Таблица 6.-2. Детекторы, используемые для измерения потоков нейтронов и доз ионизирующих излучений в данной системе.
Тип детектора
|
Область установки
|
Чувствительность
|
Ожидавшийся темп счета (предв. оценка)
|
Ионизационная камера КГ-21
|
Область фиберов (абсорбер)
|
~5 10-5 Грей/отсчет
|
0.01 – 10 имп/c
|
Ионизационная камера КГ-18
|
Область ФЭУ и электроники
|
~4 10-4 Грей/отсчет
|
0.01 – 1 имп/c
|
Нейтронный монитор МНР-14
|
Область ФЭУ и электроники
|
~10 нейтронов/см2/с/отсчет
|
10 – 50 000 имп/c
|
Оценки по порядку величины ожидаемых темпов счета также приведены в Таблице 6.-2. Видно, что в состав системы входят детекторы, темпы счета которых при одних и тех же условиях облучения весьма различны. При этом динамические диапазоны детекторов также весьма значительны для того, чтобы осуществлять эффективный контроль доз и потоков при различных режимах работы ускорителя с отличающимися на несколько порядков величинами светимости. Как следствие, используемые детекторы обладают существенно отличающимися физическими и техническими характеристиками. В то же время было необходимо обеспечить унифицированный подход к управлению системой и приему информации с различных детекторов. На электронном уровне унификация управления детекторами и приема информации с них обеспечивалась системой, включающей две ступени электроники: крейт адаптеров и крейт считывающей электроники (см. рисунок 6-1).
Рисунок 6.-1. Общий вид крейта адаптеров и крейта считывающей электроники.
Прием информации, так же как и управление системой, осуществляются через взаимодействие стандартного PC непосредственно со специально разработанными интерфейсами крейта считывающей электроники.
Созданная на основе стандартной оболочки Borland C++ компьютерная программа осуществляет опрос (прием информации) с крейта считывающей электроники 1 раз в секунду. Считываемые и публикуемые в общей системе информации о состоянии детектора CMS данные включают в себя два блока – информацию о состоянии самой системы мониторирования радиационных условий и собственно информацию со счетчиков.
В блоке информации о состоянии системы считываются и публикуются:
Статус системы на данный момент – 1 слово.
Диагностическая информация о состоянии регистров счетчиков и АЦП – 12 слов.
Токи и напряжения на всех детекторах – 24 слова.
Временная метка (информация о моменте считывания).
В блоке информации со счетчиков считывается и публикуется:
Статус системы на данный момент – 1 слово.
Темп счета каждого счетчика – 24 слова.
Общий счет каждого счетчика с момента последнего сброса – 24 слова.
Временная метка (информация о моменте считывания).
Время чтения каждого счетчика (поправка на момент считывания) – 24 слова.
Приведенная структура чтения и записи данных позволяет определить дозы и потоки излучений в каждый момент времени (включая периоды остановки ускорителя) и зафиксировать их в базе данных информации о состоянии установки в достаточно компактной форме (по предварительной оценке суммарный объем данных о радиационной обстановке не превысит нескольких Гб/год). Включение и выключение отдельных детекторов системы и системы в целом осуществляется программным образом непосредственно с терминала оператора через ту же систему крейтов адаптеров и считывающей электроники. Данные о состоянии системы обрабатываются стандартным пакетом ROOT и публикуются в цифровом и графическом виде, как это показано ниже.
В ходе тестирования системы до запуска ускорителя (в отсутствие пучка) для проверки работы линий электроники и программного обеспечения были использованы встроенные в нейтронные мониторы генераторы электрических импульсов, включающиеся на короткое время при подаче питающего напряжения. На рисунке 6.-2 показаны примеры представления информации о стабильности напряжения и тока и ионизационных камер (в отсутствие пучка ток утечки практически равен нулю). На рисунке 6.-3 приведены аналогичные временные диаграммы для нейтронных мониторов, Для сравнения показаны ток и напряжение исправного монитора и монитора с неисправностью (бросками по напряжению) до осуществления ремонтных работ.
 
Рисунок 6.-2. Графическое представление напряжения и тока на ионизационных камерах.
 
Рисунок 6.-3. Графическое представление напряжения и тока на нейтронных мониторах.
На рисунке 6.-4 показаны результаты тестирования от генератора электронной линии исправного (слева) и неисправного (справа) каналов до осуществления ремонтных работ. Приведенные рисунки являются иллюстрацией работы разработанного программного обеспечения на данном этапе выполнения работ.
 
Рисунок 6.-4. Тестирование электроники нейтронных мониторов по сигналу от встроенного генератора.
После завершения ремонтно-наладочных работ система в целом была подготовлена к окончательной проверке и запуску на пучках Большого адронного коллайдера.
На втором этапе выполнения работ по проекту основное внимание было уделено модельно-теоретическим оценкам темпов счета и возможностей дополнительного контроля светимости применительно к фактическим параметрам системы мониторирования и установки в целом.
Концепция дополнительного контроля светимости по вторичному нейтронному излучению абсорбера была основана на предположении о линейной зависимости интенсивности данного излучения от интенсивности «засветки» абсорбера фактически взаимодействовавшими частицами (преимущественно пионами). Такой дополнительный контроль представляется весьма существенным, поскольку экспериментальные исследования радиационной деградации использованных в абсорбере кварцевых фиберов показали, что при ожидаемых интенсивностях облучения переднего калориметра уже в первые месяцы работы БАК на максимальных светимостях можно ожидать падения эффективности работы центральных башен HF калориметров до 30%. В такой ситуации прямое сравнение измеряемой самим калориметром интенсивности его засветки с измеряемыми данной системой потоками нейтронов позволит непосредственно проконтролировать и процесс деградации, и фактическую светимость. Разумеется, подобный контроль возможен только при достаточно малом времени сбора информации с детекторов, достаточно высоком темпе счета детекторов и линейности указанной зависимости.
Для проверки последнего предположения был поставлен эксперимент во время тестового сеанса на одном из прототипов HF калориметра. Нейтронные мониторы с различными поглотителями (впоследствии был выбран 6-дюймовый цилиндрический поглотитель) были установлены на различных расстояниях от абсорбера (см. рисунок 6.-5). Прототип облучался пучком вторичных частиц, интенсивность которого существенно менялась в зависимости от условий сброса и состояния первичной мишени. Измеренная в результате зависимость темпа счета нейтронного детектора типа СНМ-14 от фактического излучения абсорбера представлена на рисунке 6.-6.
 
Рисунок 6.-5. Схема эксперимента по измерению зависимости темпа счета нейтронных детекторов от интенсивности облучения абсорбера.
|
Рисунок 6.-6. Полученная зависимость темпа счета вторичных нейтронов от интенсивности облучения абсорбера.
|
Из рисунка 6.-6 хорошо видно, что ожидаемая линейная зависимость полностью подтверждается экспериментально, и основной вопрос возможности дополнительного контроля светимости сводится к фактическому темпу счета и времени сбора информации.
 
Рисунок 6.-7. Расчеты методом Монте-Карло ожидаемых потоков нейтронов и доз радиации в области HF калориметра установки CMS.
На рисунке 6.-7 показаны расчеты ожидаемых доз ионизирующих излучений и потоков нейтронов в области HF калориметров. Видно, что вследствие сложной конфигурации защиты и установки в целом поля доз и потоков также имеют весьма сложную конфигурацию. Кроме того, для счетчиков нейтронов СНМ-14 характерна достаточно сложная функция чувствительности в зависимости от энергии падающих нейтронов, что приводит к необходимости для оценки фактических темпов счета рассчитывать не только потоки частиц, но и их спектры (свертки спектров с функцией чувствительности).
На рисунке 6.-8 показана установка нейтронных детекторов в центральной (внутри внешней защиты) части HF калориметра (по 4 детектора в каждом из калориметров). Еще по 4 детектора установлены во внешней части защиты. Два из каждых 4-х внутренних детекторов дополнены счетчиками ионизирующего излучения (ИИ) KG-18. Еще 4 детектора ИИ (КГ-21) установлены в области выхода фиберов из абсорбера. Для оценки темпов счета использовались оценки потоков и доз, полученные с помощью программ FLUKA и MARS, а также смоделированные ФЧ и спектры нейтронов. Итоговые оценки темпов счета детекторов, ожидаемые в ходе запуска БАКа, показаны в таблице 6.-3.
 
Рисунок 6.-8. Схема и фотография установки нейтронных мониторов СНМ-14 в центральной части HF калориметра.
Таблица 6.-3. Выполненные методом Монте-Карло оценки темпа счета детекторов системы.
Тип детектора
|
1.1х1.1 ТэВ
(имп./сек)
|
3.5х3.5 ТэВ
(имп./сек)
|
7х7 ТэВ
(имп./сек)
|
Ионизационная камера КГ-21
(область фиберов)
|
0,06
|
0,2
|
0,4
|
Ионизационная камера КГ-18
(область ФЭУ)
|
0.008
|
0.03
|
0.05
|
Нейтронный монитор МНР-14
(область ФЭУ)
|
800
|
2500
|
5000
|
Нейтронный монитор МНР-14
(область электроники)
|
30
|
100
|
200
|
Таким образом, уже в процессе запуска ускорителя БАК в 2009 году темпы счета нейтронных мониторов будут достаточными как для качественной оценки эффективности радиационной защиты, так и для перманентного контроля светимости. Что касается детекторов ИИ, то они даже при максимальной светимости могут использоваться только для оценки интегральной дозы.
Заключение
На основе системы автоматических вычислений CompHEP версия 4 созданы высокоэффективные Монте-Карло генераторы событий сигнала и фона стандартной модели, а также минимальной суперсимметричной стандартной модели (МССМ) для процессов рождения бозона Хиггса и одиночного топ-кварка. Получена эффективность генерации событий сигнала в процессе pp 2 фотона + 2 струи на уровне 6-10% в интервале масс бозона Хиггса от 115 до 150 ГэВ и эффективность генерации событий фона на уровне 0.2-2.5% для электрослабого фона и фона квантовой хромодинамики. Установлено, что сигнал бозона Хиггса Стандартной модели можно наблюдать со статистической достоверностью на уровне 3 сигма при светимости порядка 70-80 обратных фб., которая может быть достигнута в течение двух-трех лет после начала работы коллайдера LHC. Существенно более неоднозначная ситуация имеет место в МССМ, где предсказания затруднены наличием большого количества параметров в секторе скалярные суперпартнеры кварков — бозоны Хиггса. Показано, что в некоторых ограниченных областях пространства параметров МССМ происходит сильное подавление либо распадов бозона Хиггса в два фотона, либо распадов бозона Хиггса в два b кварка или два лептона, вследствие чего в соответствующих каналах для наблюдения сигнала бозона Хиггса возможностей не будет. Осуществлена генерация примерно 2.5 млн. событий сигнала и фонов бозона Хиггса, которые загружены в базу данных MCDB и могут быть использованы в повторном моделировании CMSSW. Проведено моделирование процессов электрослабого рождения топ кварков, включая моделирование отклика детектора CMS и программ реконструкции. Проведены теоретические исследования проявления возможных отклонений от предсказаний Стандартной модели в вершине взаимодействия Wtb. Необходимые аномальные операторы были введены в лагранжиан взаимодействия и созданы соответствующие Монте-Карло генераторы событий. Проведено моделирование таких процессов с аномальными связями. Созданные события помещены в соответствующие базы данных и доступны всем членам коллаборации CMS. В настоящий момент созданные события используются в физическом анализе и результаты приняты к публикации.
Разработаны и внедрены автоматические интерфейсы загрузки и документации моделируемых событий и интерфейс автоматического доступа к событиям и их структурированному описанию, доступному в MCDB. Разработан формат HepML для унификации документации смоделированных событий и созданы необходимые программные библиотеки для работы с этим унифицированным форматом в сторонних программах (таких как Монте-Карло генераторы, внутренние программы в коллаборациях и т.д.), написанных на языках C++, C, Fortran, PERL.
Созданные интерфейсы официально включены в структуру Монте-Карло моделирования CMS коллаборации и в обязательном порядке используются для всех событий, создаваемых вовне CMSSW. Дальнейшее развитие MCDB позволит расширить функциональность и стабильность базы данных сложных для моделирования событий, создаваемой для всех коллабораций коллайдера LHC. Созданное программное обеспечение готовится к публикации в качестве отдельного проекта с открытым кодом (Open Source) в депозитарии HepForge.Org и будет доступно для использования и модификации под открытой лицензией в качестве новой системы для управления содержимым баз данных, основанным на WEB технологиях и имеющим специфичную функциональность, связанную с разграничением доступа, надежной авторизацией (на основе стандарта kerberos и криптографических сертификатов, используемых в среде распределенных вычислений GRID), хранением и документацией больших наборов файлов с использованием различных систем хранения (в данном случае использовалась система хранения на магнитных лентах). Дальнейшее развитие проекта предполагает возможность использования созданного программного обеспечения в различных коллаборациях, связанных с физикой высоких энергий, а также в различных других областях науки и техники.
Разработана новая модель ядро-ядерных взаимодействий HYDJET++, применимая для описания различных стадий столкновения релятивистских тяжелых ионов: предравновесной кинетической партонной стадии, равновесной гидродинамической стадии с формированием кварк-глюонной плазмы (КГП) и перерассеянием жестких партонов в КГП, стадии адронизации с последующим «вымораживанием» адронов и распадом резонансов. На основе развитой модели создан эффективный и быстродействующий генератор событий HYDJET++, включающий ряд важных коллективных эффектов: гидродинамические радиальные и эллиптические потоки, перерассеяние и потери энергии жестких партонов в плотной КХД-материи, экранировка партонных структурных функций в ядре, термальное рождение чармированных частиц. Проведено тестирование работы HYDJET++ при энергии коллайдера RHIC, результатом которого стала оптимизация модели и подбор параметров, позволяющих описать экспериментальные данные по спектрам адронов в соударениях ионов золота. Генератор HYDJET++ уже используется российскими и зарубежными учеными для проведения моделирования различных коллективных эффектов в релятивистских соударениях тяжелых ионов. Начаты работы по внедрению HYDJET++ в компьютерную базу эксперимента CMS. Сделана экстраполяция ряда основных параметров модели от энергии RHIC к энергии LHC и проведено моделирование множественного рождения адронов в соударениях ионов свинца при энергии LHC с целью создания компьютерной базы смоделированных событий.
Проведена установка азимутальной симметрии адронного калориметра на событиях, полученных с помощью моделирования. Получена оценка минимальной статистики, необходимой для достижения 2% точности калибровки. Была проведена установка абсолютной шкалы адронного калориметра с помощью изолированных треков, полученных с помощью оптимизированного отбора из смоделированных событий со струями, и сделана оценка времени набора статистики, необходимой для достижения точности калибровки не хуже 2%. Была создана также система мониторирования данных, необходимых для калибровки адронного калориметра.
Одним из важнейших физических процессов, используемым для исследования состояния ядерной материи, является выход кваркониев. Поскольку сечение выхода кваркониев на порядки меньше сечения ядро-ядерных взаимодействий, важным этапом в подготовке эксперимента является разработка триггера высокого уровня. За отчетный период были проведены предварительные оценки, показавшие, что эффективность работы димюонного триггера составляет около 80% с временем принятия решения 0.8 секунды в событиях тяжелых ионов. Триггер включен в триггерное меню для дальнейших полномасштабных тестов.
Разработано и протестировано программное обеспечение, позволяющее эффективно и в соответствии с требованиями установки CMS осуществлять управление работой системы мониторирования радиационных условий в области переднего калориметра установки и прием и анализ информации от данной системы. Получены уточненные оценки ожидаемых темпов счета детекторов системы, позволяющие оценить возможности ее использования для дополнительного контроля фактической светимости.
Результаты работы докладывались на международных конференциях:
1. I.P.Lokhtin, “Heavy ion event generators HYDJET/HYDJET++”, 13th Annual RDMS CMS Collaboration Conference, 10-12 August, 2009 (Dubna, Russia)
2. O.Kodolova, “Heavy ion physics at CMS detector”, 13th Annual RDMS CMS Collaboration Conference, 10-12 August, 2009 (Dubna, Russia)
3. I.P.Lokhtin, “Jet quenching in dense and hot QCD matter”, XXXIX Internation Symposium on Multiparticle Dynamics', Gomel Region, Belarus, 4-9 September 2009.
4. L.V.Bravina, G.Eyyubova, L.V.Malinina, M.Nilsson, E.E.Zabrodin, “Flow, freeze-out and correlation radii in heavy ion collisions”, XXXIX Internation Symposium on Multiparticle Dynamics', Gomel Region, Belarus, 4-9 September 2009.
5. I.P.Lokhtin, “Perspectives of elliptic flow measurements at MPD/NICA”, IV Round Table “Physics at NICA”, 9-12 September, 2009 (Dubna, Russia)
6. I.P.Lokhtin, L.V.Malinina, A.M.Snigirev: “Influence of jets on femtoscopic correlation radii in ultrarelativistic heavy ion collisions”, V Workshop on Particle Correlations and Femtoscopy, 14-17 October, 2009 (CERN)
7. L.V.Bravina, L.V.Malinina, M.Nillson, E.E.Zabrodin: “Study of identical and non-identical particle correlations at RHIC energies within nicroscopic models”, V Workshop on Particle Correlations and Femtoscopy, 14-17 October, 2009 (CERN)
8. O.Kodolova, “Heavy ion physics at CMS and ATLAS”, Hadron Collider Physics Symposium, Evian, France, 16-20 November 2009
и опубликованы в научных журналах:
1. I.P.Lokhtin, L.V.Malinina, S.V.Petrushanko, A.M.Snigirev, I.Arsene, K.Tywoniuk. “Heavy ion event generator HYDJET++ (HYDrodynamics plus JETs)”
Computer Physics Communications, 180, 2009, p. 779-799
2. I.P.Lokhtin, L.V.Malinina, S.V.Petrushanko, A.M.Snigirev, I.Arsene, K.Tywoniuk. “HYDJET++ heavy ion event generator and its applications for RHIC and LHC”,
Proceedings of International Workshop "High-pT physics at LHC", Prague, Czech Republic, 2009,
PoS High-pT physics09:023.
3. L.V.Bravina, G.Kh.Eyyubova, E.E.Zabrodin, V.L.Korotkikh, I.P.Lokhtin, L.V.Malinina, S.V.Petrushanko, A.M.Snigirev. “HYDJET++ simulations and reconstruction of the anisotropic flow in Pb+Pb collisions at the LHC”. Proceedings of International Workshop "High-pT physics at LHC", Prague, Czech Republic, 2009, PoS High-pT physics09:047.
4. S.Abdullin et al (CMS HCAL/ECAL Collaboration) “TheCMS barrel Calorimeter response to particle beams from 2 to 350 GeV/c”. The European Physics Journal C: particles and fields, v. 60, 2009, 359-373; DOI http://dx.doi.org/10.1140/epjc/s10052-009-0959-5.
По результатам работ в 2009 г. защищена диссертация на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук: Г.Х.Эйюбова: “Анизотропия угловых распределений частиц в столкновениях релятивистских ядер и кварк-глюонная материя” (МГУ, Москва).
|
