Детектор CDF

Анастасия Битюцкая

Детектор CDF

CDF (Colider Detector at Fermilab run II) -это соленоидальный детектор общего назначения, расположенный на коллайдере Tevatron. Детектор включает в себя точную систему трекинга заряженных частиц, калориметры, а также мюонные детекторы с высокой разрешающей способностью.

Рис. 1. Детектор CDF

В научные задачи CDF входит:

изучение и измерение массы тяжёлых частиц, таких как t и b кварки, а также W и Z бозоны;
изучение высокоэнергичных струй частиц и фотонов;
поиск событий, не описываемых Стандартной Моделью;
изучение других явлений, например дифракции.

Наиболее существенное открытие, совершённое на CDF – экспериментальное открытие и измерение массы top-кварка в феврале 1995 года.

Система трекинга

Эффективная и точная система трекинга заряженных частиц – основа системы анализа данных CDF. Трекинг заряженных частиц в колайдере Теватрон необходим, в частности для:

эффективного и точного определения импульса частиц;
возможности совмещать треки с информацией от ЭМ калориметров и мюонных камер для идентификации электронов и мюонов;
точного определения прицельного параметра и эффективного восстановления треков в плотных джетах;
в комбинации с данными от ЭМ калориметра, для идентификации фотонов.
точного определения точки взаимодействия, для возможности регистрации множественных взаимодействий.

Система трекинга находится в сверхпроводящем соленоиде 1.5 метра радиусом и 4.8 метра длиной. Соленоид создаёт магнитное поле с индукцией 1.4 Тл параллельное оси пучка. Калориметрические и мюонные системы расположены вне соленоида.
В систему трекинга входит "Центральный трековый детектор" (COT), который эффективен при реконструкции треков при псевдобыстроте |η| ≤ 2. При бОльших η работает "Кремниевый трековый детектор".

Рис. 2. Система трекинга

Кремниевый трековый детектор (SVX II & ISL).

Первый детектор на пути рождённых при столкновении частиц – кремниевый. Он представляет собой семь концентрических кремниевых цилиндров, вплотную расположенных вокруг ускорительной трубы. Внутренний слой касается ионопровода, а самый внешний (ISL – Intermediate Silicon Layer) расположен в 28 сантиметрах от него. Частицы могут проходить сквозь все семь слоёв кремния, оставляя след из ионов и электронов в каждом слое. Таким образом, возможно восстановить путь частицы, попавшей в детектор. Для определения заряда частицы и её импульса кремниевый детектор расположен в магнитном поле. При этом путь более лёгких и менее энергичных частицы искривляется сильнее, поэтому по радиусу кривизны, возможно определить массу и энергию частицы, что позволяет идентифицировать частицы, рождённые при соударении протона и антипротона в детекторе. Благодаря высокой точности детектора он позволяет установить, пришла ли частица из точки первоначального соударения, или является продуктом распада другой частицы.
Заряженная частица, проходя через слои детектора, ионизирует атомы кремния. Появившиеся в кремнии электроны под действием приложенного поля смещаются к положительно заряженной кромке пластины (рис. 3). Их энергия передаётся по вытравленным в кремнии контактам к считывающей электронике, которая фиксирует сигнал о пролетевшей частице.

Рис. 3.

Центральный трековый детектор (Central Outer Tracker – COT)

Так же как и кремниевый детектор, СОТ фиксирует трек проходящих через него заряженных частиц. Но вместо кремния в СОТ используется дрейфовая камера, заполненная смесью аргона и этана, которую пронизывают десятки тысяч проволочных электродов. В камере присутствуют положительные и отрицательные проволочные электроды, между которыми и создаётся электрическое поле. При прохождении заряженной частицы образовавшиеся ионы смещаются к отрицательным электродам, а электроны к положительным, с которых и снимаются данные. Плотность электродов очень высока, поскольку это напрямую влияет на производительность детектора – расстояние между проволоками составляет всего 3,56 мм при площади детектора 3 м². Кремниевый детектор и СОТ выполняют одинаковую функцию, однако газовые детекторы гораздо дешевле полупроводниковых. Поэтому в области более удалённой от точки столкновения, где нет необходимости в высокой точности, используется большой газовый детектор СОТ.

Магнит

Следующим слоем после СОТ располагается соленоидальный магнит. Этот магнит создаёт поле, заполняющее весь объём СОТ и кремниевого детектора. По направлению изгиба траектории и её радиусу кривизны определяются заряд и импульс пролетевшей частицы. Чем выше импульс, тем меньше изгиб. Магнит представляет собой соленоид, провод которого сделан из сверхпроводника, охлаждённого до температуры жидкого гелия (4,7 К). Магнитное поле создаётся пропусканием через соленоид тока в 5000 А. Индукция поля составляет 1.4 Т и во включённом состоянии магнит давит на стенки детектора с силой более 600 тонн. Длина соленоида составляет 4,8 м, а его радиус 1,5 м.

Калориметр

    Внутренние детекторы фиксируют только заряженные частицы. Калориметр позволяет измерить энергии частиц вне зависимости от того заряженные они или нейтральные. Калориметр настолько велик, что не имеет смысла создавать единый детектор. Поэтому калориметр представляет собой ряд клиньев, которые плотно расположены вокруг СОТ и магнита. Каждый клин имеет длину около 2,4 м и сочетает в себе сразу два детектора. Первый из них – электромагнитный калориметр, который измеряет энергию лёгких частиц, таких как электроны и фотоны. Он представляет собой слои свинца, чередующиеся со слоями пластикового сцинтиллятора. За ним расположен более крупный адронный калориметр, измеряющий энергии адронов. В нём между слоями сцинтиллятора вместо свинца применяется сталь.
    Когда высокоэнергичная частица налетает на слой свинца или стали, она образует ливень менее энергичных заряженных частиц. Которые, при столкновении со свинцом, в свою очередь создают ещё менее энергичные ливни. Когда образовавшиеся частицы проходят сквозь сцинтиллятор, их энергия преобразуется в свет, фиксируемый электроникой.
    Калориметры особенно полезны для регистрации нейтральных частиц, проходящих сквозь детектор. Однако, и заряженные частицы регистрируются в калориметре. Чтобы их различать используются данные с трековых детекторов. Если к точке события в калориметре ведёт трек от внутренних детекторов, значит, это заряженная частица. А если ионизационные трековые детекторы ничего не зафиксировали, а калориметр сработал, значит это нейтральная частица.
    Возможность измерения энергии каждой частицы необходима для определения масс таких частиц как t-кварк или W и Z бозонов. Также представляет интерес «потерянная» энергия, когда суммарная энергия образовавшихся частиц не равна энергии столкновения. Помимо слабовзаимодействующих нейтрино энергия может уноситься пока неизвестными частицами, поиск которых производится.

Мюонные детекторы

Регистрация мюонов необходима, поскольку некоторые более тяжёлые частицы могут распадаться с образованием мюонов. Определяя время и место рождения мюонов можно узнать, являются ли они продуктом распада редких тяжёлых частиц.
Мюонный детектор состоит из двух частей. Мюонные дрейфовые камеры, расположенные на внешних границах детектора работают также как СОТ – каждая камера представляет собой газонаполненный алюминиевый цилиндр с проволочным электродом внутри. Между проволокой и цилиндром прикладывается разность потенциалов, и камера работает по принципу газовой камеры. Мюонные детекторы отделены от центральных частей детектора стальной защитой. Поэтому дрейфовые камеры регистрируют не все заряженные частицы, а в основном высокоэнергичные мюоны, поскольку лишь они способны проникнуть через стальную защиту. Дрейфовые камеры позволяют точно измерить положение мюона, однако из-за продолжительного времени ионизации газа они не способны с достаточной точностью определить время, когда мюон проходит сквозь камеру. Поэтому за дрейфовыми камерами располагаются слои сцинтиллятора, с помощью которого определяется момент пролёта мюона.