., UA1 collaboration, Nuovo Cimento Lett. 44, 1 (1985)

[5] C. Albajar et al., UA1 collaboration, Europhys. Lett. 1, 327 (1986)

[6] Cern preprint CERN-EP/88-168

[7] P. Bagnaia et al., UA2 collaboration, Z. Phys. C24, 1 (1984)

[8] J. Appel et al., UA2 collaboration, Z. Phys. C30, 1 (1986)

[9] R. Ansari et al., UA2 collaboration, Phys. Lett, B186, 440 (1987)

[10] H G. Altarelli, B. Mele, and M. Ruiz-Altaba, Searching for New Heavy Vector Bosons in pp " Colliders, Z. Phys. C45 (1989) 109, [Erratum: Z. Phys. C47 (1990) 676].

[11] R. C. Myers, M.J. Perry, "Black Holes in Higher Dimensional Spase-Times", Ann. Phys. 172 (1986).

[12] H. P. Nilles, Phys. Reports 110, 1 (1984).

[13] Lyndon Evans and Philip Bryant (Editors), The LHC Machine, 2008 JINST 3 S080001.

[14] Georges Aad et al." Observation of a new particle in the search for the Standard Model Higgs boson with the ATLAS detector at the LHC". Phys.Lett., B716:1-29, 2012.

[15] S. Chatrchyan, V. Karjavin, et al." Observation of a new boson at a mass of 125 GeV with the CMS experiment at the LHC". Phys.Lett., B716:30- 61, 2012.

[16] S. Chatrchyan, V. Karjavin, et al. The CMS Collaboration, The CMS experiment at the CERN LHC, 2008 JINST 3 S08004

[17] The ATLAS Collaboration, The ATLAS experiment at the CERN LHC, 2008 JINST 3 S08003

[18] Third Workshop on Electronics for LHC Experiments. London 26 Sept. 1997. CERN/LHCC/97-60.

[19] Forth Workshop on Electronics for LHC Experiments. Rome 30 Oct. 1998. CERN/LHCC/98-36.

[20] M.Pimia et al., Compact Muon Solenoid, Proc. Large Hadron Collider Workshop, Aahen, 4-9 October 1990, eds. G. Jarlskog and D. Rein, CERN 90-10, vol. III (1990) 547.

[21] I. Golutvin, V. Karjavin, et al. Russia and Dubna Member States CMS Collaboration, Study of fundamental properties of the matter in super high energy. proton-proton and nucleus-nucleus interactions at CERN LHC. Participation in CMS Collaboration, RDMS CMS Project. 96-85 CMS Document, pp. 1-53, CERN 1995

[22] G.L.Bayatian,., V. Karjavin, et al. CMS Collaboration. CMS. The Compact Muon Solenoid. Muon Technical Proposal. CERN/LHCC 94-38 LHCC/P1, pp. 1-254, 15 Dec. 1994.

[23] R. Kvatadze, et al. Heavy ion physics at the LHC with CMS detector, LYCEN 9740 and CMS CR 1997-015.

[24] The Large Hadron Collider Conceptual Design, CERN/AC/95-05, 1995.

[25] Oliver Sim Bruning, Paul Collier, P Lebrun, Stephen Myers, Ranko Ostojic, John Poole, and Paul Proudlock." LHC Design Report". CERN, Geneva, 2004.

[26] Van der Meer S. CERN-ISR-PO-68-31. 1968.

[27] S. Chatrchyan, V. Karjavin, et al. The CMS Collaboration, The Magnet Technical Design Report, CERN/LHCC 97-10 1997

[28] CMS Collabor June 21-23, 1999.ation, G.L.Bayatian et al., CMS. The Tracker Project. Technical Design Report, CERN/LHCC 98-6, CMS TDR 5, 15 April 1998.

[29] G.L.Bayatian, V. Karjavin, et al. CMS Collaboration, CMS. The Electromagnetic Calorimeter Project Technical Design Report, CERN/LHCC 97-33 CMS TDR 4, pp. 1386, 15 December 1997.

[30] G.L.Bayatian, V. Karjavin, et al. CMS Collaboration, CMS. The Hadron Calorimeter Project Technical Design Report, CERN/LHCC 97-31 CMS TDR 2, pp. 1-507, 20 June 1997.

[31] G.L.Bayatian, V. Karjavin, et al. CMS Collaboration, CMS. The Muon Project Technical Design Report, CERN/LHCC 97-32 CMS TDR 3, pp. 1-441, 15 December 1997.

[32] G. Charpak et al., NIM, 62 (1968), 262

[33] F. Sauli, Principles of Operation of Multiwire Proportional and Drift Chambers, CERN 7709, 1977

[34] G. Charpak, F. Sauli, High Resolution Electronic Prticle Detectors. 1984, Annual Reviews Inc., Geneva, Switzerland, 1984, 285.

[35] J. Fisher, V. Radeka, G.C. Smith, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A252 (1986) 239-245.

[36] S. Chatrchyan, V. Karjavin, et al. GEM Technical Design Report. GEM-TN-93-262, SSCL-SR-1219,1993.

[37] M. Huhtinen, Optimization of the CMS forward shielding, CMS NOTE-2000/068.

[38] К.А. Зубов, В.Ю. Каржавин, С.А. Мовчан, П.В. Мойсенз Математическое обеспечение многопроволочной пропорциональной камеры с катодным считыванием информации, Сообщение ОИЯИ P10-99-118, Дубна 1998.

[39] Research Instrumentation Catalog, LeCroy Corporation Research Systems Division, 1992.

[40] IHEP Preprint 89-231, Protvino, 1989.

[41] I. Belotelov, A. Golunov, I. Golutvin, V. Karjavin et al., Electromagnetic Secondaries and Punch-Through Effects in the CMS ME1/1, Physics of Particles and Nuclei Letters, Vol. 4, No. 4, JINR, Dubna, Russia, 2007, pp.343-349.

[42] C. Albajar, V. Karjavin, et al. Electromagnetic secondaries in the detection of high energy muons, CERN-PPE 94-204, Geneva, pp. 1-20, 1994, Nucl.Inst. and Meth. A364, (1995) 473-487.

[43] J.C. Santiard et al., Gasplex a low-noise analog signal processor for readout gaseous detectors. ECP/94-17, Cern 1994.

[44] P. Jaron, M. Goyot A fast current sensitive preamplifier (MSD2) for the silicon microstrip detector, Nucl.Inst. and Meth. 226, (1984) 156-162.

[45] I. Golutvin, V. Karjavin, et al. ME1/1 prtotype in the integrated test, CERN CMS TN 97084, 1997.

[46] И.А. Голутвин, И.М. Граменицкий, А.В. Зарубин, В.Ю. Каржавин, и др., Временное разрешение камер с сегментированным катодом мюонной станции МЕ1/1 компактного мюонного соленоида и идентификация момента взаимодействия пучков коллайдера, Письма в ЭЧАЯ №4[107]-2001.

[47] V. Karjavin, Muon trigger based on MF1 test results, First RDMS CMS Collaboration Meeting 96-075 CMS, Document, pp.1-200, CERN, December 11-15 1995.

[48] A. Chvyrov,., et al. Bunch crossing identification study on MF1 prototype beam test data, CMS TN/95-161, pp.1-9, CERN 1995

[49] I.A. Golutvin, N.V. Gorbunov, V.Yu. Karjavin, et al., The rate Capability of the CSC Readout Electronics, Письма в ЭЧАЯ №4[107]-2001.

[50] M.Campbell, P. Jaron, et al., ICON, a current mode preamplifier in CMOS technology for use with high rate particle detectors. IEEE Nucl. Sci. Symposium proceedins 5/11 1991.

[51] G. Wrochna. Muon Trigger of the CMS detector for LHC. CMS Note 1997/096.

[52] V. Karjavin, V.Tchekhovski et al., ME1/1 readout electronics, status and plans, Second annual RDMS CMS Meeting 1996-213, pp. 433-448, CERN, December 16-17, 1996.

[53] V. Karjavin, V.Tchekhovski et al., ME1/1 front-end electronics, Third annual RDMS CMS Meeting 1997-168, pp. 343-354, CERN, December 16-17, 1997.

[54] И.А. Голутвин, Н.В. Горбунов, В.Ю. Каржавин, и др., Интегральная схема "КАТОД-1" для считывания информации со стрипов катодной стриповой камеры., Сообщение ОИЯИ, P13-2001-151.

[55] И.А. Голутвин, Н.В. Горбунов, А.В. Зарубин, В.Ю. Каржавин, и др., Исследование радиационной стойкости интегральной схемы "Анод"., Сообщение ОИЯИ, Р13-2001-152.

[56] Yu. Erchov, V. Karjavin et al., Fabrication and test of the full-scale P3 prototype of the ME1/1 CSC CMS IN 1997/003, pp. 1-4, CERN, 1997.

[57] Ю.В, Ершов, В.Ю. Каржавин, и др., РЗ-полномастабный прототип КСК МЕ1/1, Сообщение ОИЯИ Е13-99-296, Дубна 1999.

[58] S. Agosteo, et al., A facility of the test of large area muon chambers at high rates., CERN-EP-00-210, 2000.

[59] I. Golutvin, V. Karjavin et al., The study of CSC strip readout electronics operation at high background rates, CERN CMS TN 99-055, 1999.

[60] I. Golutvin, V. Karjavin, et al., Study of the Anode Self-trigger ability of the ME1/1 CMS Endcap Cathode Strip Chamber, Письма в ЭЧАЯ. 2 007. Т.4, No3(139) С.428-437.

[61] Ю. В Ершов, В.Ю. Каржавин, и др., Р4-предсерийный прототип КСК МЕ1/1., Сообщение ОИЯИ Е13-2000-26, Дубна 2000.

[62] Cathode strip chamber for CMS ME1/1 encap muon station. Yu.V. Ershov, A. O. Golunov, I.A. Golutvin, N.V. Gorbunov, A.Yu. Kamenev, V.Yu. Karjavin et al. (26). Письма в ЭЧАЯ. 2006 Т.З №3 (132) 8с.

[63] Y. Erchov, L. Glonti, I. Golutvin,.V. Karjavin, et al. Proceeding of ME1/1 Engineering Design Review. 1999-047, CMS Document, pp. 1-149, CERN, June 21-23, 1999.

[64] B. G. Bylsma, L S. Durkin, J. Gilmore, J. Gu, T.Y. Ling et al. (Apr 13, 2009) Nucl. Instrum. Meth.A 600 (2009) 661-672

[65] Ferguson T. et al. Anode Front-End Electronics for the Cathode Strip Chambers of the CMS Endcap Muon Detector // Nucl. Instr. Meth. A. 2005. V. 539. P. 386-406.

[66] S. Chatrchyan, V. Karjavin, et al. CMS Collaboration. The CMS experiment at the CERN LHC. JINST 3 (2008) S08004. 154-160.

[67] Yu. Erchov, V. Karjavin, et al.ME1/1 Cathode Strip Chamber for CMS Experiment, Письма в ЭЧАЯ. 2009. Т.6, No4, С.566-571.

[68] Y. Erchov, L. Glonti, I. Golutvin, V. Karjavin, et al. Proceeding of ME1/1 Engineering Design Review. 1999-047, CMS Document, pp. 1-149, CERN, June 21-23, 1999.

[69] S. Chatrchyan, V. Karjavin, et al. The CMS Collaboration. The CMS Magnet Test and Cosmic Challenge (MTCC Phase I and II), Operational Experience and Lessons Learnt. CMS Note 2007/005, 7 March 2007.

[70] V. Kajavin. CMS Magnet Test and Cosmic Challenge (MTCC). 11th Annual RDMS CMS Collaboration Conference Varna • Bulgaria • September 12 - 16, 2006.

[71] Tim Christiansen for CMS Collaboration. The CMS Magnet Test and Cosmic Challenge. 2006 IEEE Nuclear Science Symposium Conference Record. 2006 IEEE.

[72] Dragoslav Lazic et al. CMS Collaboration. for CMS Collaboration. The CMS Magnet Test and Cosmic Challenge (MTCC) Operational Experience and Lessons Learnt. Nuclear Physics B (Proc. Suppl.) 172 (2007) 3-7

[73] D. Acosta, et al., Efficiency of finding muon track trigger primitives in CMS cathode strip chambers. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A.Volume 592, Issues 1-2, 11 July 2008, Pages 26-37

[74] S. Chatrchyan, V. Karjavin, et al. CMS Collaboration. Performance of the CMS Cathode Strip Chambers with Cosmic Rays. JINST 5 (2010). pp.19-21.

[75] S. Chatrchyan, V. Karjavin, et al. CMS collaboration. Commissioning of the CMS experiment and the cosmic run at four Tesla. 2010 JINST 5 T03001

[76] I.A. Golutvin, A.Yu. Kamenev, V.Yu. Karjavin, P. V. Moissenz, V.V. Palichik, V.V. Perelygin, S.E. Vassiliev, A.V. Zarubin. The spatial resolution of the CMS ME1/1 Muon Station Cathode Strip Chambers with CRAFT08 data. Письма в ЭЧАЯ. 2010. T.7, No5(161), С.581-586.

[77] S. Chatrchyan, V. Karjavin, et al. CMS Collab. Performance of CMS Muon Reconstruction in pp Collision Events Vs = 7 TeV. CMS-MUO-10-004, CERN-PH-EP-2012-173; JINST. 2012. V.7.

[78] S. Chatrchyan, V. Karjavin, et al. CMS Collab. The Performance of the CMS Muon Detector in Proton-Proton Collisions at Vs = 7 TeV at the LHC. CMS-MUO-11-001, CERN-PH-EP-2013-072; JINST. 2013. V. 8. P.21-22.

[79] S. Chatrchyan, V. Karjavin, et al. CMS Collab. Technical Proposal for the Upgrade of the CMS Detector Through 2020. CERN/LHCC 2011-06 CMS UG-TP-1.

[80] S. Chatrchyan, V. Karjavin, et al. CMS Collab. The Phase-2 Upgrade of the CMS Muon Detectors. Technical Design Report. CERN/LHCC 2017-012 CMS-TDR-016 12 Sep. 2017.C 13-20.

[81] В.Ю. Каржавин. Модернизация торцевой мюонной системы CMS. Физика элементарных частиц и атомного ядра. 2018.Т. 49. ВЫП. 1. С. 91-100.

[82] Technical Information Manual MOD. A 1733 - A 1833 A 1733B - A 1833B 12/28 CHANNEL HV BOARDS MANUAL REV.10 3 September 2013 Revision n.10.

[83] WIENER Product Catalog. Electronics for Research and Industry. 2017.

[84] R. Breedon, P.T. Cox, M. Tripathi,.., V. Karjavin, Performance et al., Testing of the CMS Cathode Strip Chambers. CMS NOTE -2009/020. C10-21.

[85] CMS Collaboration. Measurement of Higgs boson production and properties in the WW decay channel with leptonic final states. JHEP01(2014)096.

[86] S. Chatrchyan, V. Karjavin, et al. CMS Collaboration, Search for new physics in events with same sign dileptons and jets in pp collisions at Vs = 8 TeV. JHEP01(2014)163.

[87] G.L.Bayatian V. Karjavin, et al. CMS Collaboration, MS. The The Level-1 Trigger Technical Design Report, CERN/LHCC 2000-038, CMS TDR 6.1, pp. 1-599, 15 December 2000.

[88] D. Acosta et al., "Efficiency of Finding Muon Track Trigger Primitives in CMS Cathode Strip Chambers," Nucl. Instrum. Meth. A592 (2008) 26.

[89] V. Barashko et al., "Fast Algorithm for Track Segment and Hit Reconstruction in the CMS Cathode Strip Chambers," Nucl. Instrum. Meth. A589/3 (2008) 26.

[90] CMS Collaboration, "The CMS Experiment at the CERN LHC," JINST 3 (2008) S08004.

[91] L. Evans and P. Bryant (eds.), "LHC Machine," JINST 3 (2008) S08001. doi:10.1088/1748-0221/3/08/S08001

[92] V. Karjavin, Cathode Strip Chambers for CMS Endcap Muon Stations, Proc. CMS Trigger Meeting, Bad-Ausse, Austria, 2-5 March 1994.

[93] П.В. Мойсенз, Е.М. Негодаева, Катодно-стриповые камеры ENDCAP CMS. Работа в магнитном поле. Препринт №47, ФИАН, Москва, 1998.

[94] I. Golutvin, V. Karjavin et al., CMS muon trigger preliminary specification of baseline trigger algorithms, CERN CMS TN 96-060.

[95] I. Golutvin, V. Karjavin et al., ME1/1 prtotype in the integrated test, CERN CMS TN 97084, 1997.

[96] A. Chvyrov et al., Bunch crossing identification study on MF1 prototype beam test data, CMS TN/95-161, pp.1-9, CERN 1995

[97] A. Chvyrov et al "Study of 'comparator' and 'digital' algorithms for muon trigger with MF1 prototype '95 test bean data", CMS TN/95-160

[98] V. Karjavin, Study of Minsk Front-end electronics, Proc. CMS Endcap Muon Meeting, 1998-121, CERN, June 14, 1998.

[99] V. Karjavin, Status of ME1/1 CSC FE Electronics, CMS Endcap Muon Meeting, 2000121, Gainesville, Florida, USA, February 18-19, 2000.

[100] M. Huhtinen, Recommendations for Irradiations of CMS Components in the IRRAD2 Facility at PS., CMS IN-2001/012.

[101] F. Facio, C. Detcheverry, M. Huhtinen, First evaluation of the Single Event Upset (SEU) risk for electroncs in CMS experiment., CMS NOTE-1998/054.

[102] A. Chvyrov,Yu. Erchov, I.A. Golutvin, A. Ivanov, V. Karjavin,et al., The Spatial

Resolution of 3x0.3 m2 Dubna CSC Prototype (preliminary results). GEM technical note, SSCL GEM-TN-93-466, 1993.

[103] J. Hauser, Momentum Resolution Required for Level 1 Muon Trigger, CMS TN/94-261.

[104] A. Korytov, Analysis of valid hit patterns in CSCs. CMS TN/94-212, 1994.

[105] J. Chiba et all. Nuclear Instruments and Methods. 1983. V. 206. P. 451