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.
    Современные значения нижней границы для массы и времени
жизни с-лептонов составляют 101 ГэВ и 5 нс, соответственно.
        Под стабильными частицами здесь понимаются такие,
время жизни которых позволяет им вылететь за пределы
детектора ATLAS. Такие стабильные тяжелые с-лептоны могут
существовать в некоторых сценариях GMSB. Они образуют трек,
подобный треку мюона, но с большем временем полета до своего
распада. Мюонный спектрометр детектора ATLAS позволяет
измерять времена пролета с высокой точностью (σtof ≈ 0,7 нс), что
обеспечивает возможность прецизионного измерения массы для
медленных частиц. Критичным здесь является осуществление
триггера на такие частицы в условиях большой частоты
пересечений банчей в ускорителе. Более ранние эксперименты
установили нижнюю границу массы с-лептонов 105 ГэВ.
        Стабильный массивный суперсимметричный адрон (R-
адрон) предсказывается моделями Split-SUSY или сценарии
SUGRA моделей с гравитино в качестве LSP. Сигнал R-адрона в
детекторе подобен сигналу с-лептона. Отличия составляют
множественные ядерные взаимодействия в детекторе до
достижения адроном мюонной системы. Эти взаимодействия
приводят к появлению в мюонной системе треков с большими
поперечными импульсами, у которых нет продолжения во
Внутреннем детекторе или знак электрического заряда трека
различается в мюонной системе и во Внутреннем детекторе.
Существующая нижняя граница масс для таких частиц составляет
200 ГэВ.




       Рис.15.7. Диаграмма распада самого легкого нейтралино
NLSP χ01 на гравитино G и фотон. Процесс возможен в модели
GMSB с N5=1 и малой величиной tanβ, когда нейтралино
                              201


является в основном фотино. В этом случае стандартный распад
SUSY скварков и глюино выглядит, как показано на диаграмме
χ01 → G γ. В ветви распада могут присутствовать струи.

       Для моделирования первого случая использовался
вариант модели GMSB с вероятностью распада легчайшего
нейтралино на гравитино и фотон ~ 97% и полное сечением
рождения SUSY составляет ~7,8 пб. После применения критериев
отбора распределение по числу фотонов с поперечным
импульсом рт > 20 ГэВ и |η| < 2,5 получено в виде,
представленном на рис. 15.8.




       Рис.15.8. См. текст.




                              202


       Рис.15.9. Значимость открытия на уровне 5σ в модели
GMSB SUSY в поле параметров Λ - tanβ для разных значений
интегральной светимости. Для области выше сплошной линии не
определено значимости в канале с регистрацией двух фотонов с
большими рт. Значимость сигнала определяется как Sig = S/ √B,
где S – число событий сигнала, B - число фоновых событий,
отобранных по критериям.

        Принцип регистрации фотонов от распада долгоживущих
суперсимметричных частиц в электромагнитном калориметре
показан на рис.15.10.




       Рис.15.10.Схема регистрации фотона        от   распада
долгоживущей суперсимметричной частицы χ01.
                            203


        Первый слой ЕМ измеряет величину η (кластер 1),
второй значения η и φ (кластер 2 на рисунке). Вектор фотона
реконструируется в плоскости (R-Z) и может быть
экстраполирован до пересечения с осью пучка в точке Z’. Каскад
такого фотона будет зарегистрирован большим количеством
ячеек, чем сигнал фотона из области столктовения пучков. В
случае, если нейтралино имеет среднее время жизни более 0,05
нс, его можно будет измерить по значению координаты Z’.
Поскольку нейтралино массивная частица, фотоны от её распада
будут приходить в ЕМ калориметр позже, чем фотоны от
взаимодействия первичных протонов. Измерение этого времени
также может служить для поиска таких «непрямых» фотонов.
        Моделировались      два    метода     измерения      –
пространственная реконструкция и временной сигнал. Оба
метода    модельно    зависимы,    требуют    дополнительной
калибровки. При обнаружении сигнала совместное их
использование может установить границы областей параметров
моделей.

        Тяжелый заряженный с-лептон l существует в разных
моделях. Моделирование выполнено для модели GMSB SUSY,
где при больших значениях tanβ присутствует NLSP с-лептон l ,
слабо связаный с гравитино. Его скорость значительно меньше
скорости света β < 1. Импульсный спектр, а следовательно и β, l
частиц является модельно зависимым. В случае большой
скорости β такие частицы неотделимы от мюонов. При малых β <
1 их можно выделить в детекторе. Компоненты детектора ATLAS
привязаны к моменту пересечения банчей BCID в
предположении, что скорости рожденных частиц близки к
скорости света β≈1. Сигналы медленных частиц в детекторе
могут быть потеряны в детекторе или отнесены к другому
моменту пересечения BCID. Для выделения таких событий
должен быть разработан специальный триггер и система сбора
данных.
        Модельные события соответствовали GMSB точке 5 с
параметрами: Λ=50 ТэВ, Мт=250 ТэВ, N5=3, tanβ= 5, знак(ё)=+,
Сграв=5000. В этой точке массы скварков и глюино составляют
около 700 ГэВ, масса нейтралино 114 ГэВ, τ и l имеют массы 102
и 100 ГэВ, соответственно. Сечение в этой точке 23 пб, τ и е, ё

                             204


являются со-NLSP частицами и образуются в распадах χ0 → l l.
Вследствие малого различия масс нейтралино и с-лептона, l и
лептон примерно коллинеарны. Распределения по рт (слева) и по
скорости β для l и сопровождающего лептона (мюона) в
модельных событиях показаны на рис. 15.11.




       Рис.15.11. См. текст.

         Для того, чтобы расширить характеристики событий,
соответствующих GMSB5, были использованы события с τ, с
разными β и равномерно распределенные по псевдобыстроте.
Split-SUSY события с долгоживущими глюино массой 300 и 1000
ГэВ также использовались для анализа.
          На рис.15.12 показано распределение по массам событий
GMSB5, отобранных разработанным триггером L2 (темная
область), вместе с распределением фоновых мюонов (пунктирная
гистограмма). Сумма распределений показана сплошной
гистограммой. Количество событий соответствует светимости
500 пб-1.




                               205


       Рис.15.12. См. текст.

        Точности, достигнутые при реконструкции событий с
медленными частицами GMSB5 (с помощью алгоритма
реконструкции мюонов MuGirl), показаны на рис. 15.13.
Тяжелые долгоживущие с-лептоны могут быть измерены в
детекторе ATLAS, если они существуют, уже на начальной
интегральной светимости эксперимента.




        Рис.15.13. Разрешение при измерении скорости β и массы
с-лептонов GMSB5.

                               206


               Поиск R-адронов в детекторе ATLAS.

       Стабильные цветные адронные состояния с большой
массой предсказываются многими моделями SUSY. Анализ
выполнен для R-адронов, образованных или стабильными глюино
Rg или стоп Rt в рамках модели Split-SUSY (stop NLSP/gravitino
LSP, стоп NLSP/гравитино LSP сценарий), но может быть
применен и для других сценариев.
       Диаграммы рождения Rg или Rt в лидирующем порядке
приведены на рис.15.14.




Рис. 15.14. Диаграммы рождения Rg или Rt в лидирующем
порядке.

Рассеяние R-адронов в веществе было учтено в помощью
GEANT4. Типичные потери энергии во взаимодействиях R-
адронов невелики, порядка нескольких ГэВ на взаимодействие,
поскольку только легкий кварк из состава R-адронов должен
взаимодействовать с веществом, оставляя тяжелый скварк или
глюино наблюдателем. Это означает, что доля R-адронов, которая
будет выделена триггером (β≥0,6) или остановится в детекторе,
пренебрежимо мала. В дополнение к энергетическим потерям,
особенностью R-адронов служит то, что они могут изменять
заряд или барионное число. Вследствие многократного рассеяния
в веществе Rg или Rt –адроны, не содержащие анти-стоп кварк, в
основном достигают мюонный спектрометр в виде барионов. Это
происходит из-за перехода мезонов в барионы, тогда как
обратный переход запрещен. Антибарионы, как ожидается,
должны активно аннигилировать в веществе и Rt –адроны,
содержащие анти-стоп кварк, достигают спектрометр в виде
мезонов.
        На рис.15.15 показаны спектры треков R-адронов для
разных масс и интегральной светимости 1фб-1. Как и следовало
ожидать, события сигнала имеют значительно более высокие

                             207


поперечные импульсы, достигающие величин ~1 ТэВ. Фоновых
события имеют более мягкие спектры.
        Дополнительная идентификация R-адронов возможна, в
частности, с помощью детектора переходного излучения TRT. На
рис.15.16 показано отношение числа сигналов TRT с высоким и
низким порогом, позволяющее выделять Rg-адроны с массой
1000 ГэВ, их распределение показано сплошной гистограммой.
Мюоны составляют фоновые события. Разные пороги (~200 МэВ
низкий и ~6,5 кэВ высокий) выделяют Rg-адроны, которые из-за
большой массы имеют ограниченные значения скорости β и,
соответственно, меньшее число сигналов переходного излучения,
выделяемых высоким порогом. Существуют также другие
особенности, позволяющие выделять треки R-адронов.




Рис.15.15. Распределения треков dn/dpt по поперечному импульсу
для рт > 50 ГэВ во Внутреннем детекторе (слева) и мюоном
спектрометре (справа). Верхние, средние и нижние рисунки,
соответственно, для Rg,      Rt –адронов и фоновых треков.
Распределения для разных масс R-адронов имеют масштабные
множители 10хn, приведенные на рисунках.

                             208


       Рис.15.16. Отношение числа сигналов TRT детектора
переходного излучения с высоким и низким порогом,
позволяющее выделять R-адроны (Rg).


        Результаты анализа показывают, что стабильные
массивные экзотические адроны (R-адроны)могут быть открыты
в детекторе ATLAS в диапазоне масс до 1 ТэВ при начальной
светимости 1фб-1.

       Общий анализ показал, что при начальной светимости
~1фб-1 детектор ATLAS сможет наблюдать многие эффекты
суперсимметричных     моделей,   если   они     существуют.
Разработанные для суперсимметричных моделей, методы анализа
могут выделить практически любые проявления новой физики за
пределами Стандартной модели.




                           209


                            Заключение

        В 2010 г. Большой адронный коллайдер ЦЕРН начал
систематическую работу по ускорению протонных пучков и их
столкновениях в точках расположения детекторов. Первые
данные для соударений протонов при энергии соударении 900
ГэВ и 2,36 ТэВ были получены уже в конце 2009 г. Эти самые
первые результаты могли сравниваться с существующими
данными ЦЕРНа для соударений протонов при 900 ГэВ и
данными Тэватрона, работающего при энергии соударений
протонов и антипротонов около 2 ТэВ. Следующий набор данных
с интегральной светимостью чуть выше 1 фб-1 будет получен в
течение 2010-2011гг. для взаимодействий протонов при энергии 7
ТэВ.
        Результаты, характеризующие детектор ATLAS и
систематизированные в труде CERN-OPEN-2008-020,относятся к
энергии соударений 14 ТэВ, проектной энергии Большого
адронного коллайдера LHC. Объем этого труда составляет более
1800 страниц и только малая часть результатов работ
сотрудничества ATLAS представлена в нем.
        Выше приведенные данные соответствуют результатам
этого труда и относятся также к энергии соударений 14 ТэВ.
Большая часть приведенных результатов может быть получена
при интегральной светимости 1 фб-1. Временные рамки
получения результатов составляют несколько лет, в зависимости
от того, при какой энергии и светимости будет работать
коллайдер. В перспективе планируется высокий темп накопления
статистики в десятки и сотни фб-1 за год. Результаты при энергии
7 ТэВ, если не приведут к открытию новых частиц, позволят
значительно расширить пространство исключенных параметров
моделей новой физики.
        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 современного эксперимента физики частиц. Эта
                             210



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика