Детекторный комплекс LHCb

    LHCb (Large Hadron Collider beauty experiment) − детекторный комплекс на LHC, оптимизированный для изучения B-мезонов. Основная задача LHCb − изучение нарушения CP-симметрии и редких распадов прелестных (beauty) и чармованных (charm) адронов. Интерес к нарушению CP-симметрии связан с тем, что современные оценки величины CP-нарушения не позволяет объяснить барионную асимметрию Вселенной (преобладание материи над антиматерией).
    При умеренной светимости в 2×10³² см^-2с^-1 в эксперименте на LHCb за год должно образовываться 10¹² b пар. Приблизительно такая светимость предпочтительна для LHCb, так как при этом будут доминировать события от одиночного начального pp взаимодействия при пересечении банчей. Загрузка детектора при этом будет относительно невысока и анализ событий проще. Светимость для LHCb может настраиваться изменением фокуса точки взаимодействия независимо от других детекторов.

Рис. 1. Схема ионопровода и детекторы LHCb.

   Детектор LHCb имеет вид конуса, на острие которого происходят столкновения встречных пучков. Он может отслеживать лишь те частицы, которые вылетают под небольшими углами от ~10 мрад до ~250 (~300) мрад. При больших энергиях b- и -адроны в основном вылетают в пределах такого конуса.
    Конструкции ионопровода для эксперимента LHCb уделялось особое внимание, так как измерения проводятся в области больших быстрот, где плотность частиц высока. Оптимизация конструкции и выбор материалов были выполнены таким образом, чтобы максимизировать прозрачность в области трекинговых камер и RICH-детекторов. Ионопровод (рис. 1) включает окно детектора VELO и четыре конические секции ионопровода, в трех первых, ближайших к точке столкновений, используется бериллий, в последнем − нержавеющая сталь. Бериллий был использован из-за его "прозрачности" для частиц, образующихся при столкновениях.

Рис. 2. Схема LHCb.

    Детекторный комплекс LHCb (рис. 2) состоит из вершинного локатора VELO; первого черенковского детектора RICH1; цюрихского трекера TT (Tracker Turicensis), который расположен между RICH1 и дипольным магнитом; второго черенковского детектора RICH2; трех секций трекеров T1-T3 и, расположеных между дипольным магнитом и RICH2, каждая секция состоит из внутреннего трекера IT (Inner Tracker), расположенного вблизи иоинопровода, и OT (Outer Tracker), Далее расположены электромагнитный ECAL и адронный калориметры (HCAL); перед ECAL расположены сцинтилляционн-падовый SPD и предливневый PS детекторы. Мюонная система состоит из четырех секций. Секция M1 расположена перед калориметрами, секции M2-M5 − после калориметров.

Трекинг

Вершинный детектор VELO

Рис. 3. Секции полупроводниковых пиксельных детекторов VELO.

   Ближе всего к месту столкновения расположен вершинный детектор VELO (VErtex LOcator). Задача VELO − идентифицировать b- и c-адроны. VELO измеряет расстояние между точкой столкновения (рождения b-, c-адронов) и точкой их распада на другие частицы. VELO позволяет восстановить положение вершины с точностью 10 микрон. Сложность заключается в том, что у b- и c-адронов малое время жизни и, соответственно очень короткий пробег, около одного мм. Поэтому VELO во время измерений должен находится в опасной близости к месту столкновения на расстоянии всего пяти миллиметров от оси пучка. Это расстояние меньше, чем требуется LHC во время инжекции. Для того, чтобы не "сжечь" детектор, во время "опасных" режимов работы коллайдера чувствительные элементы отодвигаются от оси пучка на безопасное расстояние (рис. 3а), а во время измерения устанавливаются в рабочее положение (рис. 3б). Детектор VELO находится внутри ионопровода.
    VELO состоит из секций кремниевых пиксельных детекторов, изготовленных в форме полукруга. Одна сторона секции позволяет измерять φ-координату, другая − r-координату.

Рис. 4. Схема детектора VELO.

Основная трекинговая система

Рис. 7. Основная трекинговая система LHCb.

    Задача трекинговой системы − эффективная реконструкция треков заряженных частиц и черенковских колец RICH-детекторов.
    Основная трекинговая система LHCb состоит из одной секции цюрихского трекера (TT), которая расположена между черенковским детектором RICH-1 и дипольным магнитом, и трех секций T1-T3, расположенных между магнитом и черенковским детектором RICH-2 (рис. 7). В ближней к пучку области секций T1-T3 − внутреннем трекере (IT) и в цюрихском трекере (TT) − используются микростриповые сенсоры. Во внешней области секций T1-T3 − внутреннем трекере (OT) − используются дрейфовые трубки.

Рис. 8. Секция кремниевого трекера LHCb.

    Кремниевый трекер (ST) состоит из цюрихского трекера (TT) и внутреннего трекера (IT). Стрипы в сенсорах TT и IT имеют ширину 200 мкм. Размеры  TT − 150см×130см, IT − 120см×40см. В каждой из четырех секций кремниевого трекера четыре детектирующих слоя. В первом и четвертом слое стрипы расположены вертикально, во втором и третьем слоях стрипы расположены под углами -5^о и +5^о к вертикали(рис. 8). Между двумя парами слоев (1,2 и 3,4) расстояние 27 см. Активная площадь TT около 8.4 м² и содержит 143360 стрипов, активная площадь IT − 4.2 м², содержит 129024 стрипа. Пространственное разрешение кремниевого трекера ~50 мкм.

Рис. 9. Расположение дрейфовых трубок в модуле внешнего трекера.

    Конструкция трех секций внешнего трекера (OT) модульная. Каждая состоит из 72 отдельных модулей. Модуль содержить до 256 дрейфовых трубок, расположенных в два слоя и наполненных смесью Ar (70%) и CO₂ (30%) (рис. 9). Также как во внутреннем трекере, во внешнем трекере есть четыре детектирующих слоя. В первом и четвертом слое стрипы расположены вертикально, во втором и третьем слоях стрипы расположены под углами ±5^о к вертикали. Полная активная площадь секции около 60 м². Пространственное разрешение, улучшенное измерением времени дрейфа, у внешнего трекера составляет около 200 мкм. Это хуже, чем у кремниевого трекера, но стоимость системы гораздо меньше. Использование дрейфовых трубок оправдано, когда необходимы большие активные площади, а плотность частиц не слишком высока.

Черенковские детекторы

Рис. 10. Схема черенковского детектора RICH-1.

    Система черенковских детекторов LHCb служит для идентификации заряженных частиц в диапазоне импульсов от 1 ГэВ/с до 150 ГэВ/с в области телесных углов 10-300 мрад. Для целей эксперимента в распадах прелестных адронов важно разделить пионы от каонов. При больших полярных углах импульсное распределение мягче, а при малых полярных углах − более жесткое, поэтому система идентификации частиц состоит из двух RICH-детекторов, чтобы охватить все распределение по импульсам. В LHCb установлен RICH-1, у которого радиаторами служат аэрогель и газ C₄F₁₀. RICH-1 обеспечивает идентификацию частиц в диапазоне от ~1 ГэВ/с до 60 ГэВ/с. В RICH-2 в качестве радиатора используется газ CF₄. RICH-2 обеспечивает идентификацию частиц в диапазоне от ~15 ГэВ/с до 100 ГэВ/с. Аэрогель, с его высоким показателем преломления, работает в области малых импульсов, перфторбутан (C₄F₁₀) − в области средних импульсов и тетрафторметан (CF₄) − в области больших импульсов.
   На рис. 10 показана схема черенковского детектора RICH-1.  Для того чтобы уменьшить область, в которой частицы могут взаимодействовать с материалом фотодетекторов, установлены дополнительные плоские зеркала. Использование дополнительных плоских зеркал позволило уменьшить "мертвую зону". Частицы, рождающихся при столкновениях в LHCb летят сквозь сферические зеркала. Чтобы уменьшить рассеяние, в RICH-1 используется специальные зеркала, изготовленные пластика, армированного  углеродным волокном (углепластика). В RICH-1 и в  RICH-2 для регистрации черенковского излучения используются гибридные фотонные детекторы Экранированные от магнитного поля магнита. На рис.11 показана схема RICH-2. На рис.12 показаны черенковские кольца от пионов и каонов в RICH-2.

Рис. 11. Схема черенковского детектора RICH-2.

Рис. 12. Черенковские кольца в RICH-2.

Калориметры

   В Калориметрической системе LHCb используется классическая структура − электромагнитный калориметр (ECAL) + адронный калориметр (HCAL). Исходя из задач эксперимента, жесткие требования предъявляются к идентификации электронов. Триггер нулевого уровня должен обеспечить режекцию 99% фоновых неупругих рр-взаимодействий. Это достигается путем отбора электронов больших поперечных энергии. Для режекции высокого фона заряженных пионов требуется продольная сегментация электромагнитного ливня, для чего служит предливневый детектор (PS), который установлен перед основным электромагнитным калориметром ECAL. Для режекции фона от π⁰-мезонов перед PS установлен сцинтилляционно-падовый детектор (SPD). Между SPD и PS детекторами расположен тонкий свинцовый поглотитель. SPD позволяет определить заряженная или нейтральная частица пролетает калориметр, PS позволяет определить это электрон, если частица заряженная, или фотон, если нейтральная. Заряженные частицы оставляют часть своей энергии в сцинтилляторе, нейтральные − нет.

Рис. 13. Боковые сегментации сцинтилляционного SPD,  предливневого PS детекторов и электромагнитного ECAL калориметра (слева); адронного калориметра (HCAL) (справа).

    Плотность потока частиц на поверхности калориметра меняется на два порядка. В связи с этим, для PS/SPD, ECAL и HCAL была использована переменная сегментация (рис. 13). В PS/SPD и ECAL − три секции: внешняя секция с ячейками 121.2 мм, средняя секция с ячейками 60.6 мм и внутренняя секция с ячейками 40.4 мм. В HCAL − две секции: внешняя секция с ячейками 262.6 мм и внутренняя секция с ячейками 131.3 мм.
    Во всех калориметрах ультафиолет от сцинтилляторов поглощается, переизлучается в видимую часть спектра и переносится к ФЭУ спектросмещающими волокнами (WLS).
    В PS/SPD 3072 ячейки во внутренней секции, 3584 ячейки в средней и 5376 ячеек во внешней. В PS/SPD применяются мультианодные ФЭУ.

Рис. 14. Модули ECAL LHCb.

    Электромагнитный калориметр LHCb гетерогенный, типа "шашлык". В нем перемежаются сцинтилляционные (4 мм) и свинцовые (2 мм) пластинки. На рис. 14 показаны модули ECAL. Один модуль это стопки из 64 сцинтиллятор-свинец слоев. В стопках есть отверстия, через которые проходят спектросмещающими волокна. Длинна модуля 42 см, что соответствует 25 X₀, Радиус мольер стопки 3.5 см. В табл. приведены характеристики модулей ECAL.

 

Рис. 15. Схема адронного калориметра LHCb.

    Адронный калориметр LHCb (HCAL) − гетерогенный калориметр. В качестве абсорбера в нем используется железо. Особенностью этого калориметра является ориентация пластин сцинтиллятора, которые расположены параллельно оси пучка. В боковом направлении пластины сцинтиллятора перемежаются 1 см железными пластинами, в то время как в продольном направлении длины пластин сцинтиллятора и железа соответствуют длине адронного взаимодействия в стали. Свет собирается спектросмещающих волокнами, расположенными вдоль детектор по направлению к задней стороне, где находятся ФЭУ. Как показано на рис. 15, три сцинтилляционных пластины находятся в оптическом контакте с  волокнами, которые расположены вдоль торцов пластин.

Мюонная система

Рис. 16. Мюонная система, вид с боку.

    Реализация мюонного триггера, позволяющего отбирать события с достаточно большими поперечными импульсами и оффлайн идентификация мюонов являются фундаментальными требованиями эксперимента LHCb. Мюоны присутствуют в конечных состояниях многих чувствительных к CP-нарушению распадах B-мезонов, в частности в следующих распадах

→ J/ψ (μ⁺μ^-) и → J/ψ (μ⁺μ^-).

    Мюонная система состоит из пяти станций (M1-M5) прямоугольной формы, покрывая телесный угол ±300 мрад по горизонтали и ±250 мрад во вертикали. M1 находится перед PS/SPD, M2-M5 − после адронного калориметра (рис. 16). Общая площадь станций 435 м².
    В каждой станции четыре области R1-R4. Их гранулярность спроектирована с учетом плотности потока частиц в соответствующей области, так чтобы загрузка детекторов была приблизительно одинаковой. Гранулярность выше в горизонтальной плоскости, для того чтобы обеспечить точное измерение импульсов.
    Информация должна быть собрана в течение 20 наносекунд, поэтому детекторы оптимизированы по быстродействию. В мюонной системе используются многопроволочные пропорциональные камеры. Во внутренней секции (R1) станции M1, где плотность потока частиц максимальна используются трехкаскадные газовые электронные умножители, специально сконструированные для LHCb. В мюонной системе 1380 камер различного размера.

Рис. 17. Слева: вид спереди квадранта мюоной станции. Каждый прямоугольник представляет одну камеру. В каждой станции 276 камер. Справа: разбиение на логические пады четырех камер секций R1-R4 в станции M1. В каждой секции станций M2-M3 (M4-M5) количество падовых столбцов в камере в два раза больше (в два раза меньше) чем в соответствующей секции станций M1, а число строк такое же.

    Алгоритм триггера требует совпадения между всеми пятью станциями, поэтому эффективность каждой станции должна быть достаточно высокой, чтобы эффективность триггера была по меньшей мере 95%, в пределах временного окна <25 нс. Необходимое разрешение по времени обеспечивается быстрой газовой смесью − Ar/CO₂/CF₄ (40:55:5) в многопроволочных камерах (MWPC) и Ar/CO₂CF₄ (45:15:40) в газовых электронных умножителях (GEM) и оптимизацией в них геометрии сбора заряда.
    Кроме того, камеры состоят, в зависимости от станции, из четырех или двух газовых промежутков, сигналы от них поступают на схемы ИЛИ.  В станциях M2-M5 MWPC состоят из четырех газовых промежутков, образующих два чувствительных слоя с независимыми считыванием, включенных по схеме ИЛИ. В станции M1 камеры имеют только два газовых промежутка. В секции M1R1 используются две камеры GEM, включенных по схеме ИЛИ.

Рис. 18. Схема смешанного считывания с падов проволока-катод в камере M2R1. Показаны каналы считывания с двух проволочных и двух катодных падов. Совпадения от проволочного и катодного пада определяет логический пад. Они закрашены черным цветом.

    Все камеры сегментированы на физические пады. С каждого физический пада происходит считывание интерфейсным каналом электроники.
    Требование пространственного разрешения для секции R4 относительно скромные, поэтому считывание на отдельный канал происходит с нескольких смежных проволок. Длина анодной проволоки определяет пространственное разрешение по у. Проволоки расположены вертикально. Вертикальные размеры камер (20-30 см) определяются требованиями пространственного разрешения.
    В большинстве камер размер физического пада должен быть меньше, чем требуется для пространственного разрешения. В этих случаях организуется логический пад, когда к схеме ИЛИ подсоединяется до четырех смежных физических падов. Тем не менее, в секциях R1-R2 станций M2-M3 для достижения требуемого пространственного разрешения по x логические пады должны быть которые слишком маленькими, чтобы бы их практически можно было реализовать. В таких камерах используется тонкая проволока, определяющая разрешение по х, и бóльший катодный пад, определяющий разрешение по у. Сигналы от анодных проволок и катодных падов подаются на схемы И, формируя таким образом логический пад (рис.18).

Рис. 19. Вид спереди квадранта станций M2 и M3.

    В станции M1, где загрузка каналов высока, сигналы от логических падов поступают непосредственно в триггер и систему сбора данных. В большинстве других случаев сигналы от нескольких смежных логических падов поступают на схемы ИЛИ, формируя логические каналы в виде вертикальных и горизонтальных стрипов.  На рис. 19 показана сегментация станций M2 и M3 на сектора. В одной секторе каждой секции показаны горизонтальные и вертикальные стрипы. Бóльшие логические пады затем формируются пересечением двух пересекающихся стрипов. Сектор  секции R1 (R2, R3, R4) содержит 8 (4, 4, 4) горизонтальных стрипов и 6 (12, 24, 24) вертикальных стрипов.
    Вся мюонная система содержит 122112 физических каналов, которые через схемы ИЛИ преобразуются в 25920 логических каналов, которые связаны с триггером нулевого уровня и сбора данных. Соответствующие комбинации логических каналов в триггерах формируют 55296 логических падов, используемых для трекинга мюонов.

Рис. 20. Схема трехкаскадного GEM-детектора.

    Из-за большого потока частиц (до 500 кГц/см²) в M1R1 используются трехкаскадные газовые электронные умножители (GEM).  Каждая их 12 камер, с активной площадью 20×24 см² состоит из двух трехкаскадных GEM детекторов, из которых формируется два чувствительных слоя, которые включаются по схеме ИЛИ.

Литература

• И. Иванов. Детектор LHCb
• The LHCb Detector at the LHC
• The LHCb Detector
•  M. Ziegler, P. Sievers, U. Straumann. A triple GEM detector with two dimensional readout