Экспериментальное изучение нового метода адронной калориметрии - метода потоков частиц, на данных высокогранулярного калориметра CALICE

• Автор: Маркин, Олег Юрьевич
• Шифр специальности: 01.04.23
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 96 с. : ил.

Оглавление
Введение
1. Физические задачи и требования к детектору линейного коллайдера б
1.1. Значимость разрешения детектора
1.2. Свойства хиггсова бозона
1.2.1. Рождение хиггсова бозона
1.2.2. Распад хиггсова бозона
1.3. Изучение хиггсова бозона на линейном коллайдере
1.3.1. Детектирование
1.3.2. Масса и квантовые числа
1.3.3. Относительные вероятности и полная ширина распада
1.3.4. Константы взаимодействия
2. Детектор для линейного коллайдера
2.1. Вершинный детектор
2.2. Трековая система
2.2.1. Кремниевый трекер
2.2.2. Время-проекционная камера
2.3. Калориметры
2.3.1. Электромагнитный калориметр
2.3.2. Адронный калориметр
2.3.3. Считывающая система калориметров
2.4. Передние детекторы
2.5. Обмотка и возвратное ярмо
2.6. Детектор мюонов
2.7. Юстировка детекторов
2.7.1. Юстировка трековой системы
2.7.2. Юстировка время-проекционной камеры
2.7.3. Юстировка калориметров
2.8. Интерфейс ускоритель-детектор
2.9. Сбор и обработка данных
3. Устройство прототипа калориметра
3.1. Конструкция прототипа калориметра
3.2. Кремниевый фотоумножитель
3.3. Итоги

4. Испытания прототипа калориметра
4.1. Тестирование на пучке и обработка данных
4.2. Компьютерное моделирование событий
4.3. Калибровка прототипа калориметра
4.4. Итоги
5. Долговременная стабильность фотодетекторов
5.1. Эволюция работоспособности кремниевых фотоумножителей
5.1.1. Ячейки с нарушением контакта
5.1.2. Аномально шумящие фотодетекторы
5.2. Радиационная стойкость кремниевых фотоумножителей
5.3. Выводы
6. Влияние структуры адронного ливня на разрешение калориметра
6.1. Развитие адронного ливня
6.1.1. Сектор частиц
6.1.2. Ядерный сектор
6.1.3. Профили ливня
6.2. Энергетическое разрешение калориметра
6.2.1. Отклик калориметра
6.2.2. Флуктуации отклика
6.3. Выводы
7. Использование алгоритма потока частиц
7.1. Реализация алгоритма потока частиц для линейного коллайдера
7.1.1. Алгоритм программы Рапс1огаРЕА
7.1.2. Результаты использования алгоритма потока частиц для моделированных адронных струй
7.2. Тестирование алгоритма потока частиц с использованием данных, полученных на прототипе калориметра
7.2.1. Подготовка событий для тестирования
7.2.2. Методика тестирования
7.2.3. Результаты тестирования
7.2.4. Экстраполяция результатов на разрешение для адронных струй
7.3. Выводы
Заключение
Благодарности

Введение
Международный линейный коллайдер (англоязычная аббревиатура ILC) разрабатывается для продолжения программы исследований, начатых на Большом Адронном Коллайдере, а также для изучения круга вопросов, недоступных для адронного коллайдера. Предполагаемая максимальная энергия ускорителя составит 500 ГэВ с последующим увеличением до 1000 ГэВ. В пределах этих величин, энергия ускорителя может быть выбрана любой начиная с 200 ГэВ. Кроме того, предполагается набор данных на пике Z-бозона, предназначенных для калибровки детектора. Если потребуется, может быть проведена модификация ускорителя для долговременной работы на Z-пике (вариант GigaZ), или для конвертации одного или обоих пучков в пучок у-квантов (вариант 77-коллайдера).
Основной целью экспериментов на ILC является детальное изучение новой физики, которое оказывается возможным благодаря сравнительно высокой чистоте начальных и конечных состояний на лептонных ускорителях. Физические задачи для ILC требуют создания детектора нового поколения с беспрецедентно высоким энергетическим разрешением. Наиболее развитым и многообещающим способом добиться высокого разрешения является использование для реконструкции энергии так называемого алгоритма потока частиц (англоязычная аббревиатура PFA), ранее (в зачаточной форме) успешно использованного на LEP. Алгоритм базируется на высокой гранулярности калориметров детектора.
Разработкой и созданием высокогранулярных калориметров около десяти лет занимается международная коллаборация CALICE, в состав которой входят группы ИТЭФ, МИФИ и другие российские научные организации. Коллаборацией спроектированы, построены и испытаны несколько прототипов калориметра. Экспериментальные данные, полученные с помощью прототипов, были использованы для изучения работы алгоритма потока частиц в условиях ILC. Диссертация посвящена сравнению результатов работы PFA с реальными событиями и с событиями, смоделированными по методу Монте-Карло. Сравнение продемонстрировало как хорошую работу прототипа калориметра, так и достаточно высокую предсказательную силу компьютерного моделирования эффективности PFA.
Диссертация состоит из семи глав. В первых двух главах коротко рассмотрены задачи экспериментов на ILC, требования к энергетическому разрешению и устройство детектора, проектируемого для ILC. В главах с третьей по пятую описаны конструкция и испытания прототипа адронного калориметра CALICE и его принципиально новой системы считывания сигнала. В последних двух главах рассмотрено улучшение энергетического разрешения детектора с помощью PFA,

Рис. 3.5. Слева: темновой сигнал кремниевого фотоумножителя в отсчётах АЦП, пунктирная линия показывает результат фитирования распределением Гаусса. Справа: пример зависимости числа сработавших пикселей кремниевого фотоумножителя от количества образованных фотоэлектронов, сплошная линия продолжает линейную зависимость при малом количестве фотоэлектронов.
жителя на свет; проведённые измерения дают:
.-1.7%/К; -3.8 %/К.
3.3. Итоги
Международной коллаборацией CALICE при активнейшем участии ИТЭФ был построен прототип высокогранулированного адронного калориметра. Была также разработаны и изготовлены электронные схемы, обеспечивающие сбор данных, получаемых с прототипа, а также мониторинг работы считывающей системы. В прототипе калориметра использована кардинально новая система считывания сигнала, основанная на использовании кремниевых фотоумножителей (SiPM), разработанных и производимых в России.
Эти фотодетекторы обеспечивают высокое усиление входного сигнала в широком динамическом диапазоне. Крохотный размер SiPM позволяет закрепить его непосредственно на пластинке сцинтиллятора, находящейся в магнитном поле, что является одним из немногих способов достижения высокой гранулярности с малым количеством нерабочих зон. Размер прототипа достаточен для того, чтобы регистрировать большинство адронных ливней, что, в совокупности с высокой гранулярностью, делает возможным беспрецедентно детальное изучение их структуры.