Введение к работе
В диссертации изложены результаты экспериментального изучения перспективного метода повышения энергетического разрешения детектора — алгоритма потока частиц. Для изучения метода были использованы данные, полученные в процессе испытаний прототипа высокогранулярного адронно- го калориметра, разработанного и построенного при активнейшем участии ИТЭФ. В прототипе калориметра используется революционно новая система считывания сигнала, благодаря которой достигнута беспрецедентная гранулярность.
Актуальность, цели и задачи работы
Предметом изучения является возможность достижения высокого энергетического разрешения, необходимого для реализации физической программы международного линейного e+e- коллайдера (англоязычная аббревиатура ILC). ILC разрабатывается для продолжения программы исследований, начатых на Большом Адронном Коллайдере (БАК), а также для изучения круга вопросов, недоступных для адронного коллайдера. Предполагаемая максимальная энергия коллайдера составит 500 ГэВ с последующим увеличением до 1000 ГэВ. В пределах этих величин, энергия ускорителя может быть выбрана любой начиная с 200 ГэВ.
Основной целью экспериментов на ILC является детальное изучение новой физики, которое оказывается возможным благодаря полностью определённому начальному состоянию и сравнительно высокой чистоте конечных состояний на лептонных ускорителях. Физические задачи для ILC требуют создания детектора нового поколения с беспрецедентно высоким энергетическим разрешением. Наиболее развитым и многообещающим способом добиться высокого разрешения является использование для реконструкции энергии, так называемого, алгоритма потока частиц (англоязычная аббревиатура PFA), ранее (в зачаточной форме) успешно использованного на LEP.
PFA представляет из себя такую процедуру реконструкции энергии в детекторе, при которой адронный калориметр используется только для реконструкции энергии нейтральных долгоживущих адронов, а энергия остальных частиц реконструируется с помощью информации трекера и электромагнит- ного калориметра, где разрешение значительно лучше. Для эффективной работы алгоритма потока частиц требуется высокая гранулярность калориметров детектора. Данная работа внесла вклад в решение двух важные задач, поставленных разработкой высокогранулированного калориметра:
Использование новой системы считывания сигнала адронного калориметра, которая обеспечит требуемую гранулярность и будет использована в адронном калориметре детектора ILC.
Эффективность работы PFA с тестовыми экспериментальными данными, полученными с использованием прототипа высокогранулярного калориметра.
Научная новизна, значимость и полезность работы
Эксперименты на ILC могут ответить на ряд вопросов, поставленных в результате исследований на БАК. В случае обнаружения новых частиц, возникнет вопрос, являются ли они суперпартнёрами известных частиц, и позволяют ли их свойства объяснить невидимую массу Вселенной. В случае открытия претендентов на суперсимметричные частицы, потребуется уточнить, насколько их характеристики (спин, константы взаимодействия) соответствуют предсказаниям теории. Кроме того, точные измерения на лептонном коллай- дере могут выявить явления, скрытые от БАК.
Физическая программа для ILC включает детальное изучение свойств хиггсова бозона (хиггса), а именно измерение его массы, констант взаимодействия и относительных вероятностей распадов. Планируется детальное изучение свойств t-кварка и прецизионное измерение характеристик распадов т-лептона с целью поиска эффектов, не описываемых Стандартной Моделью (СМ). Кроме того, планируются поиски суперсимметричных частиц, изучение возможности сценария нарушения электрослабой симметрии в результате „сильного" взаимодействия калибровочных бозонов (SEWSB), и, наконец, поиск слабо взаимодействующих массивных частиц (WIMP) — возможных кандидатов на роль невидимой материи. Поскольку сечения изучаемых процессов очень малы, на ILC планируется достичь большую интегральную светимость: от 500 до 1000 фб-1.
Большинство процессов на ILC заканчиваются состояниями, состоящими из нескольких адронных струй в совокупности с заряженными лептонами и невидимой энергией. Точная реконструкция инвариантной массы одной или нескольких пар струй даёт возможность идентифицировать W- и Z-бозоны,
бозон Хиггса и t-кварк, искать новые состояния и моды распадов, а также различать состояния с близкими массами, например WW и ZZ. Кроме того, для целого ряда задач высокое разрешение даёт экономию необходимой интегральной светимости до 40%, поскольку увеличивается эффективность отборов и уменьшается фон от других каналов.
Для точного восстановления инвариантной массы, в идеале желательно иметь разрешение детектора для пары адронных струй, сравнимое с естественной шириной распадающейся частицы. Если ширина составляет несколько ГэВ, то для пары струй с энергией порядка 100 ГэВ требуется относительное разрешение детектора не хуже 3%. Это соответствует вкладу стохастических процессов в относительное разрешение около 30 %^х/Ё7ГэВ, что в два раза лучше результата, достигнутого на LEP. Наиболее реалистичным способом добиться настолько высокого разрешения является PFA.
Алгоритм потока частиц базируется на высокой гранулярности калориметров детектора. Ранее PFA использовался только для калориметров с существенно более низкой гранулярностью, чем планируется для калориметров ILC. Разработкой и созданием высокогранулярных калориметров около десяти лет занимается международная коллаборация CALICE, в состав которой входит группа ИТЭФ. В рамках сотрудничества спроектированы, построены и испытаны несколько прототипов калориметра. В прототипе адронного калориметра была использована революционно новая считывающая система и изучены результаты её функционирования. Эффективная работа прототипа калориметра CALICE означает возможность использования реализованных в нём технологий для полномасштабного детектора.
Экспериментальные данные, полученные с помощью прототипов калориметра, впервые были использованы для изучения работы алгоритма потока частиц в условиях ILC. Эффективность использования PFA в полномасштабном эксперименте на ILC была ранее показана только на моделированных событиях. Доверие к предсказаниям моделирования для эффективности PFA имеет критическую важность, т.к. на основе моделирования производится оптимизация характеристик детектора для ILC. Диссертация посвящена сравнению результатов работы PFA с реальными событиями и с событиями, смоделированными по методу Монте-Карло. Сравнение продемонстрировало как хорошую работу прототипа калориметра, так и достаточно высокую предсказательную силу компьютерного моделирования работы PFA. Таким образом, PFA и прототип адронного калориметра прошли проверку экспериментом.
Вопросы, выносимые на защиту
-
-
Методика мониторирования и изучения стабильности считывающей системы прототипа высокогранулярного адронного калориметра, основанной на использовании новых фотодетекторов — кремниевых фотоумножителей, по итогам двухлетних испытаний прототипа калориметра.
-
Методика анализа эффективности работы PFA по разделению двух близко расположенных адронных ливней, полученных в прототипе адронного калориметра в диапазоне энергий от 10 ГэВ до 50 ГэВ.
-
Оценка эффективности использования PFA в полномасштабном эксперименте путём сопоставления результатов работы PFA по разделению двух реальных адронных ливней с результатами разделения двух моделированных ливней.
Апробация работы
Результаты, вошедшие в диссертацию, докладывались на международной конференции по калориметрии в физике высоких энергий CALOR (Пекин, 2010 год), на международном семинаре по линейным ускорителям IWLC (Женева, 2010 год), на итоговой конференции российско-германского общества им. Гельмгольца (Москва, 2010 год), и на научной сессии-конференции секции ЯФ ОФН РАН (ИТЭФ, 2011 год). По теме диссертации опубликовано пять работ, список которых приведен в конце автореферата.
Объем и структура диссертации
Похожие диссертации на Экспериментальное изучение нового метода адронной калориметрии - метода потоков частиц, на данных высокогранулярного калориметра CALICE
-
