ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 6, с. 5-12
ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
УДК 939.1.074
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ОТКЛИКА МОДУЛЯ АДРОННОГО КАЛОРИМЕТРА ПРИ ЭНЕРГИЯХ ПРОТОНОВ
И ПИОНОВ 1-5 ГэВ
© 2014 г. М. Б. Голубева, Ф. Ф. Губер, А. П. Ивашкин, А. Б. Курепин, В. Н. Марин, О. А. Петухов, А. С. Садовский
Институт ядерных исследований РАН Россия, 117312, Москва, просп. 60-летия Октября, 7а E-mail: marina@inr.ru Поступила в редакцию 05.12.2013 г. После доработки 01.05.2014 г.
Описана конструкция модуля адронного калориметра, который предполагается использовать в передних калориметрах экспериментов MPD (Дубна, Россия) и СВМ (Дармштадт, Германия). Модуль имеет поперечные размеры 20 х 20 см2 и состоит из 60-ти слоев свинца с расположенными между ними сцинтилляционными пластинами. Толщина свинцовой пластины составляет 16 мм, сцинтил-лятора — 4 мм. Свет со сцинтилляционных пластин собирается спектросмещающими оптоволокна-ми. Модуль имеет продольную сегментацию из 10 секций. Свет, собираемый с каждой секции, счи-тывается микропиксельными фотодиодами с чувствительной областью 3 х 3 мм2. Приводятся результаты тестовых измерений энергетического разрешения и линейности отклика модуля калориметра, выполненных в диапазоне импульсов адронов от 2 до 6 ГэВ/с. Обсуждаются полученные продольные профили адронного ливня в измеряемом диапазоне энергий как для пучка пионов, так и пучка протонов. Приводятся результаты измерений энергетического разрешения и линейности отклика модуля калориметра при низких энергиях и их сравнение с данными, полученными при высоких энергиях.
DOI: 10.7868/S0032816214060056
ВВЕДЕНИЕ
Исследование свойств ядерного вещества при экстремальных плотностях, образующихся в столкновениях тяжелых ядер, поиск фазового перехода из состояния обычной сильновзаимодей-ствующей адронной ядерной материи в состояние кварк-глюонной плазмы, поиск критической точки этого перехода, а также исследование начала деконфайнмента входят в программу экспериментов на установках MPD (Multi Purpose Detector) [1, 2] и CBM (Compressed Barionic Matter) [3, 4]. Установки будут расположены на сооружаемых ускорительных комплексах NICA в Дубне (Россия) и SIS 100, FAIR в Дармштадте (Германия). Ускорительный комплекс NICA [5, 6] встречных пучков протонов и ядер проектируется на энергию пучков ядер в системе центра масс в
диапазоне y¡sNN = 1.5—11 ГэВ. Создаваемый ускорительный комплекс SIS 100, FAIR [7, 8] будет обеспечивать ускорение пучков ядер золота с энергией до 11 АГэВ (где А — массовое число частицы) для экспериментов с фиксированной мишенью.
Одной из экспериментальных задач при исследовании ядро-ядерных взаимодействий является определение таких глобальных характеристик,
как центральность процесса взаимодействия и угол плоскости реакции, относительно которой вычисляются потоки вторичных частиц, образующихся в каждом акте взаимодействия. С этой целью в экспериментах при высоких энергиях для измерения энергии нуклонов-спектаторов налетающего ядра, не принимавших участие в процессе взаимодействия, обычно используются передние адронные калориметры [9—11] с поперечной сегментацией. Измерение энергии нуклонов-спектаторов позволяет определять пособытийно центральность взаимодействия, а дополнительная информация об их координатах — измерить угол плоскости реакции. Точность определения центральности и угла плоскости реакции для данного взаимодействия зависит от энергетического разрешения и гранулярности калориметра.
Одним из экспериментов, в котором используется передний адронный калориметр PSD (Projectile Spectator Detector), является эксперимент NA61, проводимый в CERN [12]. Калориметр PSD в данном эксперименте предназначен для определения центральности ядро-ядерных взаимодействий на триггерном уровне и измерения энергии спектаторов с энергетическим разрешением ~55%/л/Е , где Е, ГэВ — кинетическая энер-
(a)
(б)
Рис. 1. Схема переднего вида (а) и фотография полностью собранного и установленного на пучке переднего адронного калориметра эксперимента КЛ61 (б).
гия спектаторов. Такое разрешение достаточно для пособытийного определения числа провзаи-модействовавших нуклонов с точностью до одного нуклона, с тем чтобы исключить из измеренных флуктуаций наблюдаемых величин источник флуктуаций, связанный с геометрией столкновений. В этом эксперименте расстояние от мишени до калориметра варьируется от 17 до 23 м в зависимости от энергии налетающих ядер. Фермиев-ское распределение импульсов нуклонов в ядре приводит к угловому разбросу траекторий спекта-торов, что и определяет достаточно большой, 120 х 120 см2, поперечный размер калориметра. Для обеспечения поперечной однородности энергетического разрешения калориметра, а также возможности его использования для измерения плоскости реакции калориметр имеет модульную структуру. Он состоит из 16 центральных модулей с поперечным размером 10 х 10 см2 и 28 модулей с поперечным размером 20 х 20 см2 во внешней части калориметра (рис. 1). Такая поперечная сегментация калориметра уменьшает также загрузку отдельных центральных модулей (так как в данном калориметре отсутствует отверстие для пропускания налетающего пучка).
Аналогичные модульные адронные калориметры планируется использовать и для экспериментов МРЭ в Дубне [13] и СВМ в Дармштадте [14]. Однако до настоящего времени отклик таких модулей экспериментально исследовался на установке МЛ61 только при энергиях протонов >20 ГэВ. Экспериментальных данных по энергетическому разрешению и линейности отклика модуля такого калориметра при энергиях протонов <20 ГэВ нет. В этой области энергии необходимо также оптимизировать продольную длину калориметра, которая в эксперименте МЛ61 (при энергиях >20 ГэВ) составила порядка 6 длин ядерного взаимодействия. Кроме того, в области энергий адронов <5 ГэВ отклик калориметра для пионов и протонов может быть разным из-за раз-
личия в развитии адронного ливня при этих энергиях, что, в свою очередь, может отразиться и на энергетическом разрешении калориметра. Таким образом, требуются дополнительные экспериментальные исследования отклика адронного калориметра в области низких энергий протонов.
В данной статье обсуждаются результаты экспериментальных исследований отклика прототипа модуля адронного калориметра при энергиях адронов 1.5—5 ГэВ, проведенных на тестовом канале Т10 в CERN. Дано краткое описание конструкции модуля калориметра и приведены основные параметры используемых в нем фотодетекторов. Описана экспериментальная установка, на которой проводились измерения, и обсуждается энергетическая калибровка модуля калориметра. И, наконец, приводятся и обсуждаются полученные результаты исследования отклика модуля калориметра на пучках пионов и протонов в диапазоне энергий 1.5—5 ГэВ. Полученные результаты сравниваются с откликом калориметра при более высоких энергиях.
ПРОТОТИП МОДУЛЯ КАЛОРИМЕТРА
ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ MPD И CBM
В передних калориметрах установок MPD и СВМ предполагается использовать модули с поперечными размерами 20 х 20 см2, аналогичные используемым для внешней части переднего калориметра (PSD) установки NA61 в CERN. На рис. 2а показана схема такого модуля. Конструкция этих модулей подробно описана в работах [14-16].
Для проведения тестовых измерений при энергиях протонов в диапазоне 1.5-5 ГэВ был изготовлен полномасштабный прототип модуля, состоящий из 60-ти слоев свинца с расположенными между ними сцинтилляционными пластинами. Толщина каждой свинцовой пластины составляла 16 мм, а толщина сцинтиллятора — 4 мм.
(a)
Спектро-
смещающие
волокна
Свинцовые пластины
Сцинтилляторные пластины
Рис. 2. Схема прототипа модуля переднего адронного калориметра для экспериментов МРВ и СВМ (а) и фотография собранного модуля (без верхней крышки) (б).
При таком соотношении, 4:1, толщин свинца и сцинтиллятора выполняется условие так называемой компенсации (в/к = 1), при котором энергетический вклад электромагнитной компоненты в адронный ливень равен вкладу только от адрон-ной компоненты. При этом в выражении для
энергетического разрешения а/л/Е + Ь , постоянный член Ь должен быть близок к нулю, а величина стохастического члена а должна составлять порядка 55% [17-19].
Все 60 слоев свинцовых и сцинтилляционных пластин модуля упакованы в короб из нержавеющей стали с толщиной стенки 0.5 мм и стянуты стальной лентой той же толщины. В процессе сборки модуля эта лента приваривается точечной сваркой к стенке короба. Полная длина модуля соответствует 6 ядерным длинам взаимодействия. Свет с каждой сцинтилляционной пластины собирается с помощью спектросмещающего оптоволокна Кигагау Y11, вклеенного в круглую канавку глубиной 1.2 мм на лицевой поверхности сцинтилляционной пластины. Все выведенные из сцинтилляторов 60 оптоволокон укладываются параллельно на верхней поверхности модуля. Оптоволокна с каждых шести последовательно расположенных сцинтилляционных пластин вклеиваются в отдельные оптические разъемы, которые размещены на панели, установленной в конце короба модуля. Таким образом, на этой панели установлено 10 оптических разъемов с лавинными фотодиодами для считывания света с 10 секций модуля. Такая продольная сегментация модуля на 10 секций обеспечивает однородность собирания света по длине модуля. На этой же па-
нели размещен дополнительный оптический разъем с установленным на нем светодиодом, свет от которого передается к лавинным фотодиодам по десяти оптическим волокнам. Один конец оптоволокна вклеен в разъем с установленным на нем светодиодом, а другой — в соответствующий оптический разъем фотодетектора вместе с шестью спектросмещающими волокнами от сцинтилляционных пластин калориметра. Световые импульсы со светодиода используются для контроля работы фотодетекторов. На рис. 2б показана фотография модуля (без верхней крышки) с уложенными на верхней стороне модуля оптоволокнами. На переднем плане видна панель с оптическими разъемами, в которые вклеены оптоволокна.
В качестве фотодетекторов были выбраны кремниевые полупроводниковые микропиксельные лавинные фотодиоды MAPD-3N производства Zecotek Photonics
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.