Отчет о ходе выполнения научно-исследовательской работы «Исследования по релятивистской ядерной физике»
Скачать 0.68 Mb.
|
Анализ возможностей детектора Т0 для регистрации фоновых событий. Благодаря высокому временному разрешению детектора Т0 удается различать временную структуру пучка и определять произошло ли событие от основного сгустка пучка или от «сателлита» при характерных временных сдвигах 1,25 нс. На рис. 19 представлен двумерный график, соответствующий вершине (Т0С-Т0А) и времени (Т0А+Т0С) событий. В центре «правильные события», остальные – взаимодействие с сателлитами и остаточным газом. Видно, что события хорошо разделяются и о времени и по вершине взаимодействия.
Возможность идентификации частиц в эксперименте ALICE осуществляется комбинированным способом с помощью группы детекторов, которая включает в себя: систему внутреннего трекинга ITS, время-проекционную камеру TPC, детектор переходного излучения TRD, времяпролетный детектор TOF. Т0 детектор является частью время-пролетной системы. Разрешение TOF в настоящее время лучше, чем 100 пс. Время начала столкновения (нулевой момент времени) измеряется с помощью детектора Т0 или, для события, в которых сигнал Т0 отсутствует, измеряется самим детектором TOF. Разрешение Т0 детектора составляет ~40 пс для протон-протонных столкновений и ~30 пс для столкновений ионов свинца после модернизации электроники. Идентификация заряженных частиц базируется на измерении разности между измеренным временем пролета и ее ожидаемым значением, вычисленным для каждой массы в зависимости от импульса и длины трека. Общее разрешение на это различие составляет около 160 пс. В этом анализе, время-пролетная система измерения обеспечивает разделение каонов / пион до импульса 1,5 ГэВ / с. Использование время-пролетной системы позволяет идентифицировать пионы, каоны, протоны при значениях поперечного импульса от 0.5 до 2,5 GeV/c.  Рисунок 9. Идентификация пионов , каонов и протонов по времени пролета в зависимости от их поперечного импульса при столкновении протонов при энергии  900 GeV. Первоначально данные с Т0 детектора использовались для времяпролетной системы только для событий в которых одновременно срабатывали Т0-С и Т0-А. Разработка нового алгоритма позволяет использовать для анализа все данные и повысить эффективность использования данных для идентификации частиц до ~92 %. Для изучения центральных столкновений требуется формирование триггеров в зависимости от центральности столкновений. Измерение множественности заряженных частиц в режиме реального времени (MPD-A) используется для формирования триггеров и должно соответствовать множественности (Sum QTC A), восстановленной при обработке экспериментальных данных. Экспериментальные данные хорошо согласуются между собой и систематически выше теоретических расчетов. Для определения светимости и мониторирования пучка предполагается использовать один из триггерных сигналов по множественности. Детектор Т0 формирует 5 триггерных сигналов, но сезонное изменение фазы сигнала ВС влияет на формирование триггерных сигналов Т0-А, Т0-С и определения точки взаимодействия. В сеансах измерений 2011 г. с участием триггерного детектора Т0 получены новые физические результаты при столкновении протонных пучков при энергии в системе центра масс 7 ТэВ. Получены также новые данные при столкновении ядер свинца при энергии в системе центра масс нуклонов 2.76 ТэВ. 2. Развитие теоретических моделей для описания ультрапериферических взаимодействий ядер на LHC. 1. Электромагнитные взаимодействия ядер высоких энергий в ультрапериферических столкновениях происходят без перекрытия плотностей ядер-партнеров по столкновению. Теорией такие столкновения интерпретируются как облучение ядер интенсивными потоками гамма-квантов с широким энергетическим спектром. Несмотря на то, что в спектре таких эквивалентных фотонов доминируют мягкие фотоны, приводящие, в частности, к возбуждению гигантских резонансов в сталкивающихся ядрах, на LHC верхняя граница спектра фотонов составляет 200 ГэВ, что выше энергии всех существующих электронных и фотонных пучков. Результаты разработанной предыдущие годы в ИЯИ РАН и в Институте Курчатова модели RELDIS сопоставлены с результатами модели STARLIGHT (J.Nystrand, S.Klein et al.,) для распределения выходов различных частиц по быстроте в ультрапериферических (электромагнитных) взаимодействиях встречных пучков ядер свинца с энергиями 1.38 А ТэВ. Показано, что поскольку в модели STARLIGHT, в отличие от RELDIS, не учитываются эквивалентные фотоны с энергиями ниже 6 ГэВ, а девозбуждения ядер моделируются приближённо, то STARLIGHT заметно занижает выходы нейтронов, которые испускаются вперёд. С другой стороны, намечены пути усовершенствования модели RELDIS в плане описания процессов рождения частиц в области центральных быстрот. Эти процессы происходят под действием фотонов высоких энергий, и модель STARLIGHT представляется более точной для их описания.
Результаты модели RELDIS сопоставлены с результатами измерений сечений одиночной и взаимной электромагнитной диссоциации ядер свинца на LHC. Одиночная диссоциация определялась как процесс, в котором регистрируется эмиссия нейтронов только из одного из сталкивающихся ядер, а взаимная — из обоих. Отмечается хорошее согласие между результатами измерений и теорией. 2. На основе разработанной в ИЯИ РАН в предыдушие годы модели RELDIS, описывающей фрагментацию ядер в ультрапериферических взаимодействиях, даны предсказания полных сечений одиночной и взаимной электромагнитной фрагментации ядер свинца на БАК. Для регистрации событий электромагнитной фрагментации ядер в ходе сеансов ядро-ядро на БАК в 2010 и 2011 в эксперименте ALICE использовались детекторы Zero Degree Calorimeters (ZDCs), настроенные на регистрацию нейтронов от адронной и электромагнитной фрагментации ядер. Теоретические результаты были сопоставлены с экспериментальными данными, см. Рис.4 и Таблицу 1. Было отмечено хорошее согласие результатов модели и результатов измерений как для отклика ZDCs при попадании в них нейтронов от электромагнитной диссоциации, так и для абсолютных значений сечений одиночной и взаимной электромагнитной диссоциации ядер. Способ моделирования электромагнитной фрагментации ядер с использованием RELDIS нашел свое применение и в эксперименте ATLAS.
3. Разработка и создание FARICH-детектора для идентификации частиц с импульсом до 15 ГэВ/с на установке ALICE, CERN В настоящее время система HMPID-модулей на установке ALICE (LHC, CERN) обладает угловым разрешением по углу черенковского конуса 3 мрад в треке регистрируемой частицы и т.о. позволяет разделять пионы/каоны в области импульсов 1 - 3 ГэВ/с и каоны/протоны – в области 1,5 – 5 ГэВ/с с эффективностью разделения 3σ . Применение разработанного в 2007 - 2009 гг. в Институте ядерных исследований РАН, г. Москва FARICH-детектора с угловым разрешением 0,6 мрад. расширит на установке ALICE диапазон идентификации заряженных частиц до 10 ГэВ/с для разделения пионов и каонов и до 15 ГэВ/с для разделения каонов и протонов. Это позволит развить одно из важных направлений исследований в релятивистской физике столкновений тяжёлых ионов - измерение выхода частиц с высоким поперечным импульсом. Предложенная конструкция аэрогельного RICH-детектора использует концепцию фокусировки, основанную на применении радиатора, состоящего из нескольких последовательно расположенных слоев аэрогеля с возрастающими значениями показателя преломления по направлению движения регистрируемой частицы. Прототип FARICH-детектора состоит из следующих основных частей: - механического корпуса со световой изоляцией; тонкого входного окна из углепластика для частиц пучка; - радиатора фотонов излучения Черенкова на основе 2-, 3- или 4-слойного кремниевого (SiO2)-аэрогеля; - плоскости с матрицей отверстий с параболической внутренней поверхностью - Winston-концентраторов света; - фоточувствительной координатной матрицы с MRS APD-лавинными фотодиодами (750 шт., ЦПТА, Москва) для регистрации кольцевых изображений; - системы охлаждения лавинных диодов; - системы front-end и цифровой электроники (TRB + TOT время-цифровой преобразователя на основе NINO-chip процессора) для регистрации, накопления и обработки данных. В 2011 г. прототип FARICH-детектора проходил стадию испытаний на пучке PS, CERN (14 – 29 июня, 2011 г.). В период подготовки к испытаниям была проведена следующая работа: - на испытательном стенде с применением тонкого пластмассового сцинтиллятора и β+-радиоактивного источника Sr90 отобраны и откалиброваны 110 лавинных фотодиодов (MRS APD). Критериями отбора являлись максимальная фото-чувствительность (PDE) и минимальный темновой ток (частота одноэлектронного шума) MRS APD; - фокальная плоскость с матрицей отверстий для крепления фоточувствительных датчиков укомплектована 110 шт. MRS APD, расположенных в 5 секторах: 1 «центральном» и 4 периферийных «кольцевых» секторах; - изготовлен новый радиатор черенковского излучения на основе 2-слойного аэрогеля с фокусировкой (с коэффициентами преломления n1 = 1,047 и n2 = 1,053). - отлажена система front-end и цифровой электроники (TRB + TOT время-цифровой преобразователь) для регистрации, накопления и обработки данных. Измерены рабочие характеристики прототипа FARICH-детектора на тестовом канале T10 в CERN (14 – 29 июня, 2011 г.). В качестве релятивистских частиц, образующих световой конус черенковского излучения, использовались отрицательные пионы пучка с импульсом 6 ГэВ/с и интенсивностью 104 пионов/сброс. Триггер пучка формировался методом совпадений трёх сигналов от сцинтилляционных счётчиков: двух детекторов, расположенных на оси пучка, и 1 сцинтилляционной пластины, оптически связанной с центральным сектором MRS APD фоточувствительной плоскости (Рис.22)  Рис.12. FARICH-прототип, установленный для испытаний на канале PS T10, CERN (14 -29 июня, 2011 г.) Из off-line анализа экспериментальных данных получено значение черенковского угла ТЕТА/2 = 300,40 мрад с угловым разрешением sigma = 0,96 мрад. Принимая во внимание геометрическую эффективность прототипа FARICH-детектора, угловое разрешение менее 0,6 мрад (в согласии с данными моделирования) может быть получено в полномасштабном FARICH-детекторе на установке ALICE (Рис.23,24). На Рис.23 показаны типичные MRS APD временные спектры для фоточувствительного «центрального» сектора (сцинтилляционные фотоны) – (а) и периферийного «кольцевого» сектора (черенковские фотоны от двухслойного аэрогеля) – (б). На Рис.24. показаны распределения по радиусу колец и углу TETA/2 черенковского излучения для треков с 5 MRS APD на кольцо.   (а) (б) Рис.13. Типичные MRS APD временные спектры для фоточувствительного «центрального» сектора (сцинтилляционные фотоны) – (а) и периферийного «кольцевого» сектора (черенковские фотоны от двухслойного аэрогеля) – (б).  Рис.14. Распределения по радиусу колец и углу TETA/2 черенковского излучения для треков с 5 MRS APD на кольцо. II. Проект HADES В 2011 году работа по проекту ХАДЕС группой ИЯИ РАН проводилась по двум основным направлениям: - подготовка экспериментальной установки ХАДЕС к физическому сеансу на пучке тяжелых ядер, который состоится в первой половине 2012г. В этом сеансе планируется исследование выходов электрон-позитронных пар в реакциях столкновений ядер золота при энергии налетающих ядер золота 1.25 ГэВ на нуклон; - разработка, моделирование и тестирование электромагнитного калориметра, создаваемого для установки ХАДЕС. Подготовка технического проекта (Technical design repot) для электромагнитного калориметра.
В сентябре 2011 г. в ГСИ на установке ХАДЕС был проведен тестовый сеанс на пучке ядер золота с энергией 1.25 ГэВ на нуклон, целью которого был физический запуск всех детекторных систем, а также системы считывания данных ХАДЕС после существенной модернизации, проводимой в течение последних трех лет. Группа ИЯИ РАН участвовала в модернизации переднего сцинтилляционного годоскопа, необходимой для его использования в экспериментах с тяжелыми ядрами. Схема расположения переднего годоскопа на ХАДЕСе и его фото показаны на Рис.25.
Рис.15. Схема расположения переднего годоскопа на ХАДЕСе и его фотография. Передний сцинтилляционный годоскоп (Forward Wall) представляет собой симметричную сборку из 288 сцинтилляционных детекторов толщиной 2.54 см и поперечными размерами 4х4 см (144 детекторов), 8х8 см (64 детектора) и 16х16 см (84 детектора). Годоскоп располагается на расстоянии 8 м по пучку от мишени и перекрывает полярные углы от 0.3° до 7.1°. Свет со сцинтиллятора в каждом детекторе собирается с помощью воздушного световода на фотокатод фотоумножителя XP2982 (XP2262). Фотография отдельных компонент одного из сцинтилляционных детекторов показана на Рис. 26.  Рис. 16. Фотография отдельных компонент одного из сцинтилляционных детекторов. Впервые передний сцинтилляционный годоскоп был использован в эксперименте ХАДЕС в 2007 г. для исследования образования электрон-позитронных пар в квазисвободных нейтрон-протонных взаимодействиях. Для этого, передним годоскопом детектировались протоны-спектаторы в реакции взаимодействия налетающих дейтронов с протонами мишени при энергии дейтронов 1.25 ГэВ/нуклон. По результатам данного эксперимента К.Лапидусом подготовлена кандидатская диссертация, которая успешно защищена в 2011г. Основной задачей переднего сцинтилляционного годоскопа в сеансах с тяжелыми ядрами является измерение угла плоскости реакции для изучения потоков частиц. Группой ИЯИ РАН в процессе модернизации детектора была полностью заменена электроника считывания и установлены новые TRB (Trigger and Readout Board) модули со встроенной DAQ (Data AQuasition) функциональностью, которые были разработаны с участием ИЯИ. Во время тестового сеансов 2011г. передний годоскоп, был установлен в рабочее положение (Рис.25, слева) и испытан с новой электроникой на пучке в реакции Au+Au, 1.25 ГэВ/нуклон. При работе детектора на пучке были подобраны высокие напряжения (HV) на ФЭУ и пороги таким образом, чтобы получить лучшее разделение спектаторов по величине заряда. Результат отклика детекторов переднего годоскопа показан схематично на Рис.27, справа. Здесь зеленым цветом показаны детекторы, в которых в амплитудных спектрах хорошо разделяются фрагменты с зарядами до Z=4 и выше. Доля таких детекторов составляет примерно 43%. Желтым цветом показаны детекторы (около 40%), в которых наблюдается разделение фрагментов только до Z=3. И, наконец, красным цветом показаны детекторы, в которых разделяются фрагменты с Z не более 2 (около 16%).
Рис.17. Слева показано расположение переднего годоскопа (на переднем плане) на ХАДЕСе во время тестового сеанса. Справа зеленым, желтым и красными цветами показаны три характерные группы откликов детекторов в тестовом сеансе (см. подробнее в тексте). В качестве примера, характерные амплитудные спектры для одной из групп детекторов (Рис.28, слева) показаны на этом же рисунке справа.
Рис.18. Характерные амплитудные спектры (справа) с группы выделенных детекторов (слева). Проведенный анализ показал, что причиной столь резкого различия в форме амплитудных спектров спектаторов является, с одной стороны, некорректная работа модулей AddOn для некоторыхдетекторов и большая величина шума во многих детекторах из-за повышенного напряжения на фотоумножителях, с другой стороны. Эти напряжения были подобраны перед сеансом таким образом, чтобы выровнять амплитуды от частиц с минимальной ионизацией, полученные при тесте на космике. Было принято решение о замене всех трех модулей AddOn, используемых для переднего годоскопа на новые модули. Эта работа будет сделана группой ИЯИ в декабре 2011г. Исследовался также вопрос, каким образом можно уменьшить вклад от шумов фотоумножителей. Были проведены тестовые измерения амплитудных спектров с одного из детекторов с различными покрытиями поверхностей воздушного световода. Наилучший результат (Рис.29) получен, если в качестве отражателя использовать белую бумагу (тайвик), вместо имеющегося в настоящее время алюминиевого покрытия.  Рис. 19. Амплитудный спектр от источника Na22 с одного из детекторов с различными покрытиями поверхностей воздушного световода. При использовании тайвика в качестве отражателя в воздушном световоде, можно получить то же значение амплитуды сигнала понизив напряжение на фотоумножителе примерно на 100В, что приводит к существенному уменьшению шума ФЭУ. Для идентификации и выделения спектаторов от фоновых частиц важно иметь хорошее временное разрешение переднего годоскопа. По данным, полученным в тестовом сеансе, была проведена временная калибровка. Для этого, сначала была сделана время амплитудная коррекция. На Рис. 30 показаны двухмерные время-амплитудные распределения для одного из детекторов до коррекции (слева) и после коррекции (справа).
Рис. 20. Двухмерные время-амплитудные распределения для одного из сцинтилляционных детекторов переднего годоскопа детекторов до коррекции (слева) и после коррекции (справа). Характерные суммарные распределения по времени пролета, полученные после коррекции для групп детекторов с размерами сцитнтилляторов 4х4 см, 8х8 см и 16х16 см показаны на Рис. 31. Временное разрешение составляет порядка 590, 660 и 720 пикосекунд для детекторов с маленькими, средними и большими сцинтилляторами, соответственно.  Рис. 21. Временное разрешение после время – амплитудной коррекции для групп детекторов с маленькими, средними и большими сцинтилляторами, соответственно. Используя полученные экспериментальные данные из тестового сеанса, было проведено предварительные исследования распределения по углу плоскости реакции и проведена оценка точности восстановления этого угла. На Рис.32 (слева) показано распределение спектаторов по плоскости XY переднего годоскопа.
Рис.22. (Слева) показано распределение спектаторов по плоскости XY переднего годоскопа и распределение по углу плоскости реакции (справа). Видна небольшая асимметрия в пространственном распределении спектаторов, которая может быть вызвана разными причинами, в частности, несимметричным положением переднего калориметра относительно оси пучка. Однако, симметризация положения годоскопа и даже обрезание распределения по радиусу не приводит к ожидаемого из моделирования изотропному распределения по углу плоскости реакции. Это видно из Рис. 32 (справа) – максимальное отклонение в распределении по углу плоскости реакции составляет 13%, что приводит к систематической ошибке в определении угла плоскости реакции. С учетом полученной асимметрии получена оценка точности восстановления угла плоскости реакции, которая составляет порядка 49 градусов (rms), что примерно на 16% лучше, чем получено в моделировании. ИЯИ РАН отвечает также за проведение моделирования отклика годоскопа с использованием кода SHIELD, который учитывает фрагменты-спектаторы. Данный код разработан в ИЯИ РАН. Требуется дальнейшее детальное изучение источников наблюдаемой анизотропии, и, возможно, расположении годоскопа на расстоянии меньше текущего положения в 8 м от мишени. Таким образом, в начале 2012г. группе ИЯИ РАН необходимо выполнить комплекс работ по замене и настройке электроники переднего годоскопа и замене на тайвик отражателей ряда сцинтилляционных детекторов годоскопа. |
Похожие:
 | Общие положения отчет Отчет о научно-исследовательской работе (нир) документ, который содержит систематизированные данные о научно-исследовательской работе,... |  | Доклад Оформление исследовательской работы Детализация цели. Последовательное решение каждой задачи в ходе исследования можно назвать этапами исследования |
| Отчет о научно-исследовательской работе «научно-методическое сопровождение выполнения обязательств российской федерации по охране всемирного культурного и природного наследия... | | Отчет о научно-исследовательской работе Гост 32-2001. Межгосударственный стандарт. Система стандартов по информации, библиотечному и издательскому делу. Отчет о научно-исследовательской... |
| Программа научно-исследовательской практики магистра Основной задачей научно-исследовательской практики магистра является приобретение опыта в исследовании актуальной научной проблемы,... | | Отчет о научно-исследовательской работе Межгосударственный стандарт (гост 32-2001). Отчет о научно-исследовательской работе. Структура и правила оформления (редакция 2005... |
| Отчет по научно-исследовательской работе студентов экономического факультета за 2012-2013 г Научно-исследовательская работа студентов является действенным средством повышения качества подготовки специалистов и проводится... | | Отчет о научно-исследовательской работе фгоу впо «Кемеровский гсхи» Ключевые слова: наука, инновации, инновационный потенциал, инновационный проект, финансирование научно-исследовательской работы,... |
| Реферат Отчет о научно-исследовательской работе состоит Отчет о научно-исследовательской работе состоит из 33 рисунков, 8 разделов, 12 подразделов, 9 формул, 31 источника. Общий объем 48... | | Отчет о научно-исследовательской работе «Проведение исследований... Офизическом комплексе мгу-игу для исследования космических лучей сверхвысоких энергий (установки Тунка и шал-мгу) (Астрофизический... |
| Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... Федеральное государственное бюджетное учреждение науки институт физики микроструктур российской академии наук | | Отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой... Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования |
| Отчет о научно-исследовательской и опытно-конструкторской работе Методические указания по выполнению контрольной работы одобрены на заседании Научно-методического совета взфэи | | Реферат Настоящий отчет был разработан в рамках выполнения научно-исследовательской... Целью выполнения работ является разработка Концепции единой автоматизированной системы персонального учета населения Кемеровской... |
| Отчет о научно-исследовательской работе Объектом исследования является деятельность сотрудников экспертных подразделений, органов дознания, следствия, прокуратуры и суда... | | Отчет о научно-исследовательской работе «определение доступности... Ключевые слова: отчет, научно-исследовательская работа, заключительный отчет, кинопоказ, доступность, качество, цифровые технологии,... |
