Эксперимент CBM 2011 г. А. Ханзадеев

CBM (Compressed Baryonic Matter) – эксперимент по ядро - ядерному и протон - ядерному взаимодействию на выведенном пучке. SIS100 В месте расположения СВМ будет поставлять пучки Au(Ca) c энергией до 11(14) АГэВ и протонов до 29 ГэВ SIS300 – ядра вплоть до урана с энергией 8-40АГэВ и протоны до 90 ГэВ Начало эксперимента планируется на 2018 г. с запуском SIS100. Стартовая фаза эксперимента (модуль 1) – ныне действующая модифицированная для области энергий 2 -7 ГэВ/u экспериментальная установка HADES и усеченный вариант СВМ (5-11 ГэВ/u).

MuCh Детектор СВМ Измерение импульсов и треков частиц STS (Silicon Tracking System) – 8 слоев двусторонних стриповых детекторов размещены в сверхпроводящем дипольном магните большой апертуры На стадии исследований процессов с открытым чармом дополнительно к STS устанавливается микро вершинный детектор MVD (два слоя пиксельных детекторов, расположенных вблизи мишени) Идентификация адронов – реконструкция треков (STS и TRD) + TOF (стоп - RPC, старт – алмазный пиксельный детектор ) Идентификация электронов реконструкция треков (STS и TRD), реконструкция колец в RICH, анализ энергетических потерь в TRD Электромагнитный калориметр (ECAL) – измерение прямых фотонов, электронов, мюонов MuCh (Muon Chambers) – изучение мюонных мод распада.

SIS300 – далекая перспектива Принятая стратегия – поэтапное создание детектора в полной версии при начале работы на SIS100 в стартовой конфигурации Участие ПИЯФ

ObservablesDetectors 1.Hadrons, hyperons, dileptons from low- mass vector mesons up to Ni+Ni 13 A GeV HADES (12 o Θ 48 o ) 2.Hadrons, hyperons, hypernuclei, up to Au+Au 11 A GeV CBM dipole magnet, STS, TRD, TOF, PSD, DAQ/FLES 3.Dileptons from low-mass vector mesons up to Au+Au 11 A GeV CBM dipole magnet, MVD, STS, RICH, TRD, TOF, PSD, DAQ/FLES 4.D Mesons in p+A up to 30 GeV and Ca+Ca up to 14 A GeV CBM dipole magnet, MVD, STS, TRD, TOF, DAQ/FLES 5.Charmonium in p+A up to 30 GeV, Ca+Ca 14 A GeV, Au+Au 11 A GeV CBM dipole magnet, STS, MuCh, TRD, TOF, PSD, DAQ/FLES 6.Photons (incl. π 0 and η-mesons)CBM dipole magnet, STS, ECAL, PSD, DAQ/FLES STS: Silicon Tracking System (full version) MVD: Micro-Vertex Detector (full version) TOF: Time-of-Flight Detector - Resistive Plate Chambers (full version) PSD: Projectile Spectator Detector (full version) RICH: Ring Image Cherenkov Detector (full version) TRD: Start version as intermediate tracker (1 station out of 3) MuCh: Start version muon detector (2 stations out of 5) DAQ/FLES: Data Acquisition System & First Level Event Selector (start version) ECAL: Electromagnetic Calorimeter (start version) Table 1: Observables and detector combinations at SIS100

На SIS100 в ядро – ядерных столкновениях будет создаваться барионная плотность ~ 6ρ 0 Физическая программа: электромагнитная структура плотной барионной материи модификация свойств адронов при высокой барионной плотности и признаки восстановления киральной симметрии уравнение состояния ядерной материи при плотностях кора нейтронных звезд мульти странные гипероны, экзотические состояния материи такие, как конденсаты странных частиц рождение чарма на пороге влияние среды на свойства очарованных частиц при Е кин =11 А ГэВ s NN 5 ГэВ

Участники ПИЯФ в СВМ (на сегодняшний день) : 1.В мюонной системе MuCh С. Волков, В. Евсеев, В. Иванов, Б. Комков, Е. Крышень, Л. Кудин, В. Никулин, Е. Рощин, Г. Рыбаков, В. Самсонов, О.Тарасенкова, А. Ханзадеев, Е. Чернышова 2. В детекторе RICH Е. Взнуздаев, М. Взнуздаев, В. Евсеев, В. Добырн, Л. Коченда, П. Кравцов, Н. Мифтахов, В. Поляков, Е. Рощин, Г. Рыбаков, В. Самсонов, О. Тарасенкова, В. Толчин

Часть детектора, предназначенная для легких векторных мезонов (~7.5λ I ) Мюонный детектор MuCh Абсорбер – Fe (13.5 λ I ), центральная вставка – скорее всего W Станции 1,2,3 – три слоя из 3GEM или GEM + MICROMEGAS детекторов в центральной части и TGEM - детекторов на периферии в каждой Станции 4,5 – straw, 6 – я станция – TRT 10 7 событий/с, каждое из событий содержит до 1000 треков заряженных частиц Число каналов электроники ~ 10 6 Поэтапное создание полномасштабной версии детектора

Заявка ПИЯФ на участие в MuCh, согласованная с немцами и индусами Напомню: в стартовой версии (SIS100) на MuCh планируется всего 4 М 5.6

Example for upgrade scenario: Muon detector Start version I 25 GeV p+A J/ψ Iron absorber: cm 2 detector triplets: GEM + straw tubes Start version II 10 A GeV Au+Au J/ψ Iron absorber: cm 3 detector triplets: GEM + micromegas + straw tubes J/ψ subthreshold ! J/ψ Full version 25 A GeV Au+Au ρ,ω,φ,J/ψ Iron absorber: 3x cm 6 detector triplets: 2 GEM+2 micromegas+2 straw tubes From the report by P. Senger, April 2011

Абсорберы и суперструктура для размещения абсорберов и трековых камер – в зоне ответственности ПИЯФ Проектирование предполагает возможность реорганизации механики (одни и те же элементы) с минимальными переделками для реализации как промежуточных этапов, так и полной версии

Условия CBM : до 10 7 событий/с, каждое из событий содержит до 1000 треков заряженных частиц загрузки в центральной области в первых двух станциях до /см²۰сек разумное пространственное разрешение σ~ 600μ радиационная стойкость Кандидаты: центральная область – детекторы на основе GEM, MICROMEGAS или их комбинации периферия – TGEM R&D – выбор базовых детекторов трековой системы MuCh

Основная задача R&D – освоить все типы этих современных детекторов и выбрать наиболее подходящий вариант для нужд СВМ Важный этап – тестовый сеанс осенью 2010 г. в ЦЕРН на пучке p и π (энергия 5 ГэВ, интенсивность ~1кГц) Измерения проводились для 4-х прототипов, предварительно прошедших лабораторные испытания с радиоактивными источниками: 1.MG – Micromegas+GEM 2.TMG – Micromegas+TGEM 3.DTG – TGEM+TGEM 4.GG – GEM+GEM Под углами: 0 °, 15 °, 30 ° и 45 ° Две газовые смеси: Ar/CO2/iC4H10 (88/8/4) и He/CF4/iC4H10 (76/22/2) Считывающий электрод имел падовую структуру с размером пада 1.5х3.0 мм каналов электроники (ALICE)

Весной 2011 г. закончен анализ данных тестового сеанса, из которого следует: Все типы проверяемых детекторов (MG, MTG, DTG, GG) показали высокую ( %) эффективность регистрации mip при коэффициентах газового усиления: ~ в Ar-смеси и ~ в He-смеси Измерен размер кластеров (количество сработавших падов считывающего электрода при прохождении mip). Средний размер кластера при 0° для DTG/GG в ~1.3 раза больше, чем для MG/MTG В Ar-смеси размер кластера в ~1.2 раза больше, чем в случае He-смеси Измерен и получен в МС симуляции радиус распределения заряда на считывающем электроде. Результаты эксперимента и моделирования прилично совпадают X – directionY – directionsimulation HeArHeArHeAr r (mm) MG MTG DTG GG Реалистичный размер распределения заряда вставлен в процедуру симуляции реконструкции векторных мезонов и чарма

Технология – стандартное производство многослойных печатных плат из, например, 4-х тонких слоев фольгированного с одной стороны FR4 (или каптон с точки зрения радиационной стойкости) Затем в подготовленной плате сверлятся сквозные отверстия. Изготовленная плата накладывается на считывающий электрод. В такой структуре легко делается необходимая сегментация в подаче HV Отсутствует хитрая операция травления колечек вокруг отверстий Новая детектирующая структура с многокаскадным усилением (монолитный TGEM), на данном этапе рассматриваемая нами как перспективная для периферии трековых станций Коэффициент газового усиления в Ar смеси при достаточно низком напряжении ~300В на одном промежутке GG ~ Энергетическое разрешение fwhm ~25% Тест с 55 Fe в Ar/CO2/iC4H10 Пример стандартного Thick GEM, производство которого освоено в ПИЯФ

Задача на 2012 г. – проверка на интенсивном тестовом пучке в Гатчине подготовленных прототипов: GEM – тройной GEM, MG – Micromegas+GEM, DTG – двойной ТGEM, MTG – монолит. ТGEM Основные задачи теста: 1.Зависимость эффективности от загрузки 2.Зависимость вероятности разрядов от загрузки 3.Две газовые смеси – аргон и гелий S1S2 – пучковый триггер при относительно низкой интенсивности, S3S4 – триггер/монитор для высокой интенсивности, нормированный на счет S1S2 при низкой интенсивности (< ) Тестовый пучок: интенсивность /s растяжка – 50% Пучок на S1 Каждый прототип снабжен: считывающим электродом 4х4 мм 2, быстрым каналом для измерения эффективности, спектрометрическим каналом для измерения энергетических потерь и выбора рабочих режимов, каналом для измерения вероятности разрядов

Черенковский детектор RICH По предложению ПИЯФ зеркала компонуются из трапецоидальных сегментов

Вид работРазбивка объемов по годам работ(млн.Евро) Всего 2.Создание черенковского детектора RICH, PSP code: Структура поддержки зеркал (Mirror support structure) НИОКР(R&D) Изготовление, отладка и транспортировка Монтаж на месте CBM и настройка Доп. оборудование Система газового обеспечения (Radiator gas supply system) Проектирование Изготовление и доставка Монтаж на месте CBM и наладка Доп. оборудование Корпус газового объема с несущей рамой (Radiator vessel and support) Проектирование Изготовление и доставка Монтаж на месте CBM Структура поддержки ФЭУ и магнитная защита (PM support, magn.shielding) Проектирование Изготовление и доставка Монтаж на месте CBM Итого: Заявка ПИЯФ на участие в RICH, согласованная с немцами 1.15

В 2011 г. сделан важный шаг – создан полномасштабный прототип, в состав которого входит: - корпус - фотодетектор(16 мульти анодных ФЭУ Hamamatsu 8500, 64 пикселя в каждом ФЭУ), - сборка из 4-х квадратных зеркал 400х400мм с механикой подвеса, - газовая система(СО ² ) Решаемые задачи: - проверка общей концепции - измерение параметров детектора и сравнение с результатами симуляции - схема фотодетектора и электроники считывания - процедура сборки зеркал в единое целое, проверка механики подвеса сегментов - разработка элементов управления юстировкой зеркальных сегментов и проверка на практике возможностей юстировки - проверка в работе возможностей и качества газовой системы - подготовка к написанию отчета по техническому проектированию(TDR) и заявке на финансирование

RICH prototype design full length; 1.7 m radiator length reduced in lateral dimensions: 2x2 mirror plane 4x4 MAPMTs in photocamera complete box: 2.4 m long, 1.2 x 1.4 m 2 in width! Wolfgang Niebur, GSI Thomas Wasem, JLUG Tariq Mahmoud, JLUG Marat Vznuzdaev, PNPI 18th CBM collaboration meeting, Beijing, September 2011 C. Höhne

В ПИЯФ разработан и реализован вариант подвеса по трехточечной схеме с двойным карданным шарниром в качестве основного механического элемента(В.Добырн). В структуру узла подвеса включены также электромеханические линейные актуаторы, позволяющие дистанционно управлять настройкой сегментов зеркал на общий центр кривизны. В ходе создания этого варианта подвеса проводились расчеты деформаций с помощью программной системы ANSYS (Н.Мифтахов) и симуляция оптического отклика для каждого варианта деформаций(В.Поляков) Был также создан оптический стенд (В.Добырн, В.Толчин, В.Поляков), на котором проводились предварительные испытания подвеса (В.Добырн, Е.Рощин, Е.Взнуздаев)

1-я версия подвеса из 3-х узлов проверялась в сборке зеркального модуля в лаборатории университета г. Гиссен (JLUG), Германия на специальном оптическом стенде в JLUG были проведены измерения размера отраженного пятна Dº (характеристика оптического качества) заметного влияния подвеса(его деформаций) на результирующее оптическое качество зеркала не было обнаружено. Размер Dº~1мм лучше допустимого. По результатам испытаний в JLUG структура подвеса была усовершенствована, подготовлена техническая документация(О.Тарасенкова) и в механической мастерской ОФВЭ было произведено 12 штук узлов для 4-х зеркал прототипа RICH Схема подвеса зеркала

4-mirrors assembly Для обоснования состоятельности механической концепции была создана трехмерная кинематическая модель данного варианта подвеса (М.Взнуздаев), позволяющая проверить функционирование подвеса для всех возможных комбинаций положений карданных шарниров. Также была создана модель сборки 4-х зеркал.

В ходе визита группы сотрудников ПИЯФ в университет Гиссена, было произведено оснащение всех узлов подвеса актуаторами, сборка подвесов на несущей раме, приклейка 4-х зеркальных сегментов и их предварительная юстировка на общий центр кривизны. Все актуаторы были подключены к компьютеру и юстировка производилась в автоматизированном режиме

Газовая система В феврале 2011 г. в Гиссене Л.Коченда и П.Кравцов спроектировали и собрали газовую систему для прототипа С небольшими изменениями такая система годится и для реального детектора

RICH прототип был подготовлен и установлен на тестовом пучке в ЦЕРН Эксперимент проводился с 17 по 31 октября 2011 г.

Первые результаты Первые черенковские кольца для электронов с энергией 2Гэв Идентификация частиц по радиусу черенковского кольца

В ходе тестового сеанса проверялась зависимость качества восстановления колец от: чистоты газа положения фотодетектора напряжения на ФЭУ и порогов импульса налетающей частицы юстировки зеркал Пример влияния расстройки углового положения одного из зеркальных сегментов

Прототип в целом показал ожидаемое, предсказуемое поведение Проверка работы компонентов прототипа дает основание утверждать, что предложенные технические решения состоятельны, в том числе и по механике Обработка результатов теста на пучке продолжается для формирования окончательных выводов Заключение