《粒子物理和核物理实验方法》调研报告-panda探测器

1、 粒子物理与核物理实验方法（一）调研报告Panda实验 报告人： 李繁 2014E8000961086 高能物理研究所 刘苗 2014E8000961081 高能物理研究所 韩朔 201418000907015 高能物理研究所 王子凤 201428007313022 空间科学与应用研究中心 摘 要德国的亥姆霍兹重离子研究中心的panda 实验将成为反质子和离子研究设施的关键。由质子束产生的反质子被填充到高能量的储存环中，之后与panda探测器中的固定靶碰撞。实验中用多种检测器来收集反质子-质子碰撞的所有信息，从而可实现弹道重构、能量和动量的精确测量及带电粒子的有效识别。本文从六个方面介绍了pa

2、nda探测器的实验装备、结构及其作用，并以一个(2317)宽度的测量实例具体说明panda探测器的应用，最后总结并给出展望。 关键字：panda；前向径迹探测器；(2317)宽度 第一章 panda介绍及物理研究目标德国的亥姆霍兹重离子研究中心（GSI）的panda （AntiProton Annihilations at Darmstadt）实验将成为反质子和离子研究设施(FAIR,Facility for Antiproton and Ion Research)的关键.FAIR的核心部分是一个提供强脉冲离子束（PU）的同步复杂结构。由质子束产生的反质子被填充到高能量的储存环中，之后与pan

3、da探测器中的固定靶碰撞。实验的物理目标为用多种检测器来收集反质子-质子碰撞的所有信息，从而可实现弹道重构、能量和动量的精确测量及带电粒子的有效识别。panda探测器是一种覆盖几乎全部立体角的内部目标检测器，具有高的能量分辨率和角分辨率，可用来检测和鉴别中性和带电粒子。该检测器被细分为目标光谱仪（TS）和基于偶极动量分析向前颗粒的前向光谱仪（FS），两光谱仪组合覆盖全角度。考虑到能量的宽范围仍具有足够的灵活性，探测器的单个组件可以根据特定实验更换或添加。1下面从六个方面具体介绍panda探测器。1.1跟踪系统2 Panda探测器工作在两个磁场环境中：目标光谱仪中强度为2T的螺线型管型磁场和前向

4、光谱仪中强度为1T的偶极子场。用四个不同的系统来进行高分辨率和全立体角的带电粒子跟踪。 图1-1 跟踪系统 1.1.1 管状跟踪器管状跟踪器是一个单通道漂移管,包括充气管和线沿其轴。高压电线和管之间加有几千伏的高压，当一个电荷粒子横向穿过管时发生电离,电子漂移向线,而离子漂移向管壁。当电子足够接近电子线时( 50微米)发生雪崩倍增放大，（104 - 105倍）然后读出信号。由信号的到达时间计算出漂移半径，收集的电荷粒子能量与电离离子数成正比。Panda探测器的跟踪系统包含150cm长漂移管，基本模块是为了解决轨道左右不对称的一个平面双层管。关于气体的选择, 必须使多次散射最小化又要有一个高的空

5、间分辨率，因此选择的气体为Ar /二化碳气体混合物(90/10)。 内径15 cm 外径42 cm 双层数量12 管壁厚度30 m 管内部直径10 mm轴向长度150 cm 电导线直径20 m管壁材料Al 电导线材料镀 W/Re的Au混合气体Ar/CO2 (90/10) 单管透明度 3.7 x 10-4 X/X0 图1-2管状跟踪器 具体参数如右表1-1： 表1-1 管状跟踪器的具体参数 1.1.2前向径迹探测器前向径迹探测器（FT）为在panda的偶极磁体中偏转的带电粒子进行动量分析。它的接收角度取决于磁体孔隙的性质（沿束流方向水平偏转10%之内、垂直5%之内）。它的动量接收范围为大于束流动

6、量的0.03倍的动量（偶极磁体中的场受到束流动量的影响）。FT由三对平面探测站组成：最前面一对（FT1和FT2），偶极磁体后面一对（FT5和FT6），以及在偶极磁体的孔隙之中，用来测量撞击到轭架上的低动量粒子的一对（FT3和FT4）。如图1-3：鉴于每个探测层的位置分辨为0.1mm，且每个探测站的位置分辨为0.3%*X0，探测器的动量分辨可以好于1%。径迹探测站可以承受来自束流管的104cm-2s-1流量的粒子流，也可以支持来自质子对反应的计数率为2×107/s的高亮度模式。FT中每条径迹平均的轨道数为1。FT基于直径10mm，作为核心径迹探测器的管状探测器。探测管由30微米的镀铝聚

7、酯薄膜制成。阳极为20微米的镀金钨丝。管内有2bar的气压来稳定探测管的结构，并给阳极丝50克的拉力。管内使用90%Ar+10%CO2来抑制老化效应。图1-3前向径迹探测器示意图 图1-4 支架及双层结构探测面由分离的模块组成，也就是分为两层的32根探测管。每一个模块都有自己的前置放大鉴别器、高压电源和导气管，组成一个个结构和电子学上的单位。探测管模块安装在支架上，形成了我们称之为“双层”的探测面。每一个模块都可在支架上独立地安装与拆卸，这简化了探测站的组装和修理过程。每个支架上可以安装两个“双层”。如图1-4。每个探测站由4个“双层”组成：其中第一个和第四个“双层”使用了垂直的探测管，中间的

8、两个双层使用了水平倾斜±5°的探测管。这种设计让每一对探测站可以独立地重建事例中，包括多径迹事例中的径迹。独立的探测站的基本参数包括探测管和模块的数量、探测站的位置和其有效区域的面积。这些参数被列在了表1-2当中。由于探测站仍然在改进当中，这些参数仍有可能变化。模块数探测管Z轴位置mm有效面积mm2FT132102429541298×640FT232102432741298×960FT348153639451944×960FT448153643851944×767FT5100320060754045×1180FT614847

9、3674755984×1480 表1-2 探测站参数 探测站FT1、FT2、FT5和FT6被安置在钢制矩形底座上的C型支架（称作“抽屉”）上。“抽屉”和底座用伸缩轨道相连接（如图1-5）。一对左右“抽屉”可以支持两个“双层”。这些“抽屉”可以垂直于束流管，使得探测管模块和探测站可以很容易地被安放在实验位置。 图1-5 “抽屉”与底座连接示意图 图1-6铝封闭的矩形框架由于偶极磁铁中间隙太小，探测站FT3和FT4的支架不能再使用“抽屉”的概念。探测模块被安放在了矩形的铝架上（如图1-6）。由于空间的限制，支架的宽度只有55mm，使其能嵌在轭架上。在将探测站安装进磁体时，铝架被安放在有滚

10、轮底座上，滚进磁体当中。底座的最后位置会停在磁体轭架的针状卡口上。管状探测器的读出电子学必须满足很高的计数率要求。读出系统包括三部分：（i）前后的前置放大分辨器，（ii）测量漂移时间的时间数字转换器和探测快速碰撞的FPGA，（iii）接收并综合输入信号的集线器。其中前置放大分辨器直接安装在探测模块上，转换器和集线器在探测站附近的实验厅里。集线器的数据会在计数单元被转换为计算节点，进行事例数据建立和事例选择。我们为FT测试了HADS公司的基于CARIOCA-10芯片的前置放大分辨器和基于TRB-2板的漂移时间数字化装置。 1.2 粒子识别 3对带电粒子的极高精度鉴定是panda实验的关键要求之一

11、。因此panda探测器配备各种专用粒子识别（PID）系统，根据粒子的能损dE/dx来分辨粒子的种类。飞行时间（TOF）的定时信息可以给出粒子飞行的时间信息。定时信息有助于减少背景噪声，并校正色散效应。时间投影室可获得飘移时间信息和一个粗略的位置信息。空间丝上带电粒子的径迹坐标就由丝上雪崩在感应片上感应信号的重心所决定。漂移时间给出z向的位置。两者结合，给出带电粒子的三维坐标。根据时间信息和二维的位置信息可确定粒子的位置，增加了探测器的位置分辨。图1-7 粒子识别系统 图1-8 飞行时间系统1.2.1 飞行时间系统为了测量低动量的粒子，此管安置在DIRCD（etection of Interna

12、lly Reflected Cherenkov）的散热器管的前端。在假定的时间分辨率下，90°的方向上可分辨动量430 MeV/C的/K，22°极角的方向上可分辨动量760 MeV/C 的/K，超核物理程序中，阈值动量为1 GeV/C。飞行时间（TOF）的定时信息可以给出粒子飞行的时间信息。定时信息有助于减少背景噪声，并校正色散效应。时间投影室可获得飘移时间信息和一个粗略的位置信息。空间丝上带电粒子的径迹坐标就由丝上雪崩在感应片上感应信号的重心所决定。漂移时间给出z向的位置。两者结合，给出带电粒子的三维坐标。根据时间信息和二维的位置信息可确定粒子的位置，增加了探测器的位置分

13、辨。 1.2.2.反射切伦科夫探测器对不同速度的粒子，必须选择适当折射率的辐射体。 辐射体对切伦科夫辐射的透明度好且能与光探测器的光谱响应相匹配；电离能损小、荧光发射很小。辐射体外包铝箔或镀一层铝作为反射层，使辐射在辐射体及反射体界面上多次反射，然后进入光子探测器。日本KEKB工厂采用抗水性气凝硅胶辐射体阈式Cherenkov计数器鉴别粒子。在n=1的两条曲线以上的区域，或K可发射Cherenkov光，在两条曲线之间的区域只有发射C光，而K不发射。显然n越小，可分辨/K的动量越高。图1-9反射切伦科夫探测器系统 图1-10 、粒子的动量-辐射角图像 1.2.3气凝胶切伦科夫计数器 气凝胶切伦科

14、夫计数器的折射率为1.02。特别适用于/ K分离。由于发射点的不确定性，光传输和所述检测器的分辨率受到影响。新西伯利亚气凝胶制造的最新进展可改变这些限制。新西伯利亚生产的高品质的气凝胶已经被BELLE使用，其协作性和稳定性都有所提高。探测器由中心位于相互作用点，半径为Rm的球面镜和一个与球面镜同心，半径为Rd的光探测器组成，RdRm/2。由靶区发射的带电粒子经过辐射体产生切伦科夫光锥，再经过球面镜聚焦在光探测器上形成半径为r的环形像。RICH技术是唯一从低动量到高动量(200-300GeV/c)（采用固体/液体、气体辐射体）范围内均能采用的鉴别粒子的方法，使用长辐射体RICH可测的动量范围甚至

15、可延伸至700 GeV/c。 图1-11气凝胶环形成像切伦科夫计数器 1.3电磁量能器由于靶光谱仪有高的计数率且设计结构紧密，这就要求电磁量能器的闪烁体为快闪烁体且辐射长度要小。近几年来，PbWO4被认为是对光子以及电子有好的分辨率的高密度的无机闪烁体。它在高能物理界已经有所应用，同时对它的使用已经实现了小于20ns的衰减时间以及好的耐辐射性3。可以使用长度为20cm（例如20个辐射长度）来实现对光子及电子探测的好的能量分辨率，可以达到1.54% / EGeV+0.3% 4。电磁量能器中的高性能晶体的使用使得对动量高于0.5Gev/c的介子或电子有较高的识别能力，在这种情况下可以略去 TS中的

16、气体切伦科夫探测器。这就使得探测器可以做的更小并且节省开支。通过雪崩光电二极管实现在晶体上探测的数据读出。桶结构的内径为57cm，共需要前端面面积为2cm x2cm的晶体11360块。前向以及后向端点分别需要592块和3600块晶体。所以总共需要PbWO4晶体15552块。一个快信号通过第一电平触发获得。设计参数由下面的表格给出。 材料PbWO4晶体尺寸2cm×2cm×20cm厚度22辐射长度能量分辨率1.54% / EGeV+0.3%时间分辨率<20ns晶体数15552几何覆盖96%4 图1-12电磁量能器 表1-3电磁量能器设计参数 1.4 靶系统基于实验的需求，

17、panda目前的靶系统涉及三部分：簇束靶（Cluster beam target）、球束靶（Pellet beam target）以及光纤靶（Fiber target）。 1.4.1簇束靶实验中簇束常常通过超低温气体从特殊的喷嘴中喷向真空中发生爆炸来获得。在这特殊的喷嘴中气体可以被冷却并且形成超声波束。在适当的情况下，依据气体的种类，可以发生冷凝并且产生纳米粒子。根据实验情况，典型地是103-105个原子每簇。簇束要求有均匀的体密度分布、明显的分界以及一个恒定的角偏向，这个角偏向是由簇喷射源的准直器决定的。因此一个簇束靶可以对有不随时间变化的均匀体密度及光度的靶束提供很好的近似方法。此外，靶的

18、绝对厚度可以根据操作进行调整。 1.4.2球靶系统靶一个球靶可以提供稳定的冻结的氢微球束，垂直地穿过加速器束流。根据发射喷嘴的尺寸，小球的典型地尺寸为20m和40m。小球可能在距离靶子1米以外的地方产生，然后通过一个小直径管穿过靶的螺线管以及束流。球束的角偏向比较低，这就产生它与束流反应的位置不确定性，大概为±1mm。小球的速度为60m/s，流量为1000个每秒，这在毫米范围内是连续的。为了获得好的时间结构，反质子束的直径应该是相同的。由于单独的一个粒子球在它穿过束流的过程中会经历大约100次相互作用，所以准确地确定一个粒子球的位置是很容易解决的。第一代球束靶的平均厚度为1016原子

19、/cm2。一个更为复杂的球束靶已经应用于德国尤希里研究中心，通过与莫斯科的两个研究团队的合作在它的研究上有所发展，应用这个靶可以产生氮球及氩球，对于其他的材料像氘以及重稀有气体同样是可行的。5 图1-13球靶示意图 图1-14 偶极磁体1.5前向谱仪panda 的前向谱仪由很多不一样的系统组成，它一方面对带电径迹进行精确地测量与识别，另一方面将对前向中性粒子进行高质量的测量。1.5.1偶极磁体panda实验有多个目标，因此它需要对前向粒子进行很好地动量重建。它的前向磁谱仪可以对水平夹角10°之内，垂直夹角5°之内的带电径迹进行动量分辨小于1%的重建。这个谱仪的中心部分是一个

20、大孔径偶极磁铁，提供2Tm的弯曲磁场。安置这一谱仪的困难在于在总长足有2.5m的谱仪中设置一个大的孔隙（约1m乘3m），提供偏离磁场，以及谱仪与轭架的契合。磁通旁轭的层叠保证了谱仪的调节跟踪能力，因此这一磁场可以完全与高能储存环（HESR）同步。 下表包括了这一磁体的主要参数：6 磁场积分2Tm径迹弯曲变化<=±15%垂直接收范围±5%水平接收范围±10%调节跟踪速度1.25%/s总耗散功率360kW总感应系数0.87H储能2.03MJ重量220t三围（高×宽×长）3.88×5.3×2.5m孔隙（高×宽）0.

21、80-1.01×3.10m 表1-4 磁体的主要参数 1.5.2电磁量热器谱仪的高计数率和紧凑设计要求电磁量热器使用辐射长度短的快速闪烁体。最近一些年来，PbWO4被认为是对光子和电子，甚至中等能量的光子和电子都有很好能量分辨的高密度无机闪烁体。在高能物理领域，这种材料已经被CERN的CMS探测器所使用。7它既有少于20ns的衰变时间，又有很好的辐射强度。 电磁量热器设计使用20cm（即20*X0）的闪烁体晶体，从而获得对电子和光子为1.54%/EGeV+0.3%的能量分辨。 图1-15 电磁量热器这些晶体可以分辨总动量超过0.5GeV/c的103个pion/electron粒子，从

22、而使谱仪不再需要TS中的气体切仑科夫探测器。这使我们可以组装一个低价的小型探测器。晶体的读出系统由大面积的雪崩式光电二极管组成。一个桶状部分的内径为57cm的电磁量热器，需要11360块前端面为2cm×2cm的晶体。前后端盖各需要592和3600块晶体。因此总共需要15552块PbWO4晶体。每个快信号会在一级触发器上导出。量热器的设计参数见下表：8材料PbWO4晶体尺寸2cm×2cm×20cm厚度22*X0能量分辨1.54%/EGeV+0.3%时间分辨<20ns晶体数量15552覆盖的立体角96%*4 表1-5 量热器设计参数 1.6磁体系统一个好的磁场是

23、对带电粒子进行动量重建和粒子鉴别的前提。panda为它的两个大型谱仪设计了理想的磁场组合：反应区域附近2T的螺线管磁场和为前向角小于5(10)的射出粒子设计的最高1T的偶极磁场。中心2T的磁场由内直径为1.9m的超导螺线管产生，以便于探测器的其它元件的安装。分离的螺旋型设计，为在螺旋的1/3长处安置垂直的进料管留出了空间。总重超过300t的整个系统被安放在一个移动平台上，以便于将这个系统撤回进行试运行或保养（参阅螺线管部分）。前向的粒子会经过一个由总重220t、具有1m×3m大小孔隙、带有测量仪器的偶磁体产生的，场积分为2Tm的磁场（参阅偶磁体部分）。这一系统由下游另一平台上的一组探

24、测器组成。 1.6.1螺线管磁体提供一个长度为4m、直径为1.9m的2T磁场，同时使这一区域有足够的空间放置探测器，并不是一个很繁琐的任务。螺线管磁体的技术挑战主要来自于一些附加要求，如场的一致性（见下表）、添加横断的进料管和探测器接入，仅举几例。panda的螺线管磁体设计为间接冷却的、分离螺旋状的超导卢瑟福型线缆。尽管探测布局要求对低温保持器和磁通返回轭进行不对称地安放，该设计仍然可以满足磁场的一致性和磁场强度等对磁场的严格要求。低温保持器被安排在所有探测器的周围，成为它们支架的一部分。而磁通返回轭通过与13个铁层间的迷你漂移管结合，形成了一个子系统。因此每个返回轭的末端都是开放式设计。整个

25、系统的重量超过了300t，可以撤回到束流管旁边的一个专用位置，进行试运行和保养。 螺线管的主要参数见下表：中心磁场2.0T磁场不一致性<=2%规范径向场积分<=2Tmm内孔直径1.9m冷却物质参数长度2.7m储存能量20MJ电流5000A重量4.5t线缆横截面3.4×2mm电流密度59A/mm磁通返回轭参数长度4.9m外径2.30m铁层数13总重量300t 1.6.2偶极磁体 参见“前向探测器”的“偶极磁体”部分：磁场积分2Tm径迹弯曲变化<=±15%垂直接收范围±5%水平接收范围±10%调节跟踪速度1.25%/s总耗散功率360kW总

26、感应系数0.87H储能2.03MJ重量220t三围（高×宽×长）3.88×5.3×2.5m孔隙（高×宽）0.80-1.01×3.10m 第二章 基于PANDA对(2317)宽度确定的测量现如今有许多理论模型尝试去解释(2317)的本质，这些模型对其宽度进行了不同的预测，从而使宽度成为区分这些模型的一个重要的实验参数。通过简单地测量衰减产物的不变的质量分布，只有当实验的分辨率比测量的宽度好的情况下，才能够实现对宽度的一个直接的测量。(2317)的宽度只有3.8Mev，这对于一个直接的宽度测量来说非常窄，在这种情况下可以利用一个共谐或阈值

27、扫描，从而不使宽度的测量依赖于实验的质量分辨率。 2.1实验方法通过能量扫描，横截面被测量为一个质心能量的函数，激发函数的形状依赖于粒子的宽度，所以对于函数形状的测量可以用来推断粒子的宽度。利用PANDA可以对 反应进行研究。通过能量扫描，(2317)的产率在不同的动两下进行测量，通过激发函数与扫描点的拟合可以得出的质量与宽度9。需要注意的是（1）式与（2）式很接近，在这里和仅以总量出现，指出了对于真正质量的偏差只会引起质量的相应的移动，而对构建的宽度不会有影响。图2-1激发函数对模拟的扫描数据的拟合 图2-1描述的是激发函数对100Kev宽的以及60天的测量的扫描数据的进行匹配。第一排的部分

28、表示的是在不考虑任何背景的情况下的结果，第二排表示的是包含对一个背景比为1 的信号的Argous背景。 2.2模拟综述模拟的参数空间如下给出：相关的beam momentum spread为10-4、围绕阈值的两个能量范围内（±1Mev, ±2Mev）的15个扫描点、随意的超过阈值4Mev的两个扫描点、背景比为1的信号、每日协调亮度为9000nb-1的为期60天的总测量时间、重构效率为0.25。图2-2与图2-3的四条曲线表示的是围绕阈值的不同的扫描点分布的结果。图2-2 对于不同输入宽度的结果分辨率曲线图2-3 对于不同输入宽度的相对于期望值偏差曲线 2.3结论通过对不同

29、宽度假设的重复模拟与匹配过程可以得到预期的分辨率（图2-2）以及同预期的偏差值（图2-3）。在所有事例中匹配过程的统计误差在宽度分辨率中低于3Kev在与期望值的偏差的测量中低于6Kev。可以看出较窄的能量范围要求最终的扫描点的分布是最佳化的。两个额外的超过阈值4Mev的扫描点并没有改善结果而是由于增强的背景使结果变得更坏。系统偏差只有存在背景的情况下才出现，所以在进一步的研究系统偏差应该被补偿应该是一个合理的假设。为了对比，不改变其它参数，对于背景比为0.1得到了一个信号的150Kev的分辨率。系统偏差保持不变，表示出了对于一个10倍大的背景的（200±10）Kev的总体分辨率。由于系统的移动以及分辨率得到的结果数据表明对于宽度的分辨率实现0.1Mev是可行的。然而对于大部分的实验参数PANDA的设计值包含了模拟，不确定性的主要来源于目前为止仍然未知的产品横截面(production cross section)。第三章 总结与展望本文从跟踪系统、粒子鉴别系统、电磁量能器、靶系统、前向谱仪、磁体系统六个方面详细介绍了panda探测器的实验装置，指出了panda探测器收集反质子-质子碰撞的所有信息，实现弹道重构、能量和动量的精确测量及带电粒子的有效识别的物理实验目标，并用(2317)宽度测量的例子具体说明了panda探测器的