CC BY
46
УДК 539.12, 539.1.074
НОВЫЕ МЕТОДЫ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ ЧАСТИЦ НА БОЛЬШОМ АДРОННОМ КОЛЛАЙДЕРЕ LHC
JI.H. Смирнова
Дан краткий обзор методов детектирования, используемых на Большом адронном коллайдере LHC в установках ATLAS, CMS, ALICE, LHCb.
Ключевые слова: Большой адронный коллайдер, ЦЕРН (CERX). ATLAS, CMS, ALICE, LHCb. сэмплинговьте калориметры, мюонньтй спектрометр, микростриповьте кремниевые детекторы, времяпроекционная камера, черенковский детектор, идентификация частиц.
Проект LHC предназначен для поиска новых частиц в соударениях протонов при энергии 10 14 ТэВ. В сентябре 2008 г. при запуске Большого адронного коллайдера LHC все его детекторы продемонстрировали готовность к работе. Это означает, что детекторы LHC построены, и можно оценить достижения в методах детектирования частиц, реализованные при их создании. На кольце LHC расположены четыре основных экспериментальных установки: ATLAS, CMS, ALICE и LHCb. Две из них, ATLAS [1] и CMS [2], служат установками общего назначения и предназначены для поиска бозона Хиггса и суперсимметричных частиц. Эксперимент ALICE [3] ставит целью изучение соударений ускоренных ионов, a LHCb [4] выполнит прецизионное исследование распадов 5-адронов.
Задачи ATLAS и CMS определили требования, которым должны удовлетворять эти детекторы: точность измерений при высоком быстродействии, эффективный отбор событий при значительном подавлении фоновых процессов, долговременную стабильность работы в условиях высоких радиационных нагрузок и идентификацию частиц. Основными объектами измерения служат лептоньт (мюоньт, электроны, т-лептоны ), фотоны и струи с энергиями до 1 ТэВ. В установках ATLAS и CMS достигнуты максимальные для физики коллайдеров размеры. Детектор ATLAS имеет диаметр 25 м и длину 46 м, а вес установки CMS составляет 12500 т. Особенности конструкции этих установок обусловлены в первую очередь выбором магнитных систем.
Научно-исследовательский институт ядерной физики, МГУ, Москва.
Магнитные системы установок ATLAS и CMS. Магнитная система установки ATLAS содержит две компоненты: сверхпроводящий тороид и соленоид. Сверхпроводящий тороид из восьми секций в центральной части и с двумя торцевыми частями создает поле с индукцией порядка 1 Т. Внутренний и внешний радиусы центрального тороида составляют 4.7 и 9.75 м. длина 26 м.
Радиус соленоида ATLAS составляет 1.25 м. длина 5.3 м. магнитное поле 2 Т. Количество веществах в стенк&х соленоида ATLAS , выраженное в относительных радиационных длинах X/Xq, составляет 0.66, минимальное среди существующих установок [5], что существенно для эффективности регистрации фотонов и разрешения при измерении их энергии. Соленоид ATLAS содержит Внутренний детектор установки.
Компактный соленоид CMS создает поле с индукцией 4 Т. Радиус соленоида 6 м и длина 12.5 м. Уникальность соленоида определяется величиной поля и его размерами. Внутри соленоида помещены как трековые детекторы, так и калориметры. По этой причине для него не критичны ограничения на толщину стенок. Во внешнем поле обратного магнитного потока помещены камеры мюонного спектрометра.
Магнитная система ATLAS позволяет измерять импульсы мюонов в широком диапазоне углов даже без использования Внутреннего детектора. (Обычно трек мюона измеряется и в мюонном спектрометре, и во Внутреннем детекторе, и эти данные сшиваются в один трек. Но даже если Внутренний детектор, например, вытттел из строя, то измерений в мюонном спектрометре достаточно для определения параметров трека.) Соленоид CMS обеспечивает высокое импульсное разрешение при совместном использовании с Внутренней трековой системой.
Калориметрия ATLAS и CMS. Для электромагнитного калориметра CMS условия регистрации фотонов представляются наиболее благоприятными. Б олее десяти лет ве~ лась разработка материала для этого калориметра. В результате удалось создать кристаллы PbW04 с уникальными свойствами: плотность вещества максимальна среди имеющихся кристаллов и составляет 8.3 г/см3, а радиационная длина минимальна, Xq = 0.89 см. Кристаллы калориметра имеют размеры 22 х 22 мм2 в основании и 230 мм в длину обладают высокой радиационной стойкостью. Основной с в ет о в ыход ~80% осуществляется за 25 не, что соответствует интервалу между столкновениями протонных сгустков коллайдера, по величине составляет 30 фотонов/МэВ и имеет высокую температурную стабильность. Необходимое разрешение калориметра обеспечено при минимально возможной толщине, что важно из-за ограниченного внутреннего объема внутри соленоида CMS. Все разработки и производство 80 тысяч кристаллов для
калориметра выполнены в России. Очень небольшая доля произведена в г. Шанхай. КНР.
Необходимое разрешение электромагнитного калориметра ATLAS достигается за счет его структурированности и высокой гранулярности. Слои поглотителя и электроды выполнены в форме аккордеона и находятся в среде жидкого аргона, что обеспечивает необходимое быстродействие и радиационную стойкость. Этот калориметр уникален среди подобных по количеству каналов считывания электроники, составляющему 175 тысяч.
Адронные калориметры в торцевых частях и передние калориметры ATLAS также жидкоаргонньте. Составной адронньтй калориметр центральной части ATLAS и Адронньтй калориметр CMS используют сцинтилляторьт. Достижения составной калориметрии на LHC обусловлены технологическим прорывом в производстве сцинтилляторов (метод литья под давлением в пресс-формы), штамповки стальных листов радиатора для ATLAS, LHCb [6]. В ATLAS пластины сцинтиллятора расположены продольно (поперек направления пучка). При таком положении достигается однородность и механическая прочность конструкции, уменьшается толщина радиатора в поперечном направлении до величин ~Xq, упрощается внедрение средств калибровки: стальных трубок, по которым перемещается радиоактивный источник вдоль всего калориметра без создания нечувствительных зон. Для сбора и передачи света используются оптические волокна.
Трековые системы, ATLAS и CMS. Трековые системы ATLAS и CMS обеспечивают измерение импульсов заряженных частиц и координат первичных и вторичных вершин. Они используют пиксельные и микростриповьте кремниевые детекторы, индустрия создания которых быстро развивалась в последние десятилетия.
Центральная часть трекера CMS содержит 14 цилиндров с детекторами. На торцах трекера расположены 13 дисков, поперечных пучку. На трех ближайших к области пересечения пучков дисках и цилиндрах расположены пиксельные детекторы, имеющие чувствительную область размером 100 х 150 жм2. На больших радиусах расположены кремниевые микростриповьте детекторы как двусторонние, так и односторонние.
В структуре Внутреннего детектора ATLAS присутствуют три слоя пикселей, четыре слоя кремниевых микростриповьтх детекторов и Детектор переходного излучения, состоящий из тонких дрейфовых трубок.
Для измерения пробегов короткоживутцих частиц со временем жизни порядка 10"12 с количества каналов электроники пиксельных детекторов достигли рекордных
величин 80 МЛН В ATLAS и 66 МЛН в CMS. Площадь кремниевых детекторов в CMS составляет 205 м2 при 76 млн каналах электроники - это самый большой кремниевый детектор в мире.
Величины пространственного разрешения этих детекторов составляют 10 16 мкм. Важной характеристикой детекторов служит их радиационная стойкость. Детекторы вынуждены работать при потоках радиации до 1013 нейтронов на см2 в год.
Необходимо отметить вершинныи детектор VELO в эксперименте LHCb. обеспечивающий определение вершин распадов 5-мезонов в особых условиях. Он состоит из 25 дисков с кремниевыми детекторами и должен обеспечить разрешение в определении первичной вершины 10 мкм в поперечной пучку плоскости и 42 мкм в продольном направлении.
Мюонные спектрометры. Мюонные спектрометры ATLAS и CMS состоят из дрейфовых камер. Точное определение импульсов мюонов осуществляется в основном с помощью газовых дрейфовых трубок в MDT камерах в ATLAS и в DT камерах в CMS. Под малыми углами к пучку используются радиационно стойкие CSC камеры, рассчитанные на большие загрузки. Количество MDT камер в ATLAS составляет 1150 ттттук. a CSC камер всего 32. Площадь? перекрываемая MDT камерами в ATLAS, составля-2 условиях больших размеров ATLAS для обеспечения пространственного разрешения в 30 40 мкм создана уникальная система оптического контроля RASXIK. Она контролирует как сами камеры, так и их относительное положение.
Помимо прецизионных камер в спектрометры входят быстродействующие камеры, обеспечивающие запуск установок. В ATLAS эту функцию выполняют камеры с тонким зазором TGC и плоскостные камеры RPC. В CMS используются камеры RPC.
Разнообразие конструкций дрейфовых камер демонстрирует прогресс в развитии газовых детекторов. Они применяются для координатных измерений, идентификации частиц, в системах быстрого запуска в различных подсистемах детекторов LHC. Камеры RPC планируется использовать на будущих коллайдерах. Тонкие дрейфовые трубки детектора переходного излучения установки ATLAS обеспечивают идентификацию электронов. Наиболее значительными газовыми детекторами LHC служат время-проекционная камера в эксперименте ALICE и детекторы черенковского излучения в эксперименте LHCb.
TP С ALICE. Особенности эксперимента ALICE обусловлены предельно большой множественностью частиц, образующихся в соударениях релятивистских ядер с максимальной энергией 2.5 ТэВ/нуклон. Измерение множественности осуществляется с по-
мощью уникального по размерам детектора ТРС. Он расположен после кремниевого вершинного детектора и состоит из двух цилиндров с радиусами 85 и 250 см длиной 5 м, пространство между которыми заполнено газом; электроды расположены во внутреннем пространстве между цилиндрами. Задача ТРС состоит в измерении множественности заряженных частиц до 8000 на единицу быстроты, что соответствует их полному количеству около 20000 частиц. Объем детектора 88 м3. Разрешение детектора составляет от 800 до 1100 мкм по азимутальному углу и от 1250 до 1100 мкм по направлению пучка. Эффективность восстановления треков должна составить 97%. При ПЛОТНОСТИ частиц 6000 на единицу быстроты в магнитном поле 0.5 Т разрешение по импульсу при 100 ГэВ/с ожидается ~4%.
RICH LHCb. В эксперименте LHCb при регистрации распадов B -мезонов и подобных частиц необходимо идентифицировать не только лептоны, но и адроны. Для этого в установке LHCb используются газовые черенковские детекторы RICH. В установке их два. Природа адрона будет определяться для диапазона импульсов от нескольких ГэВ/с до 150 ГэВ/с. Детекторы имеют специально разработанные системы регистрации колец
B
составляет лишь несколько ГэВ/с.
Детекторы LHC воплотили самые передовые технологии, развитые в мире в последние 10 15 лет. Российский вклад в создание детекторов значителен. Россия располагает многими технологиями, используемыми при создании детекторов частиц.
ЛИТЕРАТУРА
[1] ATLAS Collaboration (С. Aad et al.), JIXST 3, S08003 (2008).
[2] CMS Physics TDK, 8.1, Preprint CERX/LHCC 2006-001, 2006-021 (IOP Publishing Ltd and SISSA, CER.X, 2006).
[3] ALICE Collaboration, J. Phys. G (Xucl. Part. Phys.) 32, 1295 (2006).
[4] LHCb Collaboration, LHCb TDR, Preprint CERX/LHCC/98-4 (IOP Publishing Ltd SISSA, CER.X, 1998).
[5] C. Amsler et al., Phys. Lett. В 667, 1 (2008).
[6] P. Джелядин, Новости и проблемы фундаментальной физики, X 3, 12 (2008).
По материалам "II Черенковсковских чтений: Новые методы в экспериментальной ядерной физике и физике элементарных частиц" (Москва, ФИАН, Ц апреля 2009 г.).
Поступила в редакцию 4 ноября 2009 г.
УДК 621.384
ИЗЛУЧЕНИЕ РЕЛЯТИВИСТСКИХ СГУСТКОВ ЭЛЕКТРОНОВ В КРУГЛОМ ДИАФРАГМИРОВАННОМ
ВОЛНОВОДЕ
А. П. Кулаго, И. С. Щедрин
Рассмотрен круглый диафрагмированный волновод (КДВ), однородный по длине. Получены выражения, для, определения, нагруженной добротности ячейки с потерями ^т), без потерь 1) и нагруженной добротности Qн секции дли ной I. Получено выражение для определения, электрической амплитуды, поля, излучения, создаваемое релятивистским сгустком с зарядом д, движущимся по оси КДВ с последовательным, сопротивлением Яп. Проведен расчет энергии, мощности излучения пучка электронов и электронного КПД.
Ключевые слова: круглый диафрагмированный волновод, последовательное сопротивление КДВ. ускорение (ГЭС) сгустков релятивистских электронов, электронный
кпд.
1. Традиционно расчет линейных ускорителей электронов (ЛУЭ) основан на уравнении распространения мощности в круглом диафрагмированном волноводе (КДВ). В предлагаемой работе расчет ЛУЭ впервые выполнен, исходя из уравнения суммы полей: ускоряющего поля СВЧ-генератора и суммарного поля излучения всех сгустков пучка.
Несколько слов о черенковском излучении в круглом диафрагмированном волноводе. В гладком круглом волноводе фазовая скорость электромагнитной волны всегда больше скорости света, ^ > с. В КДВ фазовая скорость равна скорости ускоряемого электрона, и в релятивистском случае ^ = с. Однако сдвиг фазы поля по длине КДВ
Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ".
