ALICE实验中粒子鉴别、刻度校正和π0系统误差的研究

作     者：万仁卓 

作者单位：华中师范大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周代翠

授予年度：2008年

学科分类：07[理学] 070202[理学-粒子物理与原子核物理] 0702[理学-物理学] 

主      题：夸克胶子等离子体 ALICE实验 径迹重建与粒子鉴别 光子谱仪刻度 π0重建和系统误差分析 

摘      要：时间、空间、物质是人类认识世界、认识宇宙的古老的、永恒的课题。19世纪70年代建立的标准模型认为,宇宙的基本粒子由6味夸克和6种轻子组成,并通过规范粒子传递相互作用(强相互作用,弱相互作用,电磁相互作用和引力相互作用)。经过近30年的理论探索和实验检验,在深入理解物质基本结构和相互作用上取得了巨大的成功。然而一些悬而未决的问题依然存在:寻找希格斯理解粒子质量起源,如何解释量子重力,以及超对称等。作为标准模型一部分的量子色动力学(QCD)预言在高温或高密极端环境下会导致强子物质向解禁闭的夸克—胶子等离子体(QGP)物质的相变,形成一种新的物质形态“夸克—胶子等离子体。 为检验标准模型,揭示困扰人类已久的基本问题,人类建造了本世纪能量最高、性能卓越的大型强子对撞机(LHC),通过大型加速器实现高能重离子的猛烈碰撞。大型离子对撞机实验(ALICE)是该对撞机上四大主要实验之一,它拟通过LHC把铅离子加速到每核子2.75TeV实现碰撞,预期能够形成局域极端高温(初始～500-1000MeV)和高能量密度(～15-60GeV/fm)核物质。ALICE实验将推进当前的QCD能量标度,开展关于QCD凝聚和真空结构及其性质的实验研究,同时还将进行超密度物质研究,进而揭示宇宙演化的奥秘—即在宇宙大爆炸的几个毫秒之后物质态的性质。 LHC能区的粒子产生主要源于高密或饱和部分子分布及QCD硬过程。理论预言,硬部分子穿越密度核物质会发生多重散射损失能量。在LHC能区,这种具有高产生率的硬部分子将成为诊断热密QCD物质生成与否的重要探针。硬的电磁探针-直接光子能够提供高Q的部分子分布信息;更热更长寿命的QGP态能辐射热光子引起末态直接光子产额增强;强子化阶段冻结强子π成为末态衰变光子产额的主要来源;末态直接光子增强及高横动量光子产额压低成为诊断QGP信号的黄金探针。 ALICE合作组研制的光子谱仪(PHOS)是一种高性能的新一代电磁量能器,能够高效探测动量在0.5～100 GeV/c光子,用于铅-铅碰撞实验中测量直接光子和衰变光子产物,检测核-核碰撞初始阶段的温度、时空演化和喷注淬火等特征信号,探索TeV能区核—核碰撞系统的热力学及起演化性质。PHOS由五个模块(每个模块由56×64块钨酸铅晶体构成)和带电粒子剥离器组成,并具有△φ=100°和|η|0.12的角覆盖度。束流测试结果表明:入射光子能量在2GeV时的能量分辨率σ/E～3%,位置分辨率σ～2.7mm时间分辨率σ～0.5ns:π的质量分辨率～4.7 MeV,PHOS探测器的关键性能指标满足ALICE的物理需求和设计指标,成为TeV能区探测直接光子与衰变光子的重要谱仪。 ALICE离线分析是整个实验中的重要环节之一,它基于Root和AliRoot软件框架提供了从物理产生器、探测器模拟、到原始数据重建和数据分析的完整链。作为ALICE实验的合作者,我一直致力于探测器前期模拟和重建研究,并且参加了PHOS探测器校正工作,本论文基于AliRoot离线分析框架,描述了我在硕士期间所开展的三项工作: 1)粒子鉴别。按照2007年LHC的运行计划,ALICE光子谱仪上的带电粒子剥离器将不被安装,如何区分和排除打在光子谱仪上的带电粒子成为ALICE光子探测实验的一个研究课题。我们通过结合ALICE中心径迹探测器的信息,将带电粒子径迹传播到光子谱仪表面,通过比较它和光子谱仪重建的团簇位置坐标的距离,并结合粒子穿越探测器的蒙特卡罗信息得到带电粒子的鉴别和污染效率,从而提供一种鉴别带电粒子的辅助方法。同时我们也考虑了在中心径迹探测器不同的几何和材料配置的情况,研究发现原计划的ALICE探测器配置会造成更大的光子转化,从而给光子探测造成较大的系统误差。本研究为ALICE实验提供了参考,ALICE委员会最终决定在保证ALICE各个探测器物理目标实现的同时,三个PHOS模块将只被ITS和TPC覆盖,另外两个被ITS,TPC,TRD和TOF覆盖,从而保证了PHOS更高的物理需求。 2)PHOS探测器能量校正。由于PHOS晶体测量的信号振幅和沉积在晶体里的能量是相关的,并且直接影响到最终的物理分析,比如50GeV/c直接光子的1%的能量刻度不确定度将会对散射截面造成4%的系统误差,因此探测器校正也是整个实验中的重要环节之一。本文在讨论了什么是校正,为什么校正,如何校正的基础上,详细分析了2007年宇宙射线和LED测试数据。该分析综合运用了PHOS信号基准,信号质量,高/低增益比等信息去判别和挑选坏/死道,进而使用最小电离粒子(MIP)方法获得探测器校正参数,确保原始数据重建和物理数据分析的品质。同时通过本分析也证实了当前物理分析软件对原始数据的重建,以及调用校正参数数据库的有效性。 3)π重建及系统误差研究。PHOS的物