Многоканальная система сбора временной и амплитудной информации детектора ТО эксперимента Alice (ЦЕРН, LHC)

По общепринятой в настоящее время гипотезе наша Вселенная была создана более 12 миллиардов лет назад во время так называемого «Big Bang» -«Большого Взрыва» [1]. В первые микросекунды после «взрыва» в экстремальных условиях, когда температура и концентрация энергии были чрезмерно высоки, возникла и существовала некоторое время особая форма материи. Эта материя состояла из кварков и глюонов, существовавших «свободно» в кварк-глюонной плазме (КГП) [2] на протяжении 10″ 5 с после «Большого Взрыва». КГП — термализованный газ кварков и глюонов, находящихся в состоянии деконфаймента, при котором характерные расстояния их перемещения составляли > 1 фм (это значение есть приблизительный радиус нуклона, в котором при обычных условиях «заперты» кварки).

Поискам кварк-глюонной плазмы было посвящено немало экспериментальных работ в ЦЕРН с конца прошлого века по настоящее время [3 — 8]. Был получен ряд экспериментальных указаний на возможность её существования, но решающих данных получено не было. Это связано в первую очередь с тем, что для надёжного обнаружения кварк-глюонной плазмы необходимо наличие целой совокупности признаков [9 — 23].

В 2000 — 2005 годах на ускорителе — коллайдере RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider) в Брукхейвенской национальной лаборатории поиску кварк-глюонной плазмы были посвящены четыре эксперимента: STAR, BRAMS, PHENIX и PHOBOS [24 — 27]. Было получено большое количество чрезвычайно интересных экспериментальных результатов, анализ которых не входит в задачу данного обзора. Однако отметим основные выводы, которые можно сделать из полученных результатов.

1. Одним из самых ярких экспериментальных наблюдений на RHIC является обнаруженное в центральных столкновениях ионов золота (Au+Au) подавление выхода адронов с большими поперечными импульсами по сравнению с нуклон-нуклонными взаимодействиями. Этот эффект, получивший название «гашение» струй (jet quenching), связывается с энергетическими потерями партонов в кварк-глюонной плазме, образованной в столкновении.

Струя — направленный поток адронов с большими поперечными импульсами — образуется в результате жёсткого взаимодействия партонов, входящих в состав сталкивающихся ядер. После рассеяния партоны обесцвечиваются в адроны. В случае, если партон проходит на своём пути ядерное вещество, то он, подобно заряженной частице в среде, теряет часть своей энергии.

Если взаимодействие партонов, приводящее к образованию струй, произошло на периферии объёма кварк-глюонной плазмы, то струя, проходящая в ядерной среде большее расстояние, должна подавляться.

Форма ядерной материи, возникающая в центральных столкновениях ионов золота (Au+Au) на коллайдере RHIC, оказалась почти совершенной кварк-глюонной жидкостью, вместо того, чтобы вести себя как газ свободных кварков и глюонов.

2. Распределения образованных в столкновении адронов по азимутальному углу являются очень важной характеристикой, поскольку они отражают коллективные свойства среды, формируемой в соударении. Дело в том, что анизотропия в азимутальном распределении создается за счёт анизотропии градиентов давления в поперечной плоскости в первые моменты после столкновения. В самом деле, если бы столкновение ядер сводилось к независимым столкновениям нуклонов, то не существовало бы и причин для появления такой анизотропии. Наличие анизотропии в азимутальном распределении позволяет сделать аргументированное предположение, что на RHIC формируется партонная материя в состоянии деконфайнмента, схожая по своим свойствам с идеальной (с исключительно малой вязкостью) жидкостью. Такая сильно-взаимодействующая партонная жидкость, получила название «sQGP» (strongly interacting quark-gluon plasma).

3. Материя, образованная на RHTC, характеризуется очень большими плотностями энергии, большим сечением взаимодействия, сильным коллективным движением, что подразумевает раннюю термализацию. Это состояние не описывается в рамках теории обычных цвето-нейтральных адронов, поскольку не существует самосогласованной теории материи, составленной из обычных адронов при измеренных плотностях.

Состояние кварк-глюонной плазмы, по-видимому, на RHIC не достигнуто, и надежды возлагаются на эксперимент ALICE, запуск которого запланирован к середине 2008 г.

ALICE (A Large Ion Collider Experiment) — один из четырёх крупных экспериментов, которые будут проводиться на строящемся коллайдере LHC (Large Hadron Collider — большой адронный коллайдер) в ЦЕРН [28].

Особенности эксперимента ALICE. Одной из важных задач установки ALICE [29−31] является регистрация частиц при взаимодействии тяжёлых ионов свинца, но предусмотрена и возможность регистрации частиц при столкновениях протонов.

Столкновение тяжёлых ионов на LHC будет производиться при энергии, превосходящей энергию коллайдера RHIC почти на два порядка, что даёт ряд преимуществ по сравнению с предыдущими экспериментами [32]:

— большие плотность энергии и температура образующейся ядерной среды;

— большее время жизни системы в фазе КГП;

— как следствие первых двух пунктов, больший, по сравнению с другими экспериментами, вклад эффектов, связанных с КГП, на фоне эффектов взаимодействия адронов в конечном состоянии;

— выход адронов с поперечными импульсами вплоть до -?7-~100 ГэВ/с;

— обильный выход частиц, содержащих с, b кварки, возможность исследования плавления Y (1S) состояния.

Экспериментальная программа ALICE весьма многообразна и включает в себя исследование [33]:

• глобальных характеристик столкновений, таких как множественность, поперечная энергия в центральной области быстрот;

• выхода странных частиц;

• образования струй;

• азимутальной анизотропии;

• образования (подавления) выхода кваркониев;

• рождения прямых фотонов и дилептонов;

• физики ультрапериферических столкновений.

Очевидно, особые усилия будут направлены на детальное изучение тех ярких эффектов, которые были обнаружены на SPS и RHIC.

Экспериментальные результаты, которые будут получены на LHC, без сомнения, позволят узнать больше о свойствах кварк-глюонной плазмы, и, подобно данным RHIC, поставят новые задачи перед научным сообществом.

Эксперимент ALICE, на самом деле, — это совокупность большого количества детекторов различного предназначения и различных возможностей. Как любой коллайдерный эксперимент, ALICE — это установка баррелыюго типа, размещённая внутри магнита-соленоида 14 м длиной и 14 м в диаметре с максимальной напряженностью магнитного поля 0,5 Тесла. Внутри магнита расположены детекторы [34 — 46], в частности, для восстановления траекторий и идентификации частиц в центральной области ALICE:

— Inner Tracking System (ITS — внутренняя трековая система) [34,47 — 50],.

— Time-Projection Chamber (TPC) — время-проекционная камера [35,51 — 55],.

— Transition Radiation Detector (TRD) — детектор переходного излучения.

37, 56, 57],.

— детектор TOF, основанный на методике идентификации частиц по времени пролета «Time-Of-Flight» [36, 58 — 61],.

— High Momentum Particle Identification system (HMPID) — детектор кольца черенковского излучения [38, 62 — 66],.

— Photon Spectrometer (PHOS) — электромагнитный калориметр [39, 67- 70].

Для идентификации заряженных частиц в области псевдобыстрот (-3,4 < г] <5,1) и выработки триггерного сигнала для других детекторов эксперимент ALICE будет содержать большое количество следующих детекторов, расположенных в области больших скоростей: детектор множественностиFMD [40], триггерный сцинтилляционный детектор V0 [40, 71] и стартовый тригерный детектор ТО [72 — 74]. Для более узкой области псевдобыстрот (2,3 < г) <3,5) будет использоваться: детектор множественности фотонов — PMD [44, 45] для измерения множественности фотонов и для регистрации нуклонов в ионных столкновениях — ZDC (Zero Degree Calorimeter) [41, 75 — 79] -калориметр, расположенный в области нулевого угла от оси пучка.

Среди большой совокупности детекторов ALICE особую роль играет стартовый триггерный детектор ТО. Этот детектор, несмотря на свои скромные по масштабам ALICE размеры, играет чрезвычайно важную роль.

1. ТО является стартовым детектором, формирующим точную временную отметку (сигнал «ТО») для времяпролётного детектора (TOF), осуществляющего идентификацию частиц по методу времени пролёта частиц (time-of-flight) от вершины события до TOF. Положение сигнала «ТО» на временной оси не должно меняться в зависимости от положения точки столкновения вдоль оси установки ALICE в диапазоне + 15 см.

2. Детектор ТО формирует триггерный сигнал запуска установки ALICE на нулевом уровне, а также пре-триггерный сигнал для детектора переходного излучения в случае, если положение точки столкновения (вершины события) лежит в заданных пределах. ТО одновременно дискриминирует фоновые события, возникающие при взаимодействии ускоренных ионов с остаточным газом внутри вакуумной трубы ускорителя вне области столкновения ионов.

3. ТО измеряет множественность события в ион — ионных столкновениях и вырабатывает один из трёх возможных триггерных сигналов, соответствующих центральным, полуцентральным и периферическим столкновениям.

Настоящая работа посвящена разработке и созданию электронной системы для сбора временной и амплитудной информации стартового триггерного детектора ТО, включая разработку, изготовление модулей быстрой front-end электроники, методику настройки и калибровки модулей, их интеграцию в единую систему, а также разработку и реализацию методики настройки всей системы как единого целого в условиях отсутствия реальных частиц с помощью системы лазерной калибровки.

Актуальность работы. Запуск ускорителя LHC планируется к середине 2008 года и в настоящее время в ЦЕРН полным ходом идёт строительство установки ALICE. На данной установке будут проводиться фундаментальные исследования по поиску и изучению новой формы ядерной материи — кварк-глюонной плазмы, которая, в соответствии с современными теоретическими представлениями, должна образовываться при столкновении встречных пучков тяжёлых ионов сверхвысоких энергий. Детектор ТО имеет важное значение для работы всей установки ALICE. Являясь триггерным детектором, именно ТО запускает всю систему регистрации и последующего анализа любого события.

Основной целью работы является разработка и создание многоканальной системы сбора временной и амплитудной информации для стартового триггерного детектора ТО на основе магнитостойких фотоумножителей, разработка методики её настройки, калибровки и введение в эксплуатацию.

Работа детектора ТО будет протекать в необычайно жёстких условиях, поскольку эксперимент ALICE предполагает исследования не только ионионных, но также и протон — протонных столкновений. Количество регистрируемых детектором частиц в одном акте столкновений варьируется от одной релятивистской частицы на один черенковский счётчик в протонпротонных столкновениях и до сотни частиц для центральных Pb-Pb столкновений. Так как в периферических ион — ионных столкновениях число вторичных регистрируемых частиц также мало и сравнимо с числом частиц в протон — протонных столкновениях, был подобран такой режим работы фотоумножителей черенковских счётчиков, который обеспечивает высокое временное разрешение детектора во всем диапазоне загрузок счётчиков.

Столкновение пучков протонов в ускорителе LHC будет происходить с периодом 25 наносекунд, поэтому система сбора первичной информации с фотоумножителей должна осуществлять обработку данных с частотой 40 МГц. Построить такую систему сбора данных из стандартных блоков электроники оказалось невозможным. Трудность задачи состоит в том, что следует обеспечить временное разрешение системы (включая вклад электроники) на уровне не более 50 пс в широком (1:100) динамическом диапазоне амплитуд сигналов, снимаемых с детектора. Дополнительная сложность в том, что мёртвое время любого электронного узла не должно превышать 25 не.

Поэтому создание и внедрение в эксперимент ALICE совершенно новых уникальных электронных блоков, таких, как модуля логического отбора сигналов OR, управляемых линий задержек DCDL-4, усреднителя временных интервалов «Mean Timer», являлось одной из основных задач данной работы. Главной же задачей была разработка оптимальной схемы для съёма и передачи временной и амплитудной информации в условиях жёстких ограничений, накладываемых экспериментом ALICE.

Научная новизна диссертационной работы.

Научная новизна диссертационной работы определена, с одной стороны, новыми физическими задачами и требованиями современных экспериментов, с другой стороны новыми техническими возможностями, в частности, разработанными в ЦЕРН новыми многоканальными ВЦП в микросхемном исполнении. Предложенная многоканальная система для сбора временной и амплитудной информации стартового триггерного детектора на основе черенковских счётчиков (состоящих из кварцевых радиаторов и магнитостой-ких фотоумножителей с сетчатыми динодами) является новой и оригинальной.

Впервые разработана и реализована пикосекундная система сбора и обработки временной и амплитудной информации, имеющая разрешающее время (сигма) лучше 50 пс, мёртвое время — менее 25 не, широкий динамический диапазон амплитуд (1:200) и позволяющая осуществлять запись информации в едином временном формате. Впервые предложен и реализован метод измерения амплитуды путём преобразования амплитуды во временной интервал с помощью двух дискриминаторов — с постоянным порогом и со следящим порогом, позволяющий осуществить преобразование амплитуды во временной интервал на фронте входного сигнала, то есть за время не более двух наносекунд. Впервые предложен и аппаратно реализован метод формирования временной отметки по первому из пришедших на вход устройства отбора 12 входных сигналов от фотоумножителей, позволяющий отобрать первый из пришедших сигналов с точностью 25 пикосекунд.

Проведено моделирование методом Монте-Карло, которое показывает при данных энергиях пучка и принятой геометрии расположения черенковских счётчиков возможность применения метода усреднения временных интервалов, что позволяет получить точность временной отметки события около 20 пс (уменьшить разброс на порядок) — это подтверждено экспериментально. Впервые в коллайдерном эксперименте будет применён метод усреднения временных интервалов, реализованный в модуле «Mean Timer».

Уникальная система сбора и обработки временной и амплитудной информации потребовала разработки оригинальных методов её настройки и калибровки, которые были реализованы в эксперименте в ЦЕРН летом 2007 года, что позволило подготовить систему к интеграции непосредственно в установку ALICE.

Практическая значимость работы. Разработана и реализована методика построения системы сбора временной и амплитудной информации стартового триггерного детектора ТО, который является важной составной частью установки ALICE. Именно он вырабатывает сигнал триггера нулевого уровня, запускающий всю установку. Он определяет с высокой точностью момент столкновения частиц, задавая тем самым стартовый сигнал для одной из систем идентификации вторичных частиц — времяпролётной системы. Кроме того, он вырабатывает пре-триггерный сигнал, подготавливающий к работе детектор переходного излучения. В пределах своего аксептанса он определяет уровень множественности вторичных частиц. Наконец, он вырабатывает основные триггерные сигналы запуска установки в целом, являясь в этом смысле ключевым элементом всего эксперимента ALICE.

Апробация работы. Результаты, полученные в диссертации, неоднократно докладывались и обсуждались на собраниях коллаборации ALICE в ЦЕРН в 2005, 2006 гг, публиковались в препринтах ALICE Internal Note, докладывались на научных сессиях МИФИ в 2004 — 2007 гг, публиковались в трудах научной сессии МИФИ, на международной конференции IEEE в Риме в 2004 г.

Объём и структура диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка цитируемой литературы. Общий объём диссертации содержит 115 страниц, включая 68 рисунков, 3 таблицы и список литературы из 118 наименований.

Основные выводы диссертации.

1. Разработана и реализована методика построения многоканальной системы сбора временной и амплитудной информации с черенковских счётчиков стартового триггерного детектора ТО эксперимента ALICE. Система электроники детектора ТО отличается малым мёртвым временем (менее 25 не), пикосекундным временным разрешением (сигма лучше 50 пс), работает в широком (1:200) динамическом диапазоне амплитуд.

2. Разработана и отлажена методика настройки и калибровки всей многоканальной системы стартового триггерного детектора ТО с помощью лазерной системы калибровки. Выработан окончательный алгоритм настройки детектора ТО при работе на ускорителе.

3. Рассчитана вероятность выработки триггерных сигналов детектором ТО как в штатной, так и во внештатных ситуациях (при выходе из строя до 6 счётчиков детектора). В ходе моделирования была отработана методика и программа расчётов, которая позволяет оперативно вычислить вероятность при отказах фотоумножителей, что важно в условиях отсутствия свободного доступа в экспериментальную зону ALICE.

4. Расчёты временных характеристик детектора ТО методом Монте-Карло подтвердили, что скорости первых пришедших на черенковские детекторы частиц равны скорости света. Таким образом, обоснована применимость метода усреднения временных интервалов. Действительно, усреднение временных интервалов практически полностью устраняет зависимость момента появления основного физического сигнала «ТО» от координаты точки столкновения. «Хвост» распределения, создаваемый более медленными частицами, пренебрежимо мал (менее 1%).

5. В процессе калибровки уникального модуля — усреднителя временных интервалов «Mean Timer», разработанного при непосредственном участии автора, было установлено, что изменение положения физического сигнала «ТО» не превышает + 20 пс (в пределах 4а, соответствующих сдвигу вершины события 23 см). Полученные характеристики разработанного модуля полностью удовлетворяют требованиям эксперимента.

6. Для обеспечения регистрации только первых пришедших частиц был изготовлен и испытан электронный модуль логического отбора OR, имеющий 12 входов (по числу черенковских счётчиков в каждой сборке). Основные особенности и отличия от похожих изделий: а) модуль работает по передним фронтам сигналов, что обеспечивает временное разрешение, недостижимое при применении стандартной аппаратуры, б) модуль имеет мёртвое время меньше 25 не (работает на частоте до 40 МГц).

7. Разработан и оттестирован блок управляемых по магистрали VME линий задержек DCDL-4. Разработка является уникальной в своем роде, среди номенклатуры промышленных изделий подобный модуль отсутствует. Результаты анализа полученных данных показали, что отклонения от линейности характеристик не превышают ± 12 пс, а вносимый во временное разрешение тракта вклад DCDL-4 не превышает 10 пс. Таким образом, полученные результаты удовлетворяют основным требованиям эксперимента ALICE.

8. Экспериментально обоснован выбор формирователей временной отметки со следящим порогом CFD 454 фирмы CANBERRA и формирователей с постоянным порогом — дискриминатора LED V895.

9. Разработан и опробован метод преобразования амплитуды во временной интервал с помощью двух формирователей CFD 454 и LED V895. Метод позволяет преобразовать амплитуду во временной интервал за рекордно короткое время: не более 1,5−2 не.

10. Изложены методы применения амплитудно-временной коррекции online и off-line. После проведения амплитудно-временной коррекции было получено временное разрешение ФЭУ с формирователем CFD 454, равное 33 пс во всём диапазоне входных амплитуд.

Благодарности.

В заключении хотелось бы поблагодарить людей, без участия которых настоящая работа не была бы выполнена.

Особую и глубокую благодарность хотела бы выразить моему научному руководителю, заведующему кафедрой «Экспериментальных методов ядерной физики» МИФИ, доктору физико-математических наук Григорьеву Владиславу Анатольевичу. Спасибо за помощь в решении возникающих проблем, за понятные и полные ответы на все мои вопросы.

Хотелось бы выразить огромную благодарность старшему преподавателю кафедры «ЭМЯФ» Логинову Виталию Александровичу за массу полезной и интересной информации, за неоценимую помощь в освоении программных комплексов разработки принципиальных схем и топологии печатных плат, за ежедневные и своевременные ответы на все мои вопросы.

Также хотелось бы выразить огромную признательность к. ф.-м. н. Каштану Владимиру Александровичу, который заложил основы моей научной деятельности, за ценные советы, за помощь в работе с приборами и экспериментальными установками.

Хочу выразить признательность всему коллективу кафедры «ЭМЯФ», научившим меня не только теоретическим наукам, но и умению работать самостоятельно. Огромное спасибо всем за дружественную атмосферу и поддержку.

Огромное спасибо и искренняя благодарность преподавателю кафедры «Физики элементарных частиц», к.т.н. Канцерову Вадиму Абдурохмановичу за полезные советы и замечания, сделанные в процессе работы над диссертационной работой, за поддержку и понимание.

Сотрудничество с ЦЕРН позволило оттестировать разработанные блоки электроники, провести неоднократные испытания системы сбора временной и амплитудной информации с детектора ТО и получить первые калибровочные данные.

Большое спасибо за помощь в работе и сотрудничество коллегам из ИЛИ, г. Троицк.

Отдельное спасибо за помощь в освоении программ моделирования в AliRoot структуре А. Богданову и К. Лапидусу.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.