Содержание к диссертации
Введение
1. Конструкция передних калориметров CMS 10
1.1. Общее описание усіановки CMS 10
1.2. Система триггера и сбора данных в эксперименч е CMS . 13
1.3. Принцип действия и устройство передних калориметров . 14
1.4. Электроника считывания передних калориметров 26
2. Радиационная стойкость кварцевых волоконных световодов 29
2.1. Методика облучения волоконных свеюводов 31
2.2. Методика измерения оптического поглощения 32
2.3. Результаты измерений оптического поглощения 36
2.3.1. Волокна с высоким содержанием ОН 36
2.3.2. Волокна с низким содержанием ОН 40
2.3.3. Кварц-пластиковые волокна 43
2.3.4. Сравнение прямых и свернутых образцов 44
2.3.5. Изменение прозрачности световодов после облучения . 45
2.4. Апертура световодов 47
2.5. Сравнение с результатами других работ и выводы 49
3. Свойства и рабочие характеристики переднего калориметра 52
3.1. Тестовый пучок 52
3.2. Измерение и калибровка сигналов калориметра 53
3.3. Калибровка фоюу множителей и удельный световыход калориметра 57
3.4. Пространственная однородность 60
3.5. Отклик калориметра на электроны и заряженные 7г-мезоны . 64
3.6. Энергетическое разрешение 73
3.7. Угловые зависимости 78
3.8. Поперечная форма ливней и утечки 82
3.9. Отклик калориметра на мюоны 83
3.10. Энергетическое разрешение для адронных струй 91
4. Заключение 93
А Радиационные дефекты в кварцевых стеклах 97
Список литературы 99
- Система триггера и сбора данных в эксперименч е CMS
- Электроника считывания передних калориметров
- Изменение прозрачности световодов после облучения
- Отклик калориметра на электроны и заряженные 7г-мезоны
Введение к работе
В 2007 году в ЦЕРН планируется ввести в эксплуатацию Большой Ад-ронный Коллайдер (LHC), который (начиная с 2008 года) обеспечит проюн-протонные сі олкновения с суммарной энергией в системе центра масс 14 ТэВ, что в семь раз превышает энергию протон-ангипротонных столкновений на действующем в настоящее время коллайдсре Tevatron (Лаборатория Ферми, США). Светимость в номинальном режиме работы LHC должна составить L = 1034 см~2с-1, что в 50 раз больше светимости доступной на ускорителе Tevatron. Интервал между последовательными ел олкновониями пучков будет составлять 25 не, при этом ожидается в среднем около 20 протон-проюнных неупругих взаимодействий при каждом столкновении пучков. Такие рабочие характеристики открывают' новые возможности для исследований в области физики высоких энергий, но вместе с тем предъявляюг более жесткие требования к физическим установкам и системам сбора данных.
Установка CMS (Compact Muon Solenoid) [1, 2] являє і ся детектором общего назначения для исследования процессов, происходящих при ел олк-новении ироюнов (а также тяжелых ионов) высокой энергии на ускорителе LHC. Одной из главных целей эксперимента CMS является изучение механизма нарушения симмеїрии электрослабых взаимодействий, который ответственен за наличие массы у леїгюнов, кварков, W и Z-бозонов. Эта цель подразумевает следующие основные задачи [3]:
открыть или исключить существование бозона Хиггса стандартной модели или семейства бозонов Хиггса в суиерсимметричных моделях;
открыть или исключить суперсимметрию в диапазоне масс вплоть до нескольких ТэВ;
открыть или исключить сильные (непертурбативные) взаимодействия калибровочных бозонов при энергиях масштаба 1 ТэВ (техницвег и другие модели).
На настоящий момент нижнее ограничение на массу хиггсова бозона стандартной модели составляет 114,4 ГэВ и было получено в экспериментах по прямому поиску бозона на электрон-позитронном коллайдере LEP в ЦЕРН [4]. Оптирование стандартной модели к совокупности данных различных экспериментов позволяет также установить косвенным образом верхний предел на массу частицы Мц < 194 ГэВ [5]. Определенные ограничения на массу частицы Хиггса следуют также из требований внутренней согласованности теоретической модели: для того чтобы чеория возмущений оставалась применимой в стандартной модели при энергиях масштаба ~ 1 ТэВ, масса бозона не должна превышать <~ 700 ГэВ [6, 7, 8\. Установка CMS должна обеспечить возможность открытия частицы во всем диапазоне масс, начиная от нижней экспериментальной границы 114,4 ГэВ и вплоть до максимальных значений ~ 700 ГэВ.
На рис. 1 представлены основные каналы для поиска хиггсова бозона стандартной модели в эксперименте CMS [9]. В зависимости от массы частицы наиболее перспективными оказываются поиски бозона Хиггса в распадах II —> 77> Н —> ZZ —» 4/* и Я —> WW —* l+i>l~~P, что требует от экспериментальной установки в первую очередь надежной идентификации фотонов, электронов и мюонов с хорошим пространственными и энергетическим (или импульсным) разрешением в диапазоне псевдобыстрот \т]\ < 2,5
(псевдобыстроюй называется величина rj = — lntg^, где 0 — полярный угол, отсчитываемый ог оси пучков). Для последнего из приведенных выше процессов критически важным является измерение дисбаланса поперечной энергии, называемого также недостающей (или поіерянной) поперечной энергией Elss, связанного с двумя нейтрино, которые не регистрируются непосредственно детектором. Измерение потерянной поперечной энергии необходимо и для выделения других процессов, которые имеют энергичные нейтрино в конечном сосюянии (например, Я —» WW —» lujj). Другим примером, где важна регистрация потерянной энергии, является поиск су-персиммегричных частиц, таких как слептоны, скварки и глюино. Распады этих частиц порождают каскады, которые в случае сохранения R-чегности всегда содержат наилегчайшую суперчастицу (LSP). Такие частицы не взаимодействуют с детектором и поэтому также генерируют потерянную поперечную энергию. Для измерения Ess с достаточной точностью необходимо избежать существенных утечек поперечной энергии в неинструментирован-ные области зксперименіальной установки, что требует калориметров с покрытием псевдобыстрогы вплоть ДО |7^| «5 [10].
Помимо измерений поіерянной поперечной энергии калориметрическое покрытие большого диапазона псевдобыстрот необходимо для регистрации передних гпаггирующих струй, которые сопровождают процесс рождения бозона Хиггса при слиянии промежуточных бозонов (см. рис. 2). Эффективная идентификация 'таких струй в зксперименіальной установке позволяет достичь существенного подавления фонов и тем самым обеспечивает дополниіельньїе каналы для поиска хиггсовой частицы [11, 12, 13, 14]. Как видно из рис. 1 наиболее обещающими из них являются каналы qqH —> qqrr и qqH —> qqWW —* qqlvqq.
Область псевдобыстрот 3 < \q\ < 5, называемая также передней областью установки, характеризуется значительно более высокими поюками ча-
ф о
(С
.910 СО
т 1 г
CMS, 30 fb
\.
\
Н-*/-/ cuts
Н-*/у opt
H-*ZZ-vU
. H-*WW-*2I2y qqH, H->WW-*l\]j
qqH, H~>rwl+)et
qqH, H-»/y
MH,GeV/c2
Рис. 1. Значимость экспериментального сигнала в различных каналов поиска бозона Хиггса в твисимости от массы частицы для интегральной светимосіи 30 fb-1. Дли капала Н—> 77 отдельно показаны ре5ультаты анализа, основанною на простом оіборе событий по нескольким величинам ("cuts"), и анализа с применением нейронных соїей ("opt").
-—н
Рис. 2. Диаграмма рождения бозона Хиггса при слиянии W-бозонов (левый рисунок). Рассеянные кварки имеют поперечный импульс рт ~ т\у/2 и проявляются в виде характерных струй в передней области установки. Распределение таких струй но псевдобыстроте показано на правом рисунке.
стиц и энергии в сравнении с центральной обласіью (областью малых исев-добысгрог), что существенно ужесточает требования к усшнавливаемым в этой области детекторам в отношении радиационной стойкости и чувствительности к наведенной радиоактивности. Требование надежной работы в условиях высокой радиации (вплоть до 1 Град за десять лет работы установки) делают переднюю область недоступной для калориметров, изготавливаемых по многим традиционным технологиям, например, для калориметров с применением органических сцинтилляторов, которые используются в установке CMS в обласги |т;| < 3. Для создания радиационно стойких калоримеїров в передней области в эксперименте CMS была выбрана технология с использованием в качестве активного вещества кварцевых волоконных световодов. Принцип действия таких калориметров основан на регистрации черепковского излучения частиц, рожденных в электромагнитных и адрон-ных ливнях. Данная диссертация посвящена исследованиям радиационной стойкости кварцевых световодов для передних калориметров CMS и измерению рабочих характеристик модулей переднего калориметра на тестовых пучках.
Работа еоеюит из введения, трех основных глав, заключения и приложения. В первой главе дано краткое описание экспериментальной установки CMS, обсуждаются основные требования, предъявляемые к передним калориметрам, затем подробно описаны конструкция и принцип работы этих детекторов. Во второй главе представлена меюдика и результаты исследований радиационной стойкости кварцевых волоконных световодов с целью их использования в качестве активной среды передних калориметров. Третья глава посвящена энергетической калибровке и исследованиям характеристик передних калоримеїров на тесювых пучках электронов, 7Г-мезонов и мюонов высоких энергий. Дано описание экспериментальной усіановки и процедуры измерений, приведены результаты измерения однородности и
линейности отклика, энергетического разрешения, поперечного профиля отклика и прочих харакіеристик детектора. В заключении кратко изложены основные результаты исследований и выводы. В приложение приведен краткий обзор известных центров окраски, которые могут возникать в кварцевом стекле под воздействием ионизирующих излучений.
Основное содержание диссертации опубликовано в работах [15, 16, 17, 18]. Результаты работы докладывались автором на конференциях "9th Annual RDMS CMS Conference" в Минске (2004) и "9th International Conference on Advanced Technology and Particle Physics" в Комо (2005), а также на рабочих собраниях группы адронного калориметра CMS в ЦЕРНе.
Система триггера и сбора данных в эксперименч е CMS
Общий вид эксперимента CMS показан на рис. 3. Продольное сечение установки с обозначением отдельных элементов деіектора изображено на рис. 4. Основу экспериментальной усіановки составляет сверхпроводящий соленоид длиной 13 метров с внутренним диаметром 5,9 метров, создающий внутри установки магнитное поле с индукцией 4 Тесла. В ярмо магнита (YB и YE) интегрированы четыре слоя мюонных станций, ч-іо должно обеспечить надежную идентификацию мюонов в области т/ 2.4. Центральные мюонные станции (MB) состоят из нескольких слоев алюминиевых дрейфовых трубок, а в торцевых сіанциях (ME) используются катодные стриповые камеры. В обоих случаях станции дополнительно оснащены резистивными плоскими камерами, которые обеспечивают быстрый отклик с хорошим временным разрешением, но имеют более грубое пространственное разрешение.
Внутри соленоида располагаются внутренний трековый деіектор и калориметрическая система. Трековый детектор имеет длину 5,8 метров и внешний диаметр около 2,5 метров, и включает в себя десять слоев кремниевых микрострииовых деіекторов, которые обеспечат эффективную регистрацию траекторий заряженных частиц и измерение их импульсов в области псевдобыстрот ?7І 2.4. В состав трековой системы также входят три слоя кремниевых пиксельных деіекторов, расположенных в непосредственной близости от точки взаимодействия (первый слой находиіся на расстоянии 4,4 см от оси пучков), что должны улучшить точность измерения координат вюричных вершин.
Калориметрическая система детектора CMS в области \ 3 сосит из электромагнитных калориметров (цилиндрическая часть ЕВ и два диска ЕЕ) и адронных калориметров (НВ и НЕ). В качестве активного элемента в электромагнитных калориметрах используются сцинтиллирующие кристаллы вольфрамата свинца (PDWO4). Эти кристаллы характеризуются короткой радиационной длиной (XQ =0,89 см) и небольшим радиусом Мольера (2,2 см), а также достаточным запасом радиационной стойкости, что позволило создать компактный электромагнитный калориметр с достаточной гранулярностью. Излученный свет детектируется лавинными фотодиодами (APD) в ЕВ калориметре и вакуумными фототриодами (VPT) в ЕЕ калориметрах. Для лучшего разделения одиночных фотонов и 7Г мезонов перед ЕЕ калориметрами дополнительно установлен предливиевый детектор. Электромагнитный калориметр окружен адронным калориметром, который состоит из чередующихся пластин органического сцинтил-лятора и латунного поглотителя. Свет, выделяемый сцинтилляционными пластинами при похождении частиц, собирается с помощью внедренных в них сиектросмещающих волокон (WLS световодов), коюрые в свою очередь соединяются с гибридными фоюдиодами (HPD) посредством пластиковых волоконных световодов. Сцинтилляционные пластины образуют проекционные башни (с вершиной в номинальной точке взаимодействия пучков), при эгом поперечные размеры башен составляют An х Аф = 0,087 х 0,087 в центральной части деіекчора (ф — азимутальный угол огноси іелно оси пучков), а при \т]\ 1,7 используеіся более грубая сегментация: Аф — 0,175 и 0,09 Лгу 0,22. Для детектирования продольных утечек адронных ливней в центральной области применяется так называемый внешний калориметр, который представляет собой один или два слоя сцинтиллятора, помещенных за обмоткой магниіа. Описанная выше калориметрическая система дополняется передними калориметрами (HP), которые располагаю і ся вне соленоида (на расстоянии 11 метров с каждой сгороны от номинальной точки взаимодействия) и расширяют область калориметрического покрытия CMS до п « 5. Конструкция и принцип действия передних калориметров подробно описаны в последующих разделах.
Электроника считывания передних калориметров
Известно, что стекла из чистого плавленного кварца обладают высокой прозрачностью в области видимого и ультрафиолетового излучения вплоть до 200 нм. Оптическое поглощение в этой области спектра в значительной степени определяется наличием посторонних примесей и молекулярных образований. Волоконные световоды кроме сердцевины из чисго кварца имеют свеюотражаюпгую оболочку, чей показатель преломления должен быть меньше показателя преломления сердцевины. Для эюго в состав оболочки вводятся дополнительные примеси, или же оболочка изготовляется из полимерных материалов, что также оказывает влияние на прозрачность световодов. При рабо і е калориметра в условиях высоких радиационных нагрузок в волокнах накапливаются радиационные дефекты, возникающие в результате разрыва химических связей под действием потоков вторичных частиц, образующихся в калориметре. Эги дефекты вызывают дополнительное оптическое поглощение в наблюдаемой области спектра. Краткий обзор извесіньїх центров окраски (дефектов решетки и молекулярных образований) в кварцевых сіеклах приведен в Приложении А.
Результаты исследований, опубликованных в работе [23], показали, что после облучения до 50-80 Мрад волоконные световоды, изготовленные из кварцевого сіекла, способны сохранять прозрачность в диапазоне видимого света в принципе достаточную для использования таких волокон в качестве активной среды переднего калориметра CMS. Однако для окончательного выбора технологии переднего калориметра требовались исследования радиационной сюйкосги световодов при дозах облучения вплоть до 1 Град. Представленные в данной рабо і е измерения проводились для нескольких типов световодов, изготовленных по стандартным технологиям и подвергнутых высоким дозам облучения (от 10 Мрад до 1 Град) 7-квантами от источника 6()Со. Волокна отличались по присутствию групп ОН в кварцевом стекле, а также технологией изготовления стекла и самих волокон. Характеристики исследованных световодов приведены в Таблице 1.
В качестве основной характеристики радиационной стойкости кварцевых волокон были измерены спектры оптического поглощения при различных дозах облучения. Так как энергетическое разрешение рассматриваемого калориметра в значительной степени определяется количеством собранного свега, а интенсивность черенковского излучения dN/dX растет обратно пропорционально квадрату длины волны, есіествешю желание использовать свет в области коротких волн. С другой сюроны, при длинах волн менее 200 нм в кварцевых волокнах любых типов наблюдается сильное поглощение. Позі ому измерения проводились в области длин волн от 200 до 700 нм.
Образцы волоконных световодов длиной три метра, свернутые в бухты диаметром 290 мм, а также в виде прямых кусков длиной 280 мм помещались в конверты из алюминиевой фольги толщиной 150 мкм. Конверты укладывались внутрь герметичного контейнера из нержавеющей стали, представляющего собой цилиндр с внутренним диаметром 295 мм и высотой 120 мм. Контейнер помещался в радиационную установку GUG-120-M Института физической химии РАН. Схема установки приведена на рис. 14а. Черными кружками обозначены кобальтовые сіержни диаметром 12 мм и длиной 4G0 мм. Цифрами отмечено расположение деіекторов дозиметрического сопровождения СО-ПД/Ф/150 ГСО 4447-88, в коюрых поглощенная доза измерялась по изменению оптической плотности рабочего вещества детектора, прямоугольником показано положение контейнера с облучаемыми образцами внутри радиационной установки. На рис. 146 изображено дозное поле внутри установки по оси 1-5, которое было практически однородными в месте облучения образцов Процесс облучения проводился в подводном положении кобалыовых источников и исследуемых образцов. Средняя мощность дозы в процессе облучения составляла 640 рад/с с точностью около 20%. Образцы получили интегральную дозу 10, 57,100, 680 и 1000 Мрад. Через 2-3 часа после извлечения образцов из радиационной усіановки проводились спектральные измерения оптического поглощения на спектрометре Института радиотехники и электроники РАН. Чтобы изучить долговременные изменения оптического поглощения, измерения повюрялись через несколько суток.
Измерение оптического поглощения проводилось на установке, схема ко юрой приведена на Рис 15. В качестве исі очника 1 оптического излучения в диапазоне 200-500 нм использовалась дейтериевая лампа, а в диапазоне 500-700 нм — лампа накаливания. Пройдя через светофильтр 2 и механический модулятор 3, свет поступал в исследуемый световод 4, который в зависимости от используемой меюдики пристыковывался либо к опорному световоду 6 с помощью стыковочного устройства 5, либо непосредственно ко входу спектрального измерительного комплекса 7(КСВУ-22). Промодулированный ошический сигнал на выходе измерительного комплекса де актировался фотоприемником 8 (ФЭУ-100) и поступал на синхронный усилитель 9. Сигнал с выхода усилителя оцифровывался при помощи АЦП 10, информация с которого передавалась в персональный компьютер 11, управляющий измерительным комплексом. Стыковка исследуемого волокна 4 с опорным волокном 6 осуществлялась с применением иммерсионной жидкости.
При измерениях применялись две методики. Первая - с использованием опорного световода 6, необлученного, того же типа, что и исследуемый свешвод 4г заключалась в том, что записывался спектр излучения іі(А), прошедшего через оба волокна. Затем исследуемый свешвод убирался, а вход опорного световода подключался к исіочнику 1 іем же способом, каким перед этим был подключен исследуемый световод. Записывался спектр оптического излучения /2(A), прошедшего чеперь только через опорный световод. Спектр поіерь А(Х), дБ/м, или коэффициент поглощения, вычислялся по формуле
Изменение прозрачности световодов после облучения
Все описанные в этой главе измерения проводились при высоком напряжении на фотоумножителях HV=1350 В, при котором коэффициенты усиления составляли в среднем около 2, 5 105. Измерение сигналов производилось посредством электроники, которая будет применяться для считывания калориметра в эксперименте CMS (см. раздел 1.4.). Сигналы фотоумножителей интегрировались в последовательных интервалах длительностью 25 не и оцифровывались посредством специализированных АЦП (QIE), имеющих нелинейную функцию отклика. При этом чувствительность QIE сооколо 2,6 фКл на один отсчет при измерении малых зарядов и угрублялась по мере увеличения сигнала. При обработке данных оцифрованный сигнал приводился к линейному относительно входного заряда, для чего использовались известные таблицы огклика QIE. В качестве единицы измерения линеаризованного сигнала использовался один отсчет QIE при измерении малых зарядов, т е. 2,6 фКл; такие единицы назывались линеаризованными отсчетами (или каналами) QIE. Оцифрованные сигналы записывались для 20 последовательных интервалов с момента прихода триггерного сигнала. Пример оцифрованного сигнала показан на рис. 29. В первых пяти интервалах наблюдается пьедестал, соответствующий нулевому входному заряду (около 4 каналов QIE), тогда как основная часть сигнала приходится на шестой временной интервал. Из-за отсутствия синхронизации между пролетом пучковой частицы и таймером QIE фаза сигнала (задержка сигнала относительно начала интервала интегрирования) произвольно менялась от события к событию, в результате чего для разных событий пик сигнала мог приходиться как на шесюй, так и на седьмой интервал интегрирования. Чтобы избежать потерь, в качестве полного сигнала в каждом канале считывания бралась сумма сигналов в шпом, шестом, седьмом и восьмом интервалах. Для оценки пьедестала использовалась сумма сигналов в первых четырех интервалах, усредненная по 10000 событий для каждой отдельной экспозиции.
Для частиц определенной энергии средняя амплитуда отклика калориметра, измеренная в каналах QIE, сильно варьируется между ячейками калориметра, что объясняется в первую очередь большим разбросом в коэффициентах усиления ФЭУ, а также различиями в квантовой эффективности фоюкаюдов и эффективности свеюсбора в самом калориметре. Чтобы привести отклик калориметра к единой шкале, для каждой ячейки необходимо ввести собственный калибровочный коэффициент, на который будет умножаться измеренный в этой ячейке сигнал. Выравнивание откликов различных ячеек калориметра определяет калибровочные коэффициенты с точностью до общего множителя (шкалы огклика). Естественным образом зафиксировать общую шкалу отклика можно потребовав, чтобы средняя амплитуда отклика равнялась энергии падающей частицы. Здесь следует отметить, что отклик калориметра на основе кварцевых волокон зависит от типа часгиц, причем для адронных частиц зависимость отклика от энергии является нелинейной. Поэтому шкала отклика, устанавливаемая подобным образом, вообще говоря, зависит от типа и энергии частиц, используемых для калибровки калориметра. Так как отклик калориметра на адронные струи также имеет нелинейную зависимость от энергии струи, выбор пжалы отклика не имеет принципиального значения — в любом случае для струй потребуюіся дополнительные поправки, зависящие от реконструированной энергии. Поэтому выбор типа и энергии частиц для калибровки калориметра определяйся прежде всего практическими соображениями.
В случае адронных ливней небольшие поперечные размеры модуля калориметра приводят к значительным утечкам сигнала, которые сильно зависят от точки попадания частицы в калориметр. Чтобы снизить влияние утечек, энергетическая калибровка различных каналов считывания производилась с помощью электронов. К йому же электронный отклик калориметра прямо пропорционален энергии частицы (см. раздел 3.5.), поэтому полученная в результате такой калибровки шкала сигнала (называемая электромагнитной шкалой) не зависит от энергии используемых электронов.
Для определения калибровочных коэффициентов использовалась следующая процедура. Вся передняя поверхность модуля облучалась широким пучком электронов (5 см х 5 см) с шагом в 2,5 см между последовательными положениями пучка относительно калориметра, что позволяло достичь достаточно однородного распределения частиц по поверхности деіекюра. Угол наклона модуля по отношению к оси пучка составлял 2 на протяжении всей процедуры сканирования поверхности. Энергия электронов составляла 100 ГэВ. Для всех частиц, попавших в башню г вычислялись средний отклик сегмента с длинными волокнами А и средний отклик сегмента с короткими волокнами f в башнер. За іем требовалось, чтобы полный отклик всего модуля (для длинных волокон) равнялся энергии электронов: поскольку при равных коэффициентах умножения ФЭУ средний отклик сегмента с короткими волокнами на электрон с энергией 100 ГэВ составлял 30% от отклика сегмента с длинными волокнами.
Описанная выше процедура калибровки полностью учитывает утечки энергии в соседние башни. Для снижения влияния поперечных утечек за пределы модуля из процедуры калибровки исключались события, в которых точка попадания частицы в калориметр находилась ближе 2 см от края модуля, или расстояние от нижней границы инсірументированного обьема (внешний радиус калориметра) составляло менее 5 см. Для остальных событий применялась небольшая поправка на утечку сигнала за пределы модуля.
Отклик калориметра на электроны и заряженные 7г-мезоны
На этапе разработки технологии для создания радиационно стойких передних калориметров для усіановки CMS были проведены исследования радиационной сюйкооти кварцевых волоконных световодов. В процессе исследований были измерены спектры оптического поглощения и апертура кварцевых волоконных световодов нескольких типов, подвергнутых облучению 7_квантами от радиоактивного источника 60Со. Дозы облучения составляли 10, 57, 100, 680 и 1000 Мрад. Результаты измерений показали, что определенные типы кварцевых волокон обладают радиационной стойкостью достаточной для их использования в качестве активной среды передних калориметров CMS.
Принципиальные свойства кварцевого калориметра были изучены на примере нескольких прототипов, что позволило оптимизировать конструкцию калориметра. По окончании сборки несколько модулей переднего калориметра были протестированы на пучках частиц высокой энергии с целью калибровки и измерения характеристик реальных калориметров, которые будут использоваться в эксперименте CMS. В ходе пучковых испытаний получены следующие результаты: Разрабоїан меюд энергетической калибровки модулей переднего калориметра на пучке электронов. Шесть модулей калориметра были откалиброваны этим методом, чгю обеспечивает основу для переноса калибровки на весь калориметр путем измерения отклика детектора на радиоактивный источник или путем учета поправок на различия в коэффициентах усиления ФЭУ. Произведена калибровка фотоумножителей по положению однофото-электронного пика, что позволило измерить световыход калориметpa. Удельный свотовыход в среднем составил 0,28 фотоэлектронов на 1 ГэВ поглощенной энергии (в электромагнитной шкале). При эюм разброс значений свеювыхода для разных ячеек калориметра составил 11,5%. Измерена зависимость отклика калориметра от энергии электронов в диапазоне от 30 до 150 ГэВ и от энергии 7Г -мезонов в диапазоне от 30 до 300 ГэВ. Для электронов отклик сегмента с длинными волокнами линеен с точностью до 1%, в то время как удельный отклик сегмента с короткими волокнами растет с увеличением энергии падающих частиц, что связано с увеличением глубины проникновения электромагнитных ливней. Отклик калориметра на 7г""-мезоны в сегменіе с длинными волокнами существенно ниже отклика на электроны и к тому же заметно нелинеен, что является следствием сильной некомпенсированное калориметра. Для суммы сигналов с обоих сегментов калориметра отношение откликов 7г/е близко к единице в измеренном диапазоне энергий. В измеренном диапазоне энергий энергетическое разрешение калориметра хорошо аппроксимируется суммой стохастического и постоянного членов и при сложении сигналов двух сегментов составляет а/Е= 198%/у/Ё08,5% для электронов и а/Е = 279%/\/0 11,4% для 7г-мезонов при падении частиц под углом 0 = 3,2 относительно направления волокон. Электромагнитное разрешение определяв і ся в основном статистическими флуктуациями числа фотоэлектронов и конструктивными неоднородное тями калориметра. Из-за нескомпен-сированности калориметра адронное разрешение имеет значительный вклад от флуктуации доли электромагнитной компоненты в адрон-ных ливнях, который становится доминирующим при энергиях порядка 100 ГэВ и выше. На примере нескольких модулей была измерена пространственная неоднородность отклика калориметра. Помимо осцилляции отклика, связанных с конструктивными особенносіями калориметра, были выявлены неоднородности, связанные с неидеалыюстыо сборки детектора. При усреднении по области 2 см х 2 см неоднородность отклика составляет в зависимости от модуля и сегмента порядка 4-6% для электронов и 3-4% для 7Г-МЄЗОНОВ, что является дополнительным вкладом в энергетическое разрешение для одиночных частиц. Уже для пионов этот вклад мало существенен, поэтому можно ожидать, чю влияние пространственных неоднородное!ей на энергетическое разрешение ад-ронных струй будет незаметно. Измерены поперечные профили электромагнитного и адронного отклика, что позволило ввести поправки на поперечные утечки в процессе калибровки модулей калориметра и при определении средних величин отклика. Измерены зависимости электронного отклика и энергетического разрешения от угла падения частиц на поверхность калориметра. В диапазоне углов от 0 до 5 изменения среднего отклика калориметра не превышают нескольких процентов. В то же время энергетическое разрешение для электронов заметно ухудшав і ся при углах менее 1 (соответствует псевдобьістроіе \т]\ 4,7), что связано с резким увеличением отклика деіектора в случае развития электромагнитного ливня вдоль оси волоконного световода.
Полученные результаты показали, что характеристики калориметров соответствуют требованиям, предъявляемым к передним калориметрам в
Автор глубоко признателен своему научному руководителю В.Б. Га-врилову за помощь на всех зіаиах работы. Автор также хочет поблагодарить за поддержку и участие в работе своих коллег и соавюров, в первую очередь В.Л. Столица, СВ. Кулешова, СВ. Семенова из Института Теоретической и Экспериментальной Физики, СК. Моршнева и Ю.К. Чамо-ровского из Института Радиотехники и Электроники РАН, а также всех участников группы адронного калориметра эксперимента CMS.
