ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2015, № 1, с. 37-42
ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО ^^^^^^^^^^^^ ЭКСПЕРИМЕНТА
УДК 539.1.074.4
ИСПЫТАНИЯ АЭРОГЕЛЕВЫХ ЧЕРЕНКОВСКИХ СЧЕТЧИКОВ С n = 1.05 НА ЭЛЕКТРОНАХ И МЮОНАХ
© 2015 г. А. Ю. Барняков*, **, М. Ю. Барняков*, **, К. И. Белобородов*, **, В. С. Бобровников*, А. Р. Бузыкаев*, В. М. Весенев*, В. Б. Голубев*, **, С. А. Кононов*, **, С. В. Кошуба*, Е. А. Кравченко*, **, К. А. Мартин*, **, А. П. Онучин* ** ***, С. И. Середняков* **
*Институт ядерной физики СО РАН Россия, 630090, Новосибирск, просп. Лаврентьева, 11 E-mail: martin@inp.nsk.su **Новосибирский государственный университет Россия, 630090, Новосибирск, ул. Пирогова, 2 ***Новосибирский государственный технический университет Россия, 630073, Новосибирск, просп. К. Маркса, 20 Поступила в редакцию 09.04.2014 г.
Представлены результаты испытания системы пороговых аэрогелевых черенковских счетчиков с показателем преломления n = 1.05, предназначенной для разделения электронов и пионов с энергиями до 450 МэВ в экспериментах по измерению сечений е+е--аннигиляции в адроны с детектором СНД на е+е--коллайдере ВЭПП-2000. Приведены характеристики системы. Измерения проводились на электронах и мюонах от процессов e+e- ^ e+e- и e+e- ^ М+М- при энергии пучка от 250 до 500 МэВ. При средней величине сигнала от электронов в счетчике 3.5 фотоэлектрона эффективность регистрации электронов составляет 0.955.
DOI: 10.7868/S0032816215010024
ВВЕДЕНИЕ
Точные измерения сечений е+е--аннигиляции в адроны в области энергии порядка 1 ГэВ имеют сегодня важное значение для проверки Стандартной модели. Для их измерений необходима хорошая идентификация рождающихся частиц. В области энергии рождения р(770)- и ю(783)-резонансов возникает задача разделения электронов, мюонов и я-мезонов в процессах е+е- ^ е+е-, е+е-^- Ц+Ц- и е+е- ^ я+я-.
Для улучшения идентификации частиц в экспериментах с детектором СНД [1] на е+е--коллай-дере ВЭПП-2000 [2, 3] разработана система черенковских счетчиков на основе аэрогеля. Для надежного е/я-разделения в данной области энергий необходимо, чтобы порог черенковского излучения для я-мезонов находился значительно выше пика по массе состояния р(770), т.е. выше 400 МэВ. Этому условию удовлетворяет аэрогель с показателем преломления п = 1.05, в котором пороговая энергия для я-мезонов составляет 458 МэВ. Работы с аэрогелем с таким показателем преломления ведутся в ИЯФ СО РАН уже в течение многих лет [4, 5]. Созданная система в конце 2012 года была установлена на детектор СНД, и с ней на ВЭПП-2000 был проведен полугодовой
цикл измерений сечений е+е -аннигиляции в интервале энергии 500—1000 МэВ [6].
В данной работе описана конструкция системы аэрогелевых черенковских счетчиков (а.ч.с.) и представлены предварительные результаты на электронах и мюонах от процессов е+е- ^ е+е- и е+е- ^ Ц+Ц-.
ОПИСАНИЕ СИСТЕМЫ АЭРОГЕЛЕВЫХ ЧЕРЕНКОВСКИХ СЧЕТЧИКОВ
Система аэрогелевых черенковских счетчиков располагается вокруг трековой системы детектора СНД и состоит из девяти счетчиков, образующих цилиндр (рис. 1). Телесный угол системы а.ч.с. составляет около 60% от 4я [7]. Каждый счетчик собран по схеме аэрогель + шифтер + фотоумножитель [5, 8, 9] (рис. 2). Аэрогелевый радиатор счетчика составлен из множества небольших блоков аэрогеля с типичными размерами около 3 см. Показатель преломления аэрогеля п = 1.05 выбран из требования е/я-разделения в области импульсов до 450 МэВ/с. Плотность аэрогеля составляет 0.24 г/см3. Толщина радиатора по ходу частиц в перпендикулярном направлении составляет 3 см. Аэрогелевый радиатор счетчика обернут отражателем из трех слоев пленки ПТФЭ (те-
Рис. 1. Общий вид системы а.ч.с. Черными кружками обозначены фотоэлектронные умножители (ф.э.у.) с микроканальными пластинами (м.к.п.).
флон) суммарной толщиной 0.66 мм и упакован в алюминиевый корпус с толщиной стенок 1 мм.
Свет на фотоэлектронный умножитель собирается с помощью шифтера — пластины из поли-метилметакрилата с добавлением спектросмести-теля BBQ, расположенной со сдвигом относительно центра счетчика на угол 5° (~10 мм), как показано на рис. 2. Поперечные размеры пластины 3 х 17.5 мм. В качестве фотодетектора используются фотоумножители с тремя микроканальными пластинами (ф.э.у. с м.к.п.) с мультищелоч-ным фотокатодом 018 мм [10]. Спектральная чувствительность такого фотокатода хорошо согласуется с эмиссионным спектром BBQ, имеющим максимум при ^max = 500 нм. Ф.э.у. с м.к.п. имеют коэффициент усиления до 108, квантовый выход в максимуме чувствительности — 23% [11].
Схема электроники измерительного канала представлена на рис. 3. В канал включены преду-силитель, разветвитель-дискриминатор, время-цифровой и зарядоцифровой преобразователи.
Предусилитель имеет коэффициент усиления 30 и полосу частот до 1.2 ГГц. Длительность выходного сигнала 40 нс. На рис. 4а показан шумовой спектр счетчика. Амплитудная калибровка проводится при засветке фотокатода импульсным источником света. Интенсивность засветки такова, что средний сигнал в импульсе составляет около 0.3 фотоэлектрона (ф.э.), соответствующая форма спектра приведена на рис. 4б. Сигнал от е+е—событий имеет заметно большую амплитуду (рис. 4в).
ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ А.Ч.С.
Измерения параметров счетчиков проводились в экспериментах на коллайдере ВЭПП-2000 с детектором СНД при сканировании энергетического интервала ЕЬеат = 250—500 МэВ. Использовались процессы с рождением электронов и мюо-нов: е+е- ^ е+е- и е+е- ^ ц+ц-. События этих процессов выделялись триггером СНД и записывались на диски для последующей обработки.
При анализе записанных данных отбирались события с конечными частицами, попавшими в эффективную область счетчиков (исключались области шифтеров и края счетчиков). Так как треки обеих частиц в конечном состоянии коллине-арны, то большинство событий содержит две частицы, попавшие в систему а.ч.с. Длительность эксперимента более 7 месяцев дает возможность изучить стабильность работы системы а.ч.с.
Измерения параметров системы а.ч.с. проводились на электронах и позитронах процесса е+е- ^ ^ е+е-. Требовалось наличие двух коллинеарных треков в событии с суммарным энерговыделением не менее 1.6ЕЬеат. На рис. 5 приведена зависимость среднего числа фотоэлектронов от времени, измеренная по отобранным е+е--событиям.
A-A
Рис. 2. Схема аэрогелевого счетчика детектора СНД. 1 — ф.э.у. с м.к.п.; 2 — аэрогелевый радиатор; 3 — пластина шифтера.
Рис. 3. Схема канала электроники а.ч.с. Г5-78 - генератор, ВВИ - высоковольтный источник, ПУ - предусилитель, РД- разветвитель-дискриминатор (А - амплитудный выход, Т- временной выход), ЛЗ - линия задержки, ЗЦП- за-рядоцифровой преобразователь, ВЦП - времяцифровой преобразователь.
N 500
0
-5 0 5 10 15 20 -5 0 5 10 15 20 -5 0 5 10 15 20
А, ф.э.
Рис. 4. Амплитудные спектры в единицах числа фотоэлектронов: а - шумовой спектр; б - однофотоэлектронный спектр; в — спектр от электрона (позитрона) в событиях е+е- ^ е+е-.
Результаты усреднены по всем 9 счетчикам системы а.ч.с. Видно, что в начале измерений среднее число фотоэлектронов составляет около 4.5 ф.э., затем это число постепенно уменьшается и к концу измерений выходит на плато на уровне около 3.5 ф.э. Это падение, скорее всего, связано с ухудшением оптических свойств аэрогеля со временем, обусловленным процессами окисления примесей металлов в аэрогеле [12].
На рис. 6 приведена зависимость эффективности регистрации электронов процесса е+е- ^ е+е-от времени. В начале величина эффективности составляет 97.5%, а концу измерений падает до 95.5%. Эта величина ниже определяемой измеренным числом фотоэлектронов 3.5 ф.э., 97%. Данное различие может быть связано с неоднородностью светосбора в счетчиках.
Счетчики системы а.ч.с. обладают неоднородностью, вызванной разными условиями светосбора в разных точках отдельного счетчика. На рис. 7 приведена зависимость средней амплитуды от азимутального угла для одного из счетчиков. Высокий пик на этом рисунке соответствует попаданию частицы в шифтер, эта область в дальнейшем исключается. Видно, что по мере удаления от шифтера амплитуда падает на ~30% вследствие уменьшения светосбора.
Неоднородность в продольном направлении (вдоль шифтера) показана на рис. 8. Здесь амплитуда максимальна в области, где расположен ф.э.у., и постепенно падает в противоположном направлении. Такое поведение объясняется поглощением света при распространении в шифтере.
Измеренная карта неоднородности каждого счетчика используется при моделировании отклика системы а.ч.с.
А, ф.э.
5 г
2-'-'-'-
0 50 100 150
I, дни
Рис. 5. Временная зависимость сигнала от электрона. Результат усреднен по всем счетчикам системы а.ч.с.
8
1.00 Г
0.98
0.96 -
0.94
50
100
150
I, дни
Рис. 6. Зависимость эффективности регистрации одной частицы процесса е+е- ^ е+е- от времени. Результат усреднен по всем счетчикам системы а.ч.с.
А, ф.э. 20
15 -
10
170
180
190 200 Ф, град
Рис. 7. Зависимость амплитуды сигнала от одной частицы процесса е+е- ^ е+е- от азимутального угла ф.
А, ф.э. 6
Рис. 8. Зависимость амплитуды сигнала от одной частицы процесса е+е- ^ е+е- от продольной координаты г.
Для выделения мюонов в событиях е+е ^ ^ ц+ц- требовалось наличие двух коллинеарных треков с энерговыделением в слоях калориметра, соответствующим энерговыделению минимально ионизирующих частиц. Космический фон измерялся по данным, записанным без пучков в кол-лайдере, и вычитался при обработке экспериментальных данных. Для последующей работы были выбраны 11 точек в интервале энергий одного пучка от 300 до 490 МэВ. В отобранных ц+ц--событи-ях для каждой частицы определялся сигнал в че-ренковском счетчике. Зависимость величины сигнала в фотоэлектронах от импульса мюона представлена на рис. 9. Экспериментальная зависимость была аппроксимирована формулой
Ц = Ц0 + Цтах р - РШг )/Р2,
где рШг = 330 МэВ/с - порог черенковского излучения, р - импульс мюона. Видно, что предлагаемая формула хорошо описывает экспериментальные данные.
Результаты моделирования сигнала черенков-ского счетчика от событий процесса е+е- ^ ц+ц-также приведены на рис. 9.
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.