Разработка детектора черенковских колец на основе фокусирующего аэрогеля

1. Разработка детектора черенковских колец на основе фокусирующего аэрогеля С.А. КононовИЯФ СО РАН Сессия ЯФ ОФН РАН, 21-25 ноября 2011 г. А.Ю.Барняков, М.Ю.Барняков, И.Ю.Басок, В.Е.Блинов, В.С.Бобровников, А.А.Бороденко, А.Р.Бузыкаев, В.В.Гулевич, С.А.Кононов, Е.А.Кравченко, И.А.Куянов, А.П.Онучин, И.В.Овтин, А.А.ТалышевИнститут ядерной физики СО РАН им. Г.И.БудкераА.Ф.ДанилюкИнститут катализа СО РАН им. Г.К.Борескова

2. Что такое аэрогель? Блок для LHCb Аэрогель – пористый диоксид кремния (SiO2) с показателем преломления в промежутке между газами, с одной стороны, и твердыми и жидкими веществами, с другой Основные производители для ФВЭ: ИК СО РАН (Новосибирск) и Matsushita (Япония) Показатель преломления выбирается в процессе синтезаn=1.008 ÷ 1.08 (ИК СО РАН) Важный параметр для RICH – длинарассеяниясветаLsc≈ 5 см на 400нм Размер блоков аэрогелядо 200x200x50мм (ИК СО РАН) С.А. Кононов, ИЯФ СО РАН

3. Концепция ФАРИЧ(FARICH – Focusing Aerogel RICH) Одно кольцо Раздельные кольца Повышение точности измерения черенковского угла по сравнению с одним слоем достигается за счет уменьшения вклада толщины в ошибку. T.Iijimaetal., NIM A548 (2005) 383A.Yu.Barnyakovetal., NIM A553 (2005) 70 С.А. Кононов, ИЯФ СО РАН

4. Для чего нужен ФАРИЧ Forward PID для SuperB Ф/аэрогель+NaF, Photonis MCP PMTs Превосходное π/K разделение Проект закрыт Forward Spectrometer RICH для PANDA Ф/аэрогель, Hamamatsu H8500 PMT π/K/p до 10 ГэВ/с ФАРИЧдля модернизации ALICE Аэрогель, SiPMs π/Kдо 10 ГэВ/с, K/p до 15 ГэВ/с С.А. Кононов, ИЯФ СО РАН

5. Проект ФАРИЧ для Супер-c-τ-фабрики Радиатор: фокусирующий 4-х слойный аэрогель с nmax=1.07обсуждается использование NaF для малых импульсов Площадь радиатора: 17 м2 Фотонный детектор: Г-ЛФД(SiPM, G-APD) Площадь ФД: 21 м2 ~ 1 млн. каналов С.А. Кононов, ИЯФ СО РАН

6. Идентификация частиц Моделирование ФАРИЧ для Супер-c-τ-фабрики μ/π-разделение π/K-разделение Смешивание D-мезонов Поиск LFV вτ→μγ Разрешение по скорости в 4 раза лучше, чем у фокусирующего DIRC С.А. Кононов, ИЯФ СО РАН

7. Цели испытания прототипа ФАРИЧ • Первое измерение черенковского кольца из монолитного многослойного «фокусирующего» аэрогелевого радиатора • Проверка и исследование образцов многослойных «фокусирующих» аэрогелей, выработка новых методов измерения их параметров на пучке • Получение опыта работы с Г-ЛФД • 32 канала, шум в канале ~10 МГц • Временное разрешение при регистрации одиночного фотона должно быть лучше 1 нс С.А. Кононов, ИЯФ СО РАН

8. Выведенный пучок e/γна ВЭПП-4М • Параметры выведенного пучка: • Ibeam ~10 мA, Ebeam=3.5 ГэВ, загрузка от вторичных электронов (1.3 ГэВ) ~50 Гц, максимальная энергия вторичных электронов – 3 ГэВ • Размер пучка – 30x15 mm2 (определяется размером триггерного счетчика) С.А. Кононов, ИЯФ СО РАН

9. Тестовый пучок с прототипом ФАРИЧ С.А. Кононов, ИЯФ СО РАН

10. Прототип ФАРИЧ Бокс спроектирован с возможностью изменять расстояние аэрогель – фотонные детекторы от 50 до 700 мм Фотонные детекторы – 32 MRS APD2.1x2.1мм2 (пр-во ЦПТА, В.М.Головин) С.А. Кононов, ИЯФ СО РАН

11. Электроника прототипа С.А. Кононов, ИЯФ СО РАН

12. Расположение фотодетекторов Положение ФД и область триггера С.А. Кононов, ИЯФ СО РАН

13. Аэрогель 100x100x31мм3 Lsc(400нм)=43мм Фокусировка на расстоянии 93 мм от дальней плоскости аэрогеля. С.А. Кононов, ИЯФ СО РАН

14. Анализ: отбор по времени срабатывания Время хитов относительно фазы пучка σt = 350÷900 пс для разных каналов Условие по времени срабатывания |t-tc|<3σt С.А. Кононов, ИЯФ СО РАН

15. Измерение радиуса черенковского кольца (1) С.А. Кононов, ИЯФ СО РАН

16. Измерение радиуса черенковского кольца (2) σr=1.1mm r =22.1mm Отличиеизмеренного σr от расчетного в основном объясняется разрешением дрейфовых камер σtrack ≈ 0.5 мм. С.А. Кононов, ИЯФ СО РАН

17. Сравнение одно и 4-х слойного аэрогелей Измерение однослойного аэрогеля:n=1.05, t=2см σr= 2.1mm • «Фокусирующий эффект»: • Однослойный, толщина 2 см –> σr=2.1 мм • Четырехслойный, толщина 3 см –> σr=1.1 mm С.А. Кононов, ИЯФ СО РАН

18. Число фотоэлектронов четырехслойный аэрогель однослойный аэрогель С.А. Кононов, ИЯФ СО РАН

19. Заключение • ФАРИЧ позволяет получить наилучшую точность измерения скорости частиц с импульсом несколькоГэВ/c. • Проведено испытание прототипа ФАРИЧ на пучке. Получено хорошее согласие с ожидаемым разрешением по радиусу черенковского кольца. • Планируется модернизировать пучок для улучшения координатного разрешения (ДК, фотонные детекторы)и продолжить исследования. • Идет разработка системы ФАРИЧ для Супер-c-τ-фабрики: площадь фотонных детекторов (Г-ЛФД) – 21 м2, 1 млн. каналов электроники. С.А. Кононов, ИЯФ СО РАН

20. Запасные слайды С.А. Кононов, ИЯФ СО РАН

21. Моделирование ФАРИЧ для Супер-c-τ-фабрики Число фотоэлектронов Ошибка измерения скорости С.А. Кононов, ИЯФ СО РАН

22. Сигнальная функция Распределение треков при условии срабатывания фотодетектора где – координаты трека, – координаты фотона. Если проинтегрировать по активной площади одного ФД (пиксель), считая ее малой, и предположить симметрию по φ, то получим где , –площадь пикселя, – координаты пикселя. В простейшем случае распределение фотоэлектронов по радиусу кольца можно описать гауссианом Распределение всех треков

23. Процедура подгонки (1) Разобьем плоскость фотодетекторов на биныс центрами в - число треков в бине- число треков в бинепри условии срабатывания фотодетектора. Среднее число треков с условием срабатывания – расстояние от центра бина до центра пикселя;- сдвиг координат ФД относительно трековых координат; – параметр, учитывающий вклад фона. распределено по Пуассону со средним . Используем функцию правдоподобия:При подгонке определяются параметры . С.А. Кононов, ИЯФ СО РАН

24. Процедура подгонки (2) Другой подход заключается в получении распределения фотоэлектронов по радиусу– число треков всех и со срабатыванием ФД, соответственно. Далее распределение подгоняется гауссианом и линейным фоном по . С.А. Кононов, ИЯФ СО РАН