Эксперимент TOTEM

    Эксперимент TOTEM (Total elastic and diffractive cross-section measurement) предназначен для измерения полного протон-протонного сечения, методом основанным на оптической теореме, который требует отдельного измерения упругого и неупругого сечений. В программе эксперимента также планируется изучение упругого рассеяния с большими  переданными импульсами, что позволит лучше понять структуру протона. Кроме того, в сотрудничестве с экспериментом CMS намечено изучение  неупруго-дифракционного рассеяния протонов − процесса, при котором один или оба протона от удара «разваливаются» на несколько адронов, но в целом продолжают лететь вперед. Наконец TOTEM позволяет мониторировать светимость LHC.
    Детекторы TOTEM состоят из детекторов неупругого рассеяния (T1 и T2) и детекторов упругого рассеяния (RP). Они расположены симметрично по обеим сторонам от точки взаимодействия (ТВ) и центра детекторного комплекса CMS. Трековый детектор − "телескоп" T1 состоит из двух плечей, расположенных на расстоянии ±10 м от точки взаимодействия покрывает диапазон псевдобыстрот 3.1 ≤ η ≤ 4.7. Плечи телескопа T2 расположены на расстоянии ±14 м от точки взаимодействия и покрывают диапазон псевдобыстрот 5.3 ≤ η ≤ 6.5.


Рис. 1. Размещение детекторов неупругого рассеяния T1 и T2.

Четыре станции детекторов RP (Roman Pots) расположены на расстояниях ±147 м и ±220 м от точки взаимодействия. Они позволяют измерять дифференциальное сечение упругого рассеяния dσel/dt вплоть до значений квадрата 4-импульса |t| ≈ 10-3 ГэВ2, который соответствует углу рассеяния 5 мкрад. Для измерений при минимально возможных углах вылета, была реализована специальная оптика пучков.


Рис. 2. Размещение двух станций детекторов упругого рассеяния RP.

Детекторы неупругого рассеяния T1 и T2

    Телескопы T1 и T2 обеспечивают триггер для дифракционных событий и реконструкцию вершины взаимодействия, что позволяет отсечь фоновые события.
    Каждое плечо T1 состоит из пяти плоскостей катодных полосковых (стриповых) камер (см также CSC в CMS и CSC в ATLAS). В каждой плоскости шесть камер, каждая из которых охватывает примерно около 60° по φ.
В каждой камере, считывающие стрипы двух катодных плоскостей находятся под углами ± 60° по отношению к анодным проволокам. Это дает возможность измерения трех координат для каждого трека. Чтобы улучшить распознавание треков, плоскости повернуты на 3° по отношению друг к другу.


Рис. 3. Одно плечо телескопа T1 (слева), ориентация стрипов и проволок (справа).


Рис. 4. GEM для детектора TOTEM.

    В телескопе T2 используются трехкаскадные газовые электронные умножители (GEM). Газовые электронные умножители сочетают хорошее пространственное и временное разрешение, а также высокую стойкость к радиации.
    Каждое плечо T2 состоит из двух наборов 10 детекторных плоскостей почти полукруглой формы, смонтированных на каждой стороне вакуумной трубы. Чтобы избежать потери эффективности на границах, угловой охват каждой половины плоскостей составляет более 180°. Считывание с полуплоскостей из трехкаскадных GEM осуществляется двумя отдельными слоями с различными структурами: один состоит из 256 концентрических колец, 80 мкм шириной и с шагом 400 мкм, что обеспечивает хорошую точность определения радиальной координаты трека, а другой, представляет собой матрицу из1650 падов размером от 2×2 мм2 до 7×7 мм2  и используется для запуска.

Детекторы упругого рассеяния. Roman Pots (Римские горшки)

Рис. 5. Вакуумные камеры RP, в которых размещены горизонтальный и вертикальные горшки и монитор положения пучка (BPM − Beam Position Monitor).

    Научные задачи стоящие перед экспериментом TOTEM требуют, чтобы чувствительная область детектора находилась максимально близко к пучку (~1 мм). Для этого были разработаны римские горшки. Римские горшки − специальные вставки в ионопровод (рис. 5), которые позволяют установить детекторы очень близко к пучку, не нарушая высокий вакуум в ионопроводе. Детекторы устанавливаются в цилиндре (горшке). Объем цилиндра изолирован от объема ионопровода с его сверхвысоким вакуумом тонким окном. Окно должно быть тонким, чтобы минимизировать взаимодействие с ним регистрируемых протонов. С другой стороны, оно должно выдерживать разность давлений. Была выбрана толщина ~150 мкм, материал − нержавеющая сталь.
    Каждый модуль RP состоит из трех горшков, двух вертикальных и одного горизонтального. На LHC в общей сложности было установлено восемь идентичных модулей или 24 отдельных горшка. Два модуля образует станцию (station). Горизонтальный горшок в каждом модуле, расположенный на внешней стороне кольца LHC, служит двум целям. Во-первых, он служит для регистрации дифракционно рассеянных протонов. Во-вторых, используя треки, пересекающие области перекрытия между вертикальным и горизонтальным детекторами, и тот факт, что три РП вместе с монитором положения пучка жестко закреплены в модуле можно точно определить положение всех детекторных плоскостей  по отношению друг к другу и к положению центра пучка. На внутренней стороне кольца LHC детектор не требуется, так как там могут быть только фоновые протоны.

Рис. 6. Схемы расположения детекторов в модуле RP  (слева). Станция RP (справа)

    Каждый горшок оснащен стеком из десяти пластин кремниевых стриповых детекторов. Каждая пластина представляет собой квадрат, у которого срезан один угол. Срезанной кромкой эта пластина подводится близко к пучку. Детекторы были разработаны так, чтобы минимизировать нечувствительную зону на этой кромке (“edgeless”-технология). От срезанного края пластины до чувствительной области всего 50 мкм. Пластины установлены парами. У одной пластины стрипы ориентированы под углом от +45о по отношению к кромке, обращенной пучку, а у следующей пластины − под углом -45о, (координаты u и v соответственно). В каждой пластине 512 стрипов с шагом 66 мкм. Пространственное разрешение меньше 20 мкм.

Литература

На головную страницу

Рейтинг@Mail.ru