ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 2, с. 13-30
ТЕХНИКА ЯДЕРНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
УДК 539.1.074
ПЕРЕДНИЙ СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЙ ГОДОСКОП ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ЯДЕРНЫХ ФРАГМЕНТОВ НА УСТАНОВКЕ ХАДЕС
© 2014 г. О. В. Андреева, М. Б. Голубева, Ф. Ф. Губер, А. П. Ивашкин, А. Krasa*, А. Kugler*, А. Б. Курепин, О. А. Петухов, А. И. Решетин, А. С. Садовский, О. Svoboda*, Ю. Г. Соболев*, P. Tlusty*, Е. А. Усенко
Институт ядерных исследований РАН Россия, 117312, Москва, просп. 60-летия Октября, 7а E-mail: reshetin@inr.ru *Nuclear Physics Institute ASCR CZ25068, Rez, Czech Republic Поступила в редакцию 28.06.2013 г.
Дано описание и приведены основные характеристики переднего сцинтилляционного годоскопа и электронной схемы съема сигналов с детекторов годоскопа установки ХАДЕС (HADES — High Acceptance DiElectron Spectrometer, GSI, Darmstadt). Описаны процедуры настройки, амплитудной и временной калибровки детекторов годоскопа на космических лучах и по экспериментальным данным, полученным в реакции Au + Au при энергии пучка 1.24 ГэВ/нуклон. Обсуждается методика применения годоскопа для "мечения" реакции n + p при использовании пучка дейтронов, налетающих на жидководородную мишень. Описывается процедура определения угла плоскости реакции при пособытийном анализе данных реакции Au + Au (1.24 ГэВ/нуклон).
DOI: 10.7868/S0032816214020141
1. ВВЕДЕНИЕ
Важнейшим направлением современной релятивистской ядерной физики является изучение свойств ядерной материи в широком диапазоне значений температуры и плотности. Основной мотивацией для проведения экспериментов в этой области физики является возможность исследования уравнения состояния ядерной материи и проверки предсказаний фундаментальной теории сильных взаимодействий — квантовой хромодинамики. Исследование уравнения состояния сильно взаимодействующей материи важно также для понимания астрофизических процессов, протекающих в нейтронных и сверхновых звездах [1].
Развитие экспериментальной программы на протяжении последних двух десятилетий в значительной мере определялось созданием более мощных ускорителей и возможностью проводить измерения при более высоких значениях энергии. Так, начиная с "пионерского" эксперимента DLS на ускорителе Bevalac (г. Беркли, США), в котором исследовались столкновения ядер при энергии 1 ГэВ/нуклон [2], был выполнен целый ряд экспериментов (CERES, NA49, NA50/60 и др.) при
значениях энергии -Is = 17 ГэВ на ускорителе SPS, CERN (Швейцария). На коллайдере RHIC (г. Брук-хейвен, США) ведутся эксперименты при энергиях
до -Ts = 200 ГэВ (PHENIX, STAR). На коллайдере
LHC, CERN выполнены первые эксперименты
по столкновению ядер свинца при энергиях -Ts = = 2.76 ТэВ на установках CMS, ATLAS и ALICE. На этих установках в ближайшие годы можно ожидать получение экспериментальных данных в столкновениях ядер с энергиями до 7 ТэВ в системе центра масс.
Во всех экспериментах при высоких энергиях ведется поиск сигналов, свидетельствующих об образовании нового состояния ядерного вещества в условиях высокой температуры и плотности — так называемой кварк-глюонной плазмы. Вместе с тем, уже при достаточно умеренных плотностях и температурах в ядро-ядерных столкновениях при энергии >1 ГэВ/нуклон возможна модификация свойств ядерной материи, что может проявиться в частичном восстановлении киральной симметрии.
Важное место среди отмеченных выше экспериментов занимает эксперимент на установке ХАДЕС (ГСИ, г. Дармштадт, Германия). В этом эксперименте измеряются не только заряженные адроны (протоны, пионы и каоны), но и элек-трон-позитронные пары от распадов легких векторных мезонов, образующихся в столкновениях ядер при энергии до 2 ГэВ/нуклон. Поскольку электроны и позитроны не испытывают ядерного взаимодействия, они несут наиболее прямую и неискаженную информацию о модификации в ядерной среде таких свойств адронов, как их мас-
Рис. 1. Схема установки ХАДЕС. 1 — кольцевой че-ренковский детектор (RICH); 2, 3 — минидрейфовые камеры (MDCI/II, MDCIII/IV соответственно); 4 — времяпролетный сцинтилляционный годоскоп (TOF); 5 — передний времяпролетный сцинтилляционный годоскоп (TOFINO); 6 — предливневый детектор (Pre-Shower); 7 — передний годоскоп (FW); 8 — сверхпроводящий магнит.
редине 2012 г., и в настоящее время полученные данные анализируются. Основное назначение переднего годоскопа в этом эксперименте состояло в определении плоскости реакции при пособытий-ном анализе данных для получения информации о потоках заряженных частиц в данной реакции.
Ниже, в разд. 2 приводится краткое описание установки ХАДЕС и даны ее основные характеристики. В разд. 3 дано описание переднего сцин-тилляционного годоскопа и представлены его рабочие характеристики. Электроника считывания сигналов с детекторов годоскопа и ее интеграция в систему сбора данных ХАДЕС обсуждаются в разд. 4. В разд. 5 описываются процедуры настройки, временной и амплитудной калибровки детекторов годоскопа на космических лучах и по экспериментальным данным, полученным в реакции Аи + Аи при энергии пучка 1.24 ГэВ/нук-лон. В разд. 6 обсуждаются вопросы использования переднего годоскопа для "мечения" реакции пр при использовании пучка дейтронов, налетающих на жидководородную мишень. В разд. 7 излагается метод определения угла плоскости реакции при пособытийном анализе данных реакции Аи + Аи (1.24 ГэВ/нуклон); обсуждаются факторы, влияющие на точность восстановления этого угла.
са и ширина распада. Другой особенностью этого эксперимента является возможность исследования свойств ядер не только в ядро-ядерных реакциях, но и в адрон-ядерных и элементарных ад-рон-адронных столкновениях на пучках протонов с энергией до 4 ГэВ и пионов с энергией до 2 ГэВ. Тем самым можно с минимальными систематическими ошибками получать и сравнивать информацию о свойствах адронов как в "холодной", так и в "горячей", а также плотной ядерной материи.
В данной статье описывается одна из важных детекторных подсистем установки ХАДЕС — передний многоканальный сцинтилляционный го-доскоп. Впервые этот годоскоп был использован для "мечения" реакции образования электрон-по-зитронных пар в реакции взаимодействия налетающих квазисвободных нейтронов с энергией 1.25 ГэВ с протонами жидководородной мишени. Для "мечения" взаимодействия квазисвободных нейтронов с протонами использовалась реакция ф — пр + рреЫ, где Ррес< - протон-спектатор -протон из налетающего ядра дейтрона, не участвующий во взаимодействии с протоном мишени и детектируемый передним годоскопом.
После значительной модернизации, проведенной в последние годы, передний годоскоп был использован в эксперименте по исследованию образования электрон-позитронных пар в реакции Аи + Аи при энергии налетающих ядер золота 1.24 ГэВ/нуклон. Эксперимент был проведен в се-
2. УСТАНОВКА ХАДЕС
Установка ХАДЕС (HADES — High Acceptance DiElectron Spectrometer) [3] представляет собой широкоапертурный магнитный спектрометр для идентификации и измерения импульсов заряженных адронов и инвариантной массы элек-трон-позитронных пар, образующихся в ядро-ядерных взаимодействиях при энергии налетающих ядер 1—2 ГэВ/нуклон и в адрон-ядерных взаимодействиях при энергии налетающих адронов до 4 ГэВ.
Геометрически спектрометр разделен азиму-тально на шесть идентичных секторов, которые определяются расположением обмоток сверхпроводящего тороидального магнита и перекрывают область значений полярного угла от 18° до 88° и практически полный азимутальный угол. Поперечное сечение двух противоположных секторов показано на рис. 1. При этих условиях спектрометр имеет достаточно высокую (~40%) геометрическую эффективность в области промежуточных быстрот для дилептонных пар.
Для идентификации заряженных частиц и измерения их импульсов спектрометр имеет несколько детекторных подсистем. Электроны/позитроны и заряженные адроны (пионы, каоны, протоны и более тяжелые ядерные фрагменты) идентифицируются методом измерения времени пролета частицы между стартовым детектором, расположенным перед мишенью, и двумя системами сцинтилляционных годоскопов, располо-
женными после магнита. Одна из этих систем, TOFINO, (см. рис. 1) перекрывает полярный угол от 18° до 45° и состоит из 24-х радиально расположенных сцинтилляционных детекторов, сгруппированных по четыре детектора в каждом из шести секторов. Сцинтилляционная пластина каждого детектора толщиной 1 см имеет трапецеидальную форму (высота трапеции ~130 см, ширина оснований — 12 и 32 см). Свет с большего основания пластины собирается с помощью световода, собранного из 32-х специальным образом изогнутых пластмассовых пластин с квадратным (1 х 1 см2) поперечным сечением, на фотоэлектронные умножители (ф.э.у.) ХР2020 и HAMAMATSU1949. Временное разрешение а этой системы составляет ~450 пс. Система TOFINO использовалась в ряде первых экспериментов на установке ХАДЕС в исследованиях ад-рон-адронных, протон-ядерных взаимодействий, а также в экспериментах по столкновению легких ядер, в которых вероятность попадания в одном событии двух и более частиц в один сцинтилля-ционный детектор была существенно меньше 1. Для экспериментов по исследованию столкновений тяжелых ядер система TOFINO была заменена на более гранулированную систему на основе резистивных плоскостных камер (RPC) [4]. Как показали предварительные результаты анализа данных, полученных в реакции Au + Au при 1.24 ГэВ/нуклон, новая RPC-система обеспечивает временное разрешение а & 80 пс.
Второй сцинтилляционный годоскоп время-пролетной системы (TOF) [5] перекрывает полярный угол от 45° до 88°. Он состоит из 384-х сцинтилляционных детекторов, также разбитых на 6 секторов. Длина сцинтилляционной пластины увеличивается с ростом полярного угла. Для внутренних 192-х пластин квадратное поперечное сечение каждой пластины составляет 2 х 2 см2, а для наиболее удаленных 192-х пластин — 3 х 3 см2. Такая геометрия позволяет иметь достаточно хорошую степень гранулярности в области значений полярного угла от 45° до 88°, что снижает вероятность двойных попаданий частиц в одну пластину в отдельном событии, даже в реакциях с тяжелыми ядрами. Свет с обоих торцов каждой сц
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.