Проект CBM, 2009 г. А. Ханзадеев. FAIR – Facility for Beams of Ions and Antiprotons – принятый к осуществлению проект стоимостью ~1200 М в GSI, Дармштадт. - презентация

1 Проект CBM, 2009 г. А. Ханзадеев

2 FAIR – Facility for Beams of Ions and Antiprotons – принятый к осуществлению проект стоимостью ~1200 М в GSI, Дармштадт. О начале строительства объявлено г. Однако реалии несколько отличаются. 16 октября 2009 г. – Evaluation Committee – одобрена модульная концепция Т.е. реальные FAIR Construction деньги до сих пор не поступают ни в Германии ни в России. Скорее всего вторая половина 2010 г. или 2011 г.

3 CBM (Compressed Baryonic Matter) – эксперимент по ядро-ядерному взаимодействию на выведенном пучке ядер (вплоть до урана) с энергией 2-7 ГэВ/u (SIS100) и 8-40 ГэВ/u (SIS300). Начало эксперимента планируется на 2016 г. с запуском SIS100. Начальная фаза эксперимента – ныне действующая модифицированная для области энергий 2 -7 ГэВ/u экспериментальная установка HADES и усеченный вариант СВМ (5-12 ГэВ/u). Важно! СВМ – один из 5 приоритетных экспериментов на FAIR, поддерживаемых бюджетом GSI. SIS18 (fixed target, GSI) – до 2 GeV/u AGS (fixed target, BNL) – до 15 GeV/u SPS (fixed target, CERN) – до 160 GeV/u RHIC (collider, BNL) – до 200 GeV/u LHC (collider, CERN) – до 3 TeV/u

4 При низких плотностях с повышением температуры нуклоны возбуждаются в барионные резонансы, рождаются мезоны – фаза адронной материи (светлая область). При более высоких температурах фазовый переход к кварк-глюонной материи (деконфаймент). Температура перехода Т С ~170 МэВ при нулевой барионной плотности, что в ~ выше температуры внутри солнца. RHIC, LHC В сильно сжатой холодной ядерной материи, как это может существовать внутри нейтронных звезд, барионы теряют свою индивидуальность и растворяются в кварки и глюоны. Однако критическая плотность для такого перехода не известна. При очень высоких плотностях и низких температурах помимо деконфаймента ожидается новый фазовый переход, при котором кварки коррелируют и формируют цветовую сверхпроводимость. RHIC, SPS, AGS, FAIR CBM – изучение сверхплотной ядерной материи, создаваемой при энергии SIS300 в центральных столкновениях тяжелых ионов (барионная плотность сравнима с плотностью в сердцевине нейтронных звезд и в ~10 раз превосходит обычную ядерную плотность). Фазовая диаграмма сильно взаимодействующей материи

5 Предсказываемые явления в сверхплотной ядерной материи модификация адронов – восстановление киральной симметрии фазовый переход к состоянию свободных кварков – деконфаймент, кварк-глюонная плазма возникновение возможно нового фазового перехода к состоянию с коррелированными кварками - цветовая сверхпроводимость новые экзотические состояния материи такие, как конденсаты странных частиц. СВМ сориентирован на измерения в доступном энергетическом диапазоне: короткоживущие легкие векторные мезоны, распадающиеся в лептонные пары странные частицы, особенно барионы, содержащие более чем один странный кварк мезоны, содержащие чарм коллективные потоки частиц event-by-event флуктуации

6 MUCH Детектор СВМ Интенсивность событий до 10 МГц В каждом событии до 1000 заряженных частиц 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. Первоначальная версия CBM регистрация е+е- пар от распада короткоживущих векторных мезонов и мезонов, содержащих очарованные кварки. При участии ПИЯФ предложен и принят стартовый вариант эксперимента изучение мюонных мод распада.

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

8 cm 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 GEM или GEM + MICROMEGAS детекторов в каждой Имеют падовую структуру (при проектной occupancy 5% мин. размер пада 2Х3 мм 2, макс. – 50х50 мм 2 ) Станции 4,5 – straw, 6 – я станция – TRT 10 7 событий/с, каждое из событий содержит до 1000 треков заряженных частиц Число каналов электроники ~ 510 5

9 ItemsTotal cost k Indian contr. k Russian contr. k GSI contr. k absorbers incl. support (100%)? straw tube detectors (100 m 2 ) (100%)- fast micro-pattern detectors (40 m 2 ) (50%) - Services:1000 HV system (5000 channels)-600 (100%)? LV system (100 channels)-300 (100%)? Cooling100-- gas supply system incl. controls (48%)310 (52%) detector mechanics, mainframe (100%)- FEE+read-out contr. (5X10 5 channels) (100%)-- prototyping and tests (50%) - spare parts (50%) - Safety (100%) Alignment (100%)- Transport (33%)200 (67%)- installation and commissioning (40%) 200 (20%) On-site infrastructure, cables, crates ?- R&D (50%) - Sum Предполагаемый вклад ПИЯФ в мюонную систему

10 - Проанализированы ошибки реконструкции хитов для различных типов кластеров и гранулярности модулей. - Разработан алгоритм проверки соответствия реконструированных треков Монте-Карло информации (необходимо для оценки эффективности восстановления треков) - Продолжена работа по оптимизации структуры детектирующих слоев - Проведен анализ эффективности реконструкции треков в детекторе MUCH - Исследовано влияния мертвых зон детектора MUCH, связанных с модульной структурой, на примере эффективности реконструкции мюонов из распада J/Ψ - Осуществлялась поддержка программного обеспечения для детектора MUCH Software

11 Λ Ω Ξ - На примере центральных Au-Au столкновений проведено исследование возможностей реконструкции Λ-, Ξ- и Ω- гиперонов в эксперименте CBM при энергиях SIS Проведен анализ возможностей реконструкции поляризации J/ψ в димюонном канале эксперимента CBM. Физические вопросы

12 Задающие расстояние ( 75 μm) до анода столбики выполнены из фоторезиста травлением GEM (10x10 cм 2 ) произведен в CERN Для MICROMEGAS использована китайская сетка из нержавеющей стали (проволока - 22 μm в диаметре, ячейка - 64μm). R&D - Выбор базового детектора для станций 1,2,3

13 ~3.3% ~0.06% +8% CF4 +18% CF4 +28% CF4 +25% CF4 Найдена газовая смесь He/CF4/iC4H10, обладающая подходящими свойствами (в сравнении, например, с Ar/CO2 смесью): Существенно ниже вероятность пробоя Достаточно малые времена сбора заряда (~ 100 нс) Почти в два раза меньше поперечная и продольная диффузия Те же значения коэффициента газового усиления достигаются при более низких полях (почти в 2 раза меньше энергия в разряде) ~3.3% ~0.36% Недостаток Не по сравнению с Аr – почти в 4 раза ниже первичная ионизация Требуется увеличение % CF4 Неэффективность Долг с прошлого года! Ar He/CF4/iC4H10 (73/25/2)

14 Структура анода 2048 падов Размер пада 1.5x 3 mm 2 Рабочая область 102x109 mm 2 Основная задача на 2010 г. – подготовка и пучковые испытания двух прототипов GEM/Micromegas и TGEM/Micromegas. Тестовый пучок в GSI – август 2010 г. Тестовый пучок в Гатчине – ? На начальном этапе (тестовый пучок в ПИЯФ) readout электроника ALICE В GSI переход на NXYTER

15 Радиационная стойкость материалов Co 60 (E=1.25 MeV) две экспозиции 390 krad и 5.3 Mrad После облучения анализ выделяющихся продуктов методом ифракрасной спектроскопии polyethyleneFR4kapton Red – 5.3 Mrad, blue -390 krad kapton (polyimid) norilflanFR4 polyethylene Radiation degradation Коэффициент радиационного разрушения после дозы облучения 5.3 Mrad Цена флана и каптона в ~10 выше, чем FR4 Не существует фольгированного норила Норил в ~2 раза дороже, чем FR4

16 Детектор RICH В зоне ответственности ПИЯФ: Вся механика Газовая система Система юстировки

17 прототип механизма закрепления На сегодняшний день предполагается использование тонких (3 мм) стеклянных зеркал Разработана концепция подстройки и закрепления зеркал

18 Наклон +20° Макс. отклонение

19 Создан стенд оптических измерений, позволяющий повороты в горизонтальной плоскости в пределах +/-45° и в вертикальной +10/-25° Оптические характеристики зеркала при выбранной схеме крепления Оптические характеристики при различных наклонах зеркала Отработка процедуры подстройки Измерение временной стабильности

20 Планы на 2010 г. Продолжить оптимизацию мюонного детектора MUCH Формулирование окончательных требований на гранулярность и пространственное разрешение базовых детекторов трековой системы MUCH Подготовка и испытание на пучке прототипов детекторов для мюонной системы MUCH Создание и испытание на пучке прототипа детектора RICH

21 Back up

22 Дилептонные распады короткоживущих векторных мезонов – инструмент для изучения возможного восстановления киральной симметрии в плотной среде. Модификация спектра инвариантной массы для е + е - (μ + μ - ) пар. Диэлектронный спектр инвариантной массы, измеренный на SPS, в сравнении с ожидаемым

23 Относительный рост рождения странности рассматривается как признак деконфаймента (рождение пар странных кварков в кварк- глюонной плазме энергетически выгодней, чем в адронной материи) Эффект должен быть наиболее выражен для выхода мульти- странных частиц, как это и наблюдалось на SPS, NA49 и WA97/NA57

24 Выход J/Ψ-мезонов в зависимости от поперечной энергии. Кривые – результаты расчетов с учетом поглощения J/Ψ в адронной материи. Рождение чарма – еще более чувствительный зонд горячей и плотной среды, создаваемой в столкновении тяжелых ионов. Модификация D-мезонов – восстановление киральной симметрии Подавление выхода чармониума - признак существования кварк-глюонной плазмы

25

26 MICROMEGAS 3мм 75 мкм GEM Ar/CO2 (90%/10%), 55 Fe cathode mesh PCB Пример амплитудного спектра (энергетическое разрешение ~15%) энергетическое разрешение ~12% Зависимость КГУ от напряжения на MICROMEGAS Расчетная (Magbolz) зависимость КГУ согласуется с измеренной Зависимость КГУ от напряжения, приложенного к GEM

27 Комбинация GEM+MICROMEGAS КГУ в зависимости от напряжения, приложенного к GEM Uc=1200 V, Ub=500 V, Um=400 V, КГУ в зависимости от напряжения, приложенного к MICROMEGAS Uc=1200 V, Ut – Ub=450 V, КГУ в зависимости от напряжения, приложенного к GEM Uc=1200 V, Ub=500 V, Um=400 V, Ar/CO2 (90%/10%) He/CO2 (90%/10%) Ar/CO2 (90%/10%) Амплитудные спектры ( 55 Fe), измеренные при разных напряжениях на MICROMEGAS Ar/CO2 (90%/10%)

28 Оценка эффективности и вероятности разряда ~ 180 ns ~ 100 ns Ar/CO2 (90%/10%) He/CO2 (90%/10%) 55 Fe ( /s) + β-источник 90 Sr ( /s) Вероятность разряда оценивалась как отношение числа разрядов (за разряд принимался сигнал, превосходящий установленный высокий порог) к общему числу зарегистрированных сигналов Вероятность разряда в зависимости от КГУ Зависимость эффективности от КГУ (β-источник 90 Sr) He/CO2 (90%/10%) Ar/CO2 He/CO2

29

30 α- source 241 Am (5.5 MeV) response (gas gain ~ ) At the following stage for Micromegas we used rolled mesh of Russian production – stainless steel (wire - 32 μ in diameter and cell - 64μ). We saw the difference in gas gain of ~4 times for the same voltage applied in comparing to previous case (wire - 30 μ in diameter and cell – 50 μ). Qualitatively it looks reasonable. But quantitative estimations we will get later in special measurements for set of different mesh dimensions. Ar/CO2 (90%/10%)

31 GG vs. Voltage applied to the cathode. The modest GG Value (Um=350 V, Ugem=390 V) The same as previous but variable Voltage between GEM and Mesh Working points Ar/CO2 (90%/10%)

32 Gas gain is not a problem and we can have it as high as we want. Use of 3 component gas mixture with small portion (~ 5%) of isobutane gives about two order for gas gain in He at the same voltage. Using isobutane in working gas mixture should considerably put down working voltage to make lower discharge energy