Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Детектор ATLAS большого адронного коллайдера: Учебное пособие

Голосов: 1

В данной работе приведено описание подсистем детектора ATLAS, характеристик работы детектора и методов решения главных физических задач современной физики частиц, для которых предназначен этот детектор. Задача пособия предполагает продемонстрировать сложную многоступенчатую структуру соременного эксперимента физики частиц. Эта структура включает создание и поддержание работоспособности самых разных детектирующих подсистем детектора. Электронная версия пособия размещена на сайте Научно-технической библиотеки НИЯФ МГУ (<a href="http://lib.qserty.ru" target="_blank">http://lib.qserty.ru</a>).

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
                              12 Топ-кварк
         Топ-кварк (t) был открыт на Тэватроне в 1995г. С его
открытием были полностью сформированы три поколения
базисных частиц Стандартной модели и появилась новая область
физики частиц – физика топ-кварка. Топ-кварк рождается
преимущественно в адронных взаимодействиях и быстро
распадается, не успевая сформировать адронное состояние.
Распад топ-кварка происходит преимущественно по каналу
t→Wb, где W затем распадается на лептоны или адронные струи.
Большая масса топ-кварка ставит вопрос, обусловлена ли она
механизмом Хиггса Стандартной модели или имеет более
фундаментальное      значение   для   механизма    нарушения
электрослабой симметрии. Физика вне Стандартной модели
может с большой вероятностью проявиться как в процессах
рождения, так и распада топ-кварка. Дальнейшее продвижение
произойдет, когда будет накоплено большое количество пар топ-
кварков и станет возможным измерить поляризацию топ-кварка и
W-бозона, связанную с аномалиями Wtb вершины, редкие
распады топ-кварка, чувствительные к физике вне Стандартной
модели, или новые резонансы, распадающиеся с образованием
пар t-кварков.
         Ускоритель LHC будет фабрикой t-кварков. Миллионы
пар топ-кварков будут зарегистрированы в детекторе ATLAS при
интегральной светимости 10 фб-1, ожидаемая за первые годы
работы LHC. Регистрация топ-кварков включает в работу
практически все системы детектора.
         Большая энергия LHC позволит исследовать процесс
одиночного образования t- и анти t-кварков, осуществляемых
через механизм электрослабого взаимодействия, с высокой
точностью и исследовать Wtb вершину.
         В протон-протонных взаимодействиях LHC топ-кварк
образуется как в глюонном рассеянии, так и рассеянии кварка на
антикварке. Относительные вклады процессов зависят от энергии
и природы пучков: на LHC доминируют глюонные рассеяния
(90% событий), тогда как на Тэватроне преобладают рассеяния
кварков. Расчетное сечение рождения t-кварков на LHC
составляет 833±100 пб. Это соответствует образованию 83 тысяч
                             121


пар t-кварков на начальной интегральной светимости 100 пб-1,
или порядка 107 пар в год. Диаграммы образования t-кварков в
лидирующем порядке КХД приведены на рис. 12.1.




        Рис.12.1.   Диаграммы  образования  t-кварков    в
лидирующем порядке КХД : глюон-глюонное рассеяние (а), (b),
кварк-кварковое рассеяние (с).

        На рис.12.2 приведена схема распада tt – пары, где один
из W распался по адронному каналу с образованием двух струй,
другой по лептонному. Вероятность такого канала составляет
43,5%. В 10,3% случаев оба W распадаются по лептонному
каналу. В остальных 46,2% образуется состояние из шести струй:
четыре от распада топ-кварков и две от b-кварков. Первые два
типа распада предпочтительнее для выделения и анализа.




       Рис.12.2. Лептон-струйный канал распада tt – пары. За
лептоны здесь принимаются только мюон и электрон.



                             122


        В Стандартной модели существуют три механизма
одиночного рождения t-кварка. Диаграммы этих механизмов
приведены на рис.12.3. В t-канальный механизм дают вклад
слияние W и глюона и t-канальный обмен. Другие механизмы
составляют ассоциированное рождение W и t (Wt канал) и
рождение в s-канале. Сечение одиночного рождения t-кварка для
LHC оценивается в 320 пб (NLO, в следующем за лидирующим
порядке теории возмущений КХД).




       Рис.12.3. Диаграммы трех механизмов одиночного
рождения t-кварка в лидирующем порядке теории возмущений
КХД: t-канальный; Wt – ассоциированное рождение и s-
канальный.

         Монте-Карло моделированный набор событий рождения
tt –кварков производился генератором MC@NLO, где учитывался
вклад следующего за лидирующим порядка, фрагментация и
адронизация моделировались с HERWIG, а сопутствующие
события моделировались с помощью Jimmy. Применялись и
другие способы моделирования. Для моделирования одиночного
рождения t-кварка использовался генератор AcerMC матричного
элемента,    а   процессы     фрагментации     и   адронизации
моделировались с помощью PYTHIA. Отдельно моделировалось
много событий различных фоновых процессов.
         В качестве триггера образования t-кварка используются
триггеры на электрон, мюон, струю с большими поперечными
импульсами, а также большая недостающая поперечная энергия.
Большое количество объектов триггера делает выделение
событий с рождением топ-кварков эффективным.

                             123


        Целью LHC является измерение массы t-кварка с
точностью 1 ГэВ. Эти измерения предполагается выполнить в
трех струйном канале tt → lνb qqb, где требуемую точность
должно обеспечить измерение трех кварковых струй qqb. Для
этого нужно уметь надежно измерять энергии струй от легких
кварков (u, d, s и c) в области t-распада. На рис.12.4 показано
разрешение определения энергии струй легких кварков для
разных алгоритмов выделения струй. Результаты реконструкции
массы W по энергиям двух струй легких кварков приведены на
рис.12.5 для сигнальных и фоновых событий. Результаты
моделирования показывают, что массу W при распаде на два
легких кварка можно измерить надежно, трудность состоит в
правильном измерении струи b-кварка. Наиболее эффективным
представляется алгоритм выделения струи с малым радиусам
раскрытия R.




        Рис.12.4. Разрешение при определении энергии струй
легких кварков для разных алгоритмов выделения струй.




                             124


        Рис.12.5. Инвариантная масса двух струй, которые
отнесены к адронному распаду W. Сигнал и фон соответствуют
интегральной светимости 1 фб-1. Для реконструкции струй
использовался инклюзивный кт-алгоритм в Е схеме с радиусом
струи R=0,4. Точки соответствуют сигналу с фоном, нижняя
гистограмма относится к фоновым событиям.

        При     использовании      разработанных        методов
идентификации струй от b-кварков измерение массы топ-кварков
осуществляется с требуемой точностью. На рис.12.6 показан
спектр эффективных масс трех струй в событиях с tt , одиночным
топ-кварком и фоновыми событиями W+струя. На рисунке
справа те же события, но с условием ограничения массы W. Эти
данные позволяют определить сечение образования пар топ-
кварков на начальном этапе работы со статистической точностью
4,5% при интегральной светимости 100 пб-1. Систематическая
погрешность при этом составляет 4,9%.




                             125


Рис.12.6. Спектр эффективных масс трех струй в событиях с tt ,
одиночным топ-кварком и фоновыми событиями W+струя. На
рисунке справа (b)те же события, но с ограничением на массу W.

        Измерение сечения одиночного рождение топ-кварка в t-
канале и в Wt-канале станет возможным при интегральной
светимости в несколько фб-1. При светимости 10 фб-1
статистическая погрешность с определении сечения составит
20%. Для определения сечения рождения в в s-канале
потребуется большая светимость.
        На светимости 1 фб-1 детектор ATLAS может
исследовать свойства топ-кварка и возможный вклад физики вне
Стандартной модели. Прежде всего, будут выполнены прямые
измерения электрического заряда t-кварка. Он заключается в
определении взвешенной суммы зарядов всех адронов в струе b-
кварка:



                                              , где qi и pi -
заряд и импульс частиц струи, j – вектор направления оси струи,
k – коэффициент, оптимизирующий расчеты. Показано, что для
детектора ATLAS k=0,5.
        Другой способ определения заряда t-кварка основан на
определении заряда струи b-кварка через определение заряда
неизолированного лептона внутри этой струи. Этот лептон
преимущественно определяется типом распадающегося b- или
анти b-кварка, но могут быть отклонения, связанные с
осцилляциями нейтральных В-мезонов или присутствием в струе
D-мезона, который является продуктом распада В-мезона и
может образовать лептон другого заряда при своем распаде.

                             126


Экспериментальное значение заряда струи b-кварка путем
моделирования с учетом фоновых событий найдено равным
Qкомб= - 0,094 ± 0,0042 (стат.погр.). Распределение величин Qкомб
показано на рис.12.7.
         Заряд t-кварка определяется следующим образом. Заряд
b-кварка Qb = -1/3. используя реконструированный заряд b-струи,
можно определить калибровочный коэффициент Сb = Qb/ Qкомб =
3,54 ± 0,16. Тогда электрический заряд топ-кварка есть
Qt = Q( l+) + (Qb +)·Cb, где l+ - заряд лептона и Qb + - заряд
струи b-кварка. Для анти t-кварка эти заряды имеют
отрицательный знак. Реконструированные распределения
величины заряда t-кварка показаны на рис.12.7 (b).
Реконструированное значение модуля величины заряда t-кварка,
с учетом анти t, по этим данным составило Qt комб = 0,67 ± 0,06
(стат.) ± 0,08 (сист.). Таким образом, обеспечивается надежное
проведение измерений на интегральной светимости 1 фб-1.




Рис.12.7. Реконструированные распределения величины заряда
струи b-кварка (а) и t-кварка (b).

        Измерение поляризации W и t кварка в событиях с tt
парами кварков служит выяснению природы механизмов
образования и распада t-кварка и поиску новой физики за
пределами Стандартной модели. Информация о спинах W и t
определяется из угловых распределений продуктов их распада в
системе покоя W или t-кварка, соответственно. Расчеты
показывают, что точность от 1% до 5% в измерении поляризации
может быть достигнута при интегральной светимости 10 фб-1.

                              127


                       13 В-физика
        Программа В-физики ATLAS включает многие области
изучения физики тяжелых кварков. Измерения сечений рождения
как b и с-кварков, так и тяжелых кваркониев, J/Ψ и ϒ, служат
проверкой предсказаний квантовой хромонинамики (КХД). Будут
исследованы свойства семейства состояний В-адронов: В0d, B+,
B0s, Bc – мезонов и зарядово сопряженных им, В-барионов, и
слабых распадов В-адронов. В Стандартной модели соотношения
между кварками разных ароматов регулируются значениями их
масс и четырьмя параметрами матрицы Кобаяши-Маскава, или
СКМ - матрицы. При высокой энергии коллайдера существенно
возрастают сечения образования b-кварков. При планируемой
светимости коллайдера будет возможно набрать количество
событий, которое позволит улучшить результаты предыдущих
экспериментов. Если поиск новых частиц на коллайдере даст
непосредственные свидетельства новой физики, то измерения в
области В-физики должны дать дополнительные косвенные
свидетельства о существовании новой физики.
        Программу В-физики ATLAS планируется выполнять
при светимостях 1033 см-2 с-1 или меньших, в начальный период
работы ускорителя. При интегральной светимости 10 пб-1 при 14
ТэВ детектором ATLAS может быть зарегистрировано 1,3 · 105
событий, содержащих, например, распады J/Ψ→ёё, выделенные с
помощью триггера на мюоны с относительно низкими
поперечными импульсами. Такие события содержат J/Ψ-мезоны
как непосредственно рожденные в рр-взаимодействиях, так и от
распадов В-адронов.
        При интегральных светимостях до 100 пб-1 в области В-
физики будут рассматриваться задачи настройки Внутреннего
детектора и триггера мюонов и измерения основных сечений
рождения. К ним относятся измерения сечений прямого
рождения J/Ψ и ϒ, сечений непрямого образования J/Ψ через
распады В-адронов и сечений эксклюзивных каналов распадов
В+ → J/ΨК+, В0d → J/ΨК0*, B0s → J/Ψφ.
        При больших интегральных светимостях от 200 пб-1 до 1
фб -1
       количество событий В-физики, зарегистрированных
детектором ATLAS, будет сравнимо с их количеством,
                            128


накопленным на Тэватроне, или превысит его. Может стать
возможным улучшение измерения характеристик В-адронов и
измерение вероятностей редких распадов В-мезонов в случае,
если они превышают величины, предсказываемые в Стандартной
модели, том числе для очень редкого распада B0s → ёё.
        Наиболее важным периодом изучения В-физики должен
стать период интегральной светимости 10-30 фб-1, накопленной в
условиях светимости на уровне 1033 см-2 с-1. На этих данных
будет возможно провести широкий спектр исследований
вопросов рождения и распадов В-адронов, например, измерения
поляризации тяжелых кваркониев и Λb-адронов, осцилляций в
системе состояний B0s - B0s, измерения распада B0s → ёё.
        Измерения В-физики опираются на триггер первого
уровня L1, выделяющий два мюона или один мюон с поперечным
импульсом больше 4 ГэВ/с при светимости 1031 см-2 с-1 и больше
6 – 8 ГэВ/с при светимости 1033 см-2 с-1. Измерения на уровне
триггера второго уровня L2 позволяют более точно определять
пороги спектров мюонов и идентифицировать мюоны, совмещая
измерения в мюонном спектрометре и Внутреннем детекторе.
Сравнение измерений в мюонном спектрометре и Внутреннем
детекторе позволяет также подавлять фон мюонов от распадов К-
мезонов и пионов, происшедших во Внутреннем детекторе.
        Измерения и выделение эффективных масс и вторичных
вершин распадов В-адронов позволяют реконструировать
эксклюзивные каналы распадов В-адронов, в том числе на уровне
триггера отбирая пары мюонов с эффективной массой пары
мюонов, близкой массе J/Ψ или B0s. Распады В-адронов без
мюонов в конечном состоянии реконструируются по
характеристикам всех треков во Внутреннем детекторе при
начальной малой светимости и трекам в области интересов RoI,
сформированной по данным L1 калориметра, при более высокой
светимости.
        В анализе было использовано около 1 миллиона событий,
содержащих В-адроны и рассчитанных с помощью генератора
PYTHIA6.4 с использованием структурной функции CTEQ6L.
Результаты этих расчетов могут рассматриваться как достаточно
надежные для области фазового пространства, измеряемой
детектором ATLAS. Полученные значения сечений для энергии
14 ТэВ приведены в таблице 13.1 для процессов рождения пар b и
с-кварков и кваркониев J/Ψ и ϒ для порогов поперечного

                             129


импульса мюонов 4 и 6 ГэВ/с (ё4 или ё6 в таблице 13.1,
соответственно).


       Таблица 13.1.




       Прохождение частиц через детектор моделировалось
программой GEANT4, реконструкция распадов проводилась с
использованием алгоритмов математического обеспечения
ATLAS.

       Триггер В-физики

        Основным триггером В-физики является мюонный
триггер. Сигнал триггера первого уровня L1 поступает с
триггерных мюонных камер RPC и TGC. Аксептанс триггера
составляет по псевдобыстроте область |η| ≤ 2,4 и все значения
азимутального угла φ. Мюоны с относительно низкими
поперечными импульсами (4 – 6) ГэВ/с регистрируются по
совпадению сигналов в двух уровнях мюонных камер. Мюоны с
высокими поперечными импульсами (≥ 10 ГэВ/с) создают
совпадения во всех трех уровнях триггерных мюонных камер.
        Существует два алгоритма триггера двух мюонов для
регистрации состояний J/Ψ и ϒ на уровне триггера второго
уровня L2. Схемы обоих алгоритмов приведены на рис.13.1.
В первом варианте топологического триггера оба мюона
регистрируются триггером L1 со своими областями интереса RoI.
Во втором алгоритме поиск второго мюона проводится в области
RoI первого мюона среди треков во Внутреннем детекторе. Он
имеет преимущества в эффективности поиска второго мюона с
относительно низким поперечным импульсом (~ 4 ГэВ/с).


                            130



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика