Niedawne odkrycie bozonu Higgsa w LHC potwierdza słuszność

Nr wniosku: 217375, nr raportu: 19145. Kierownik (z rap.): mgr Paweł Bartłomiej Strzempek
Niedawne odkrycie bozonu Higgsa w LHC potwierdza słuszność Modelu Standardowego (SM),
który jest teorią opisującą oddziaływanie elektromagnetyczne, słabe i silne występujące pomiędzy
cząstkami. Pomimo że teoria nie jest pełna (nie zawiera przyczynku od oddziaływania
grawitacyjnego) dzięki niej udało się przewidzieć wiele obserwacji poczynionych w dziedzinie
cząstek elementarnych jak chociażby istnienie bozonu W oraz Z czy też kwarku charm i bottom.
Jednym z ważniejszych wyzwań stojących przed SM jest zrozumienie natury silnych oddziaływań a
w szczególności mechanizmu uwięzienia kwarków i kreowania przez nie hadronów. Aby odnieść
się do tych problemów powstaje nowy detektor pracujący dla eksperymentu PANDA, który będzie
rejestrował cząstki pochodzące ze zderzeń protonów z antyprotonami dostarczanymi przez
akcelerator budowanym dla FAIR w Darmstadt.
Spektrometr projektowany dla eksperymentu PANDA dokonuje pomiaru cząstek za pomocą wielu
pod-detektorów. Jednym z nich jest system rekonstrukcji śladów, którego zadaniem jest
odtwarzanie śladów przelotów cząstek wewnątrz pola magnetycznego co będzie wykorzystane do
określania ich pędów. Dodatkowym zadaniem systemu rekonstrukcji śladów będzie pomiar straty
energii cząstek w materiale detektorze co z kolei umożliwia identyfikację cząstek.
Budowa systemu rekonstrukcji śladów jest oparta o detektory dryfu w formie słomek o średnicy 1
cm, które wypełniane są specjalną mieszanką gazową. Wewnątrz każdej słomki rozciągnięty jest
cienki drucik anodowy. Pomiędzy anodę i ściankę słomki, będącą katodą, przykłada się wysokie
napięcie rzędu 1800V. Cząstka posiadająca ładunek przelatująca przez słomkę jonizuje gaz w niej
zawarty produkując pary elektron-jon. Przemieszczające się elektrony i jony indukują sygnał w
drucie anodowym, który to sygnał jest odczytywany przez zaawansowaną elektronikę czołową.
Elektronika czołowa wzmacnia, kształtuje i dyskryminuje (zamienia w formę cyfrową) sygnał
analogowy pochodzący ze słomki. Otrzymany w ten sposób sygnał cyfrowy jest przesyłam do
dedykowanej płyty odczytu, która rejestruje czas przyjścia sygnału jak również jego szerokość z
nanosekundową precyzją. Informacja czasowa pochodząca z wielu słomek jest zbierana i
buforowana przez płytę odczytu a następnie zostaje
wysłana do komputera w celu zapisu i analizy.
Czas przyjścia sygnału ze słomki może zostać użyty do
obliczenia punktu, w którym cząstka przeszła przez
słomkę. Wiele takich punktów, które pochodzą z wielu
warstw słomek, jest później wykorzystywane do
odtworzenia śladu cząstki w detektorze.
Jednym z głównych sukcesów projektu było
zrekonstruowanie śladów cząstek z precyzją lepszą niż
150 μm. Nie byłoby to możliwe bez wcześniejszych
dokładnych testów elektroniki, które doprowadziły do
stworzenia kompletnego systemu odczytu dla prototypu
detektora słomkowego.
Innym istotnym wynikiem było sprawdzenie, że
pomiar straty energii może być przeprowadzony przy
pomocy metody pomiaru czasu nad progiem a co za
tym idzie możliwa jest identyfikacja cząstek z użyciem
detektora do rekonstrukcji śladów cząstek. Ostatecznie
stworzony został kompletny prototyp detektora wraz z
systemem odczytu, który jest gotowy do seryjnej
produkcji i zainstalowania w eksperymencie PANDA.
Rysunek 1: Przykład rekonstrukcji śladu
cząstki w prototypie detektora słomkowego
składającego się z 3 podwójnych 16
słomkowych warstw.