Поиски бозона Хиггса на коллайдере LEP: Детекторы для установки DELPHI Образцов, Владимир Федорович

Короткий опис

Образцов,ВладимирФедорович.ПоискибозонаХиггсанаколлайдереLEP:ДетекторыдляустановкиDELPHI: диссертация ... доктора физико-математических наук : 01.04.23. - Протвино, 1997. - 38 с. : ил.больше
Цитаты из текста:

стр. 1
и Ф ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ В Э ИНСТИТУТ ФИЗИКИ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ I Н Е Р 97-15 На правах рукописиОбразцовВладимирФёдоровичПОИСКИБОЗОНАХИГГСАНА К О Л Л А Й Д Е Р ЕLEP.ДЕТЕКТОРЫДЛЯУСТАНОВКИDELPHI01.04.23 - ф и з и к а высоких э н е р г и й ДИССЕРТАЦИЯ н а соискание

стр. 30
Acoplanarity (degrees) 200 - 50 - p (degrees) p (degrees) Рис. 20. Распределения по типичным переменным, используемьплдляподавления фона припоискахбозонаХиггсав нейтринном канале: НЕ* ии. На гистограммах левой колонки приведены реальные данные (точки) и фон от событий qq (сплош­ ная линия). Н а гистограммах

стр. 37
р и м е н т аDELPHIпроведёнпоискбозонаХ и г г с а в широкой о б л а с т и м а с с .Поискв к л ю ч а л в себя: •Поискд о л г о ж и в у щ е г о

Оглавление диссертациидоктор физико-математических наук Образцов, Владимир Федорович
Актуальность проблемы
Важным компонентом практически любого исследования на установке DELPHI — ;ной из четырёх установок, действующих на большом электрон-позитронном кол-ьйдере (LEP) Европейского центра ядерных исследований (CERN), является изме-:ние интегральной светимости. Для определения параметров Z-бозона необходимо мерять светимость с точностью ~ .1%. С этой целью в ИФВЭ был создан преци-онный детектор светимости — электромагнитный калориметр в области малых лов STIC.
Для успешного осуществления экспериментальной программы исследований :тановка должна иметь высокую эффективность регистрации различных частиц в частности мюонов. Для обеспечения высокой эффективности мюонного тригге-i и его надёжности в состав установки был включён передний мюонный годоскоп, зданный в ИФВЭ.
После обнаружения t-кварка в опытах на рр-коллайдере FNAL бозон Хиггса ляется последней, ещё не обнаруженной фундаментальной частицей в стандарт->й модели (СМ). Поиск этой частицы имеет принципиальное значение для пробки СМ и её обобщений, например для минимальной суперсимметричной стан-фтной модели (MCCM). LEP является идеальным прибором для поиска бозона иггса с точки зрения фоновой ситуации и ожидаемого числа событий.
Цель диссертационной работы
• Поиск бозона Хиггса в диапазоне масс 0-60 ГэВ/с2.
• Создание детектора светимости(электромагнитного калориметра в области малых углов) и мюонного годоскопа для установки DELPHI. „ , ториметра новой конструкции,
КНИГАИМЕЕТ r ^ „
2. Мюонный годоскоп установки DELPHI, его применение в триггере, методику измерения параметров годоскопа и их контроля в условиях реального эксперимента.
3. Результаты поиска бозона Хиггса в области масс 0-60 ГэВ/с2.
Научная новизна и практическая ценность. Создан электромагнитный калориметр нового типа, измерены его характеристики. Разработана методика его использования для прецизионного измерения интегральной светимости.
Создана система мюонного триггера на базе сцинтилляционного годоскопа большой площади. Разработана методика измерений параметров годоскопа в условиях реального эксперимента. Разработана методика использования мюонного годоскопа для калибровки детекторов DELPHI.
Впервые проведён поиск бозона Хиггса в широком диапазоне масс, как в контексте стандартной модели, так и в её минимальном суперсимметричном расширении.
Апробация работы и публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 13 научных работ. Основные результаты, использованные в диссертации, опубликованы в виде препринтов ИФВЭ и CERN, в журналах "Nuclear Physics", "Zeitschrift fur Physik", "Nuclear Instruments & Methods", "IEEE Transactions of Nuclear Science" [l-lj]. Они докладывались на международных конференциях, семинарах ИФВЭ, ИТЭФ.
Структура диссертации. Работа изложена на 38 страницах, состоит из введения, четырёх глав и заключения, содержит 23 рисунка, 2 таблицы и список цитируемой литературы, включающий 13 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В первой главе рассмотрена постановка эксперимента на встречных е+е~-пучках при энергии вц.м. ~ 90 ГэВ/с2 в области пика Z-бозона, описана установка DELPHI, на которой и для которой были выполнены работы, вошедшие в диссертацию.
Цикл работы Большого электрон-позитронного коллайдера (LEP) включает (см. рис.1):
• Ускорение первичных электронов, рождение и ускорение позитронов до энергии 300 МэВ в линейном инжекторе (LIL).
• Накопление электронов и позитронов при энергии 500 МэВ в кольце электрон-позитронного аккумулятора (ЕРА).
• Транспортировку пучков в кольцо протонного синхротрона (PS), ускорение до 3,5 ГэВ.
• Транспортировку пучков из PS в SPS с дальнейшим ускорением до 22 ГэВ.
• Инжекцию в кольцо LEP с последующим ускорением до энергии ~ 45 ГэВ.
1учки электронов и позитронов сгруппированы в 4 (8) банчей (ток ~ 1 мА/банч.) и [ересекаются в четырёх промежутках, где расположены экспериментальные уста-ювки. Типичное время жизни пучков ~ 8 часов. Светимость ~ 1031с lcm 2 с
CERN Accelerators
ALEPH
South Area
P Pb ions
LEP: Large Electron Positron collider SPS: Super Proton Synchrotron AAC: Antiproton Accumulator Complex ISOLDE: Isotope Separator OnLine DEvice PSB: Proton Synchrotron Booster PS: Proton Synchrotron
LPI: Lep Pre-Injector EPA: Electron Positron Accumulator LIL: Lep Injector Linac LINAC: LINear Accelerator LEAR: Low Energy Antiproton Ring
Rudolf LEY, PS Division, CERN, 02.09.
Рис. 1. Схема ускорительного комплекса LEP.
Forward Chamber A Barrel Muon Chambers
Рис. 2. Общий вид установки DELPHI,
Установка DELPHI (детектор с идентификацией лептонов, фотонов и адро-нов) — это один из четырёх детекторов, работающих на е+е~-коллайдере LEP. Детектор (см. рис.2) состоит из центральной цилиндрической секции, перекрывающей диапазон ~ 40° < в < 140°, и двух торцевых частей, перекрывающих "переднюю" (заднюю) области углов.
Сверхпроводящий соленоид, который имеет длину 7,4 м и внутренний диаметр 5,2 м, создает однородное поле, равное 1,23 Тл и направленное вдоль оси пучков (z). Внутри соленоида расположены трековые детекторы центральной части:
- Вершинный детектор, дающий точное измерение траектории частиц. Точность измерения промахов треков в вершине взаимодействия для энергичных треков (Р > 10 ГэВ/с) составляет около 20 микрон.
- Внутренний детектор (ID), перекрывающий область углов 15° < в < 165° и обеспечивающий точность измерения трека и(R(j>) = 40 мкм.
- Время-проекционная камера (ТРС) — основной трековый детектор, дающий до 16 пространственных точек трека в диапазоне 40 см < R < 110 см. Точность реконструкции одной точки 250 мкм (Яф) и 880 мкм (Rz). ТРС участвует в идентификации заряженных частиц путём измерения dE/d,X с точностью 7,4%.
- Внешний детектор (OD) состоит из 5 слоёв дрейфовых трубок, расположенных между радиусами 197 и 206 см. Он существенно используется для измерения импульса частиц и уточнения параметров их траектории.
- В трековую систему входят также дрейфовые камеры FCA и FCB, расположенные в торцевой части установки на расстоянии z = 160 см и z = 275 см от точки взаимодействия.
- Электромагнитные калориметры — проекционная камера высокой плотности (НРС), передний электромагнитный калориметр из свинцового стекла (FEMC) и электромагнитный калориметр в области малых углов (STIC) — обеспечивают регистрацию и идентификацию электронов и фотонов в области углов 2° < в < 178°.
- Более 19000 пластиковых стримерных детекторов, которые являются активными элементами адронного калориметра (HCAL), установлены в 18 мм щелях между 50-мм железными пластинами ярма магнита. Адронный калориметр регистрирует нейтральные частицы, а также является элементом системы мюонной идентификации.
- В идентификации мюонов наряду с адронным калориметром участвуют мю-онные дрейфовые камеры (MUB, MUF и SMC), расположенные за ярмом магнита. Идентификация осуществляется путём сравнения координаты экстраполированного трека и ближайшего реконструированного сигнала мюонной камеры.
- Детектор черенковских колец (RICH) обеспечивает идентификацию как в центральной части установки (BRICH), так и в торцевой (FRICH). Детектор имеет как жидкий, так и газовый радиаторы, что позволяет осуществлять идентификацию частиц в диапазоне импульсов 0, 7 < р < 25 ГэВ/с.
- Сцинтилляционные годоскопы — TOF в центральной части и передний мюон-ный годоскоп в торцевой части используются для выработки триггера и подавления фона от космических мюонов.
- Система триггера DELPHI состоит из четырёх уровней. Два первых уровня (Tl, Т2) синхронизированы по отношению к сигналу пересечения банчей (ВСО). Т1 является быстрым претриггером, в то время как Т2 запускает систему сбора данных. Интервал между пересечениями банчей равен 22 мкс для моды работы LEP с четырьмя банчами, и 11 мкс — для моды с восемью. Времена выработки решения для Т1 и Т2 фиксированы и равны 3,5 и 39 мкс после сигнала ВСО. Т1 вырабатывается на базе информации от индивидуальных детекторов (ID, OD, FCA и FCB — трековый триггер); (TOF, HOF, и система сцинтилляторов НРС — сцинтилляцион-ный триггер), а также EMF и MUB. На втором уровне эти триггеры дополняются сигналами от ТРС, НРС и MUF, а также комбинациями (на базе мажоритарной логики) сигналов от разных детекторов. ТЗ и Т4 являются по сути программными фильтрами и работают асинхронно с ВСО. ТЗ уменьшает уровень триггера примерно вдвое, используя ту же логику, что и Т2, но на основе цифровой информации; Т4 использует полную программу реконструкции, аналогичную основной " off-line" -программе реконструкции DELPHI. Существенной особенностью системы триггера является высокая переопределённость, что обеспечило надёжность, стабильность а также возможность независимого определения эффективности отдельных компонент триггера. Глобальная эффективность триггера к событиям с распадом Z в мюоны или электроны совместима с 1 на уровне Ю-4, однотрековая эффективность для Рт > 1 ГэВ/с больше 95%.
- Система сбора данных базируется на стандарте ФАСТБАС. Всего в DELPHI используется ~ 150 корзин ФАСТБАС и около 70 микропроцессоров (16 Мгц М68020 "FIP"), соединённых с центральным VAX- кластером по Ethernet.
Во второй главе дано подробное описание электромагнитного калориметра в области малых углов STIC [1,2,5].
В начале 1994 года в DELPHI был установлен новый электромагнитный калориметр малых углов (the Small angle Tile Calorimeter-STIC) с целью обеспечения измерения светимости с точностью 0,1% (важно для LEP100) и улучшения герметичности и энергетического разрешения DELPHI в области малых углов (особенно важно для LEP200). STIC состоит из трёх частей:
• калориметра;
• детектора максимума ливня;
• сцинтилляционного "вето" годоскопа.
В работах [1,2,5] описаны в основном конструкция и результаты работы калориметрической части детектора, так как именно эта часть была изготовлена в ИФВЭ и играла решающую роль в измерениях 1994-1995 гг.
Калориметр STIC
STIC (см. рис.3) состоит из двух независимых цилиндров (А и С), расположенных на расстоянии ± 2,2 м от точки взаимодействия.
DELPHI STIC