Проект ATLAS Forward Proton

Проект ATLAS Forward Proton Project ( проект AFP ) — проект эксперимента ATLAS на Большом адронном коллайдере по обнаружению протонов в его передней области . Он начался с исследований и разработок в 2004 году и был одобрен в 2015 году.

Первоначальный проект НИОКР FP420 был международным сотрудничеством с членами 29 институтов из 10 стран, ^[1] с целью оценки возможности установки детекторов маркировки протонов на расстоянии 420 м от точек взаимодействия экспериментов ATLAS и CMS . Основной областью интересов, которая мотивировала проект, было изучение протон-протонных взаимодействий и центрального эксклюзивного производства в передней области машины. ^[2] Участвующие частицы движутся вниз по передней области пучковой трубы, где проходит большая часть энергии, испускаемой при столкновениях, но имеют меньшие импульсы, чем исходные протонные пучки, и имеют траектории, которые расходятся от нее (потому что они изгибаются на разную величину магнитами коллайдера) и в конечном итоге попадают на стенки пучковой трубы в местах, где их можно обнаружить отдельно от исходного пучка. ^[3] Таким образом, это потребовало установки новых протонных детекторов на разных расстояниях вдоль этой пучковой трубы. ^[3] Существующие детекторы протонов ALFA в ATLAS подходили только для низкоэнергетических запусков, тогда как новые детекторы были предназначены для измерений столкновений с высокими энергиями. ^[4]

Исследования и разработки для проекта AFP начались в 2004 году. ^[5] Первоначальное письмо о намерениях было подано в 2009 году. ^{[6] [5]} Первоначальной целью было иметь два набора протонных детекторов, расположенных в группах, обозначенных как «220» (на расстоянии 216 м и 224 м) и «420» (на расстоянии 416 м и 424 м), но проект был отложен в 2010 году из-за сокращения финансирования Соединенным Королевством, в результате чего было принято решение отказаться от 420 детекторов и иметь только 220. ^{[5] [4]} (420 детекторов в любом случае представляли бы большие технические трудности по сравнению с 220, поскольку они также включали бы изменение системы жидкого гелия, уже имеющейся в этом месте, и хотя они были необходимы для изучения бозона Хиггса , они не были необходимы для других исследований. ^[4] )

Этот сокращенный проект прошел формальную стадию технического предложения и был одобрен в 2012 году Исполнительным советом сотрудничества ATLAS и Комитетом по экспериментам LHC. ^[5] В 2014 году были проведены технические проверки, и в июне того же года проект получил одобрение на модернизацию ATLAS. ^[5] Первоначальный тестовый луч в ноябре продемонстрировал, что различные системы были правильно интегрированы, и после стартового совещания 03.02.2015 Исполнительный совет ATLAS подтвердил свое решение 30.02.2015. ^[7] В то время установку детекторов планировалось завершить к 2017 году для использования в ходе второго запуска LHC. ^[8]

Детекторы на расстоянии 216 м известны как «ближние» детекторы, а детекторы на расстоянии 224 м — «дальние» детекторы, их разделение составляет 15σ. ^[9] Впервые они начали собирать данные с запусков LHC в 2016 году, но только с низкой светимостью. ^[10] С 2017 года они собирали данные со всех запусков LHC. ^[10]

Детекторы кремниевого трекинга (SiT), используемые в проекте, были смоделированы на основе детектора вставного B-слоя (IBL) в ATLAS, с использованием пиксельных измерений в сочетании с данными магнита для обеспечения импульсной спектрометрии. ^[5] Для того чтобы обеспечить возможность извлечения и повторной установки детекторов, они монтируются внутри римских горшков . ^{[5] [11] [12]} Каждый из «дальних» детекторов также включает в себя детектор времени пролета, разработанный для уменьшения «нагромождения» путем измерения разницы во времени пролета частиц по обе стороны от точки взаимодействия ATLAS и сравнения ее с реконструированным положением вершины столкновения. ^[13] Детекторы времени пролета включают в себя микроканальный пластинчатый фотоумножитель (MCP-PMT), считывающий L-образные кварцевые стержни. Особую озабоченность вызывает деградация, вызванная обратным рассеянием положительных ионов, для борьбы с которым фотоумножители покрываются с помощью осаждения атомного слоя. ^[14] Ожидается, что они будут выдерживать 3×10 ¹⁵ н- _экв /см ² на 100 фб ⁻¹ . ^[15] Более ранние конструкции для ToF под названием QUARTIC (« QUAR tz TI ming Cherenkov ») ^[16] были основаны на прямых кварцевых стержнях. Первоначально рассматривалась альтернативная система под названием GASTOV, которая использовала газ вместо кварца для генерации черенковского излучения , регистрируемого фотоумножителем. ^[11]

Кремниевые пиксельные датчики располагаются на расстоянии 2–3 мм от луча. ^[12] Конструкция пиксельных датчиков осложняется неравномерными дозами радиации, которые они получают в течение срока службы. ^[12] Чтобы сделать их устойчивыми к этому излучению, их производство более сложное, чем у простого планарного устройства. ^[12]

Их рабочая температура также влияет на производительность, и они работают при температуре −20 °C с первичной (вихревая трубка) и вторичной (вакуум поддерживается между 5 мбар и 30 мбар) системами охлаждения. ^[17] Вакуумная система имеет полезный побочный эффект, уменьшая механическое напряжение, вызванное атмосферным давлением на римских горшках, которые имеют тонкие окна и дно. ^[17]

Работая на частоте 40 МГц, интегральная схема FE- I4B соединена по постоянному току с самими датчиками, обеспечивая несколько каналов считывания, которые могут быть независимо усилены и сформированы, и которые имеют независимо регулируемые уровни дискриминатора. ^{[12] [15]} Чип, работающий от внешнего тактового генератора, предоставляет 4-битные данные синхронизации для времени превышения порога, которые сохраняются вместе со временем срабатывания. ^[12] Сами датчики имеют размер 336×80 пикселей, причем каждый пиксель имеет размер 50×250 мкм2 ^на их лицевой стороне и глубину 230 мкм. ^[15]

Эта конструкция смоделирована на основе конструкции 3-D датчика, которая была разработана для IBL компаниями CNM ( Тренто ) и FBK ( Барселона ). ^[12] Первоначальным недостатком конструкции было то, что она имела сравнительно большую (примерно 15000 мкм) мертвую зону на части датчика, ближайшей к лучу. ^[12] Это было исправлено путем уменьшения мертвой зоны примерно до 200 мкм путем использования разреза алмазной пилой для «нарезки» датчика. ^[12] Испытания были проведены в 2016 году для определения эффективности этой конструкции; ^[18] и результаты показали эффективность 97%, потенциально увеличивающуюся на 1%, поскольку фактическое расположение датчика могло использовать небольшой угол падения , тогда как испытательный стенд был размещен перпендикулярно падающему излучению. ^[18] Этот угол является средним углом Черенкова, 14°, который оказался оптимальным углом, дающим разрешение 6 мкм вместо 50/ √ 12 мкм, которое дает перпендикулярная ориентация. ^{[16] [19]}

Существует несколько частей LHC, которые влияют на преломление испускаемых протонов, включая дипольные магниты разделения пучка, квадрупольные магниты фокусировки пучка и коллиматоры пучка, которые защищают магниты. ^[20] Расхождение обнаруженных протонов от основного протонного пучка зависит от потери энергии при столкновении, и детекторы AFP по характеру своего положения могут обнаруживать только протоны с потерями энергии в диапазоне от 2% до 10% от энергии исходного пучка. ^[20]

Разрешающая способность детекторов времени пролета, измеренная в ходе испытаний в 2015 году, составила38 ± 6 пс и46 ± 5 пс на LQbar. ^[21]

• Брандт, Эндрю. «ATLAS FORWARD PROTONS». Техасский университет в Арлингтоне, физика высоких энергий.