Nghiên cứu ảnh hưởng của neutron lên detector CDC trong thí nghiệm Belle II

Header Page of 16 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HOC TỰ NHIÊN Đồng Văn Thanh NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NEUTRON LÊN DETECTOR CDC TRONG THÍ NGHIỆM BELLE LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nôi - 2014 Footer Page of 16 Header Page of 16 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HOC TỰ NHIÊN Đồng Văn Thanh NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NEUTRON LÊN DETECTOR CDC TRONG THÍ NGHIỆM BELLE Chuyên nghành: Vật lý nguyên tử Mã số: 60440106 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS.Trần Ngọc Tiềm Hà Nội – 2014 Footer Page of 16 Header Page of 16 LỜI CẢM ƠN Lời em xin chân thành cảm ơn Thầy Trần Ngọc Tiềm tạo điều kiện để em có hội tham gia vào thí nghiệm Belle II thực đề tài luận văn Thạc sĩ Và người tận tình bảo giúp đỡ em suốt trình thực luận văn Em xin gửi lời cảm ơn đến Thầy Makoto Uchida, Thầy Shoji Uno Anh Hiroyuki Nakayama cho em hội tham gia vào công việc nhiệt tình giúp đở để em hoàn thành đề tài Đặc biệt suốt thời gian em thực tập KEK Qua em xin gửi lời cảm ơn đến Thầy Cô anh, chị bạn đồng nghiệp Bộ môn Vật lý hạt nhân, Khoa Vật lý, Trường Đại học Khoa học tự nhiên – ĐHQGHN tạo điều kiện thời gian giúp đỡ em trình làm luận văn Hà Nội, Ngày tháng năm 2014 Sinh viên Đồng Văn Thanh Footer Page of 16 Header Page of 16 MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT MỞ ĐẦU Chương - GIỚI THIỆU CHUNG 10 1.1 Mục đích thí nghiệm Belle II 10 1.1.2 Vi phạm đối xứng CP Vật lý B 13 1.1.2.1 Vi Phạm đối xứng C, P CP 13 1.1.2.2 Vi pham đối xứng CP hệ Kaon 15 1.1.2.3 Pha trộn quark ma trận CKM 17 1.1.2.4 Vi Phạm CP hệ B 20 1.2 Máy gia tốc SuperKEKB 24 1.2.1 Máy gia tốc SuperKEKB 24 1.2.2 Luminosity máy gia tốc SuperKEKB 26 1.3 Detector Belle II 28 Chương - PHÔNG DO CHÙM TIA GÂY RA TRONG THÍ NGHIỆM BELLE II 36 2.1 Các loại phông chùm tia gây 36 2.2 Bức xạ Synchroton 37 2.3 Hiệu ứng Touschek 37 2.3.1 Định nghĩa 37 2.3.2 Tốc độ hiệu ứng Touschek 39 2.4 Tán xạ Bhabha 41 2.4.1 Tán xạ Bhabha 41 2.4.2 Tiết diện tán xạ Bhabha 42 2.5 Tán xạ với không khí 42 Footer Page of 16 Header Page Nghiên of 16.cứu ảnh hưởng phông neutron lên detector CDC thí nghiệm Belle II 2.5.1 Tán xạ Coulomb 43 2.5.2 Phát xạ hãm 43 2.5.3 Tốc độ tán xạ chùm tia không khí 44 Chương - ẢNH HƯỞNG CỦA PHÔNG DO CHÙM TIA GÂY RA LÊN DETECTOR CDC 46 3.1 Mô phông chùm tia gây 46 3.2 Ảnh hưởng phông lên detector CDC 51 3.2.1 Phông hạt tích điện gây detector 51 3.2.2 Hệ bảng mạch detector CDC (Front-End Electronics) 53 3.2.2.1 Ảnh hưởng tia gamma hạt mang điện 54 3.2.2.2 Ảnh hưởng neutron 57 Chương – XÁC ĐỊNH CÁC VỊ TRÍ SINH NEUTRON VÀ THIẾT KẾ CHE CHẮN 63 4.1 Xác định nguồn gốc neutron hệ bảng mạch 63 4.2 Che chắn neutron 68 KẾT LUẬN 73 TÀI LIỆU THAM KHẢO 75 PHỤ LỤC 77 Đồng Văn Thanh Footer Page of 16 -2– Header Page Nghiên of 16.cứu ảnh hưởng phông neutron lên detector CDC thí nghiệm Belle II DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Các kênh quan sát thí nghiệm Belle Belle II, sai số so sánh với LHCb [1]………………………………………… 10 Bảng 1.2 Các nghiên cứu vật lý Bs Vật lý quark Charm Belle II, so sánh với Belle LHCb [1]………………………………… 11 Bảng 1.3 Các thông số chùm tia Luminosity máy gia tốc KEKB SuperKEKB…………………………………………………… 27 Bảng 4.1 Thông số loại vật liệu sử dụng che chắn neutron………… 69 Đồng Văn Thanh Footer Page of 16 -3– Header Page Nghiên of 16.cứu ảnh hưởng phông neutron lên detector CDC thí nghiệm Belle II DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Tam giác unitary db 20 Hình 1.2 Giản đồ Feynman cho pha trộn Bd, Bs 21 Hình 1.3 Dao động meson trung hòa Bs0  B s 23 Hình 1.4 Xác định bất đối xứng A(t) thí nghiệm Belle II[12] 24 Hình 1.5 Sơ đồ hệ thống máy gia tốc SuperKEKB 25 Hình 1.6 Sơ đồ gia tốc electron positron trước chúng đưa vào vòng lưu trữ 26 Hình 1.7 Hình học chạm chùm tia, Với góc Φ = 41 mrad 27 Hình 1.8 Sản phẩm tạo thành sau va chạm e+/e- 29 Hình 1.9 Detector Belle II 29 Hình 1.10a Hình ảnh detector Vertex; b, nguyên lý xác định vị trí phân rã B meson 30 Hình 1.11 Detector Pixel 30 Hình 1.12 Detector DSSD a, Hình dạng detector; b, Nguyên lý detector DSSD 31 Hình 1.13 Detector CDC 32 Hình 1.14 Bảng mạch Detector CDC; 1.9a sơ đồ nguyên lý 1.9b bảng mạch chế tạo 33 Hình 1.15 Detector PID 34 Hình 1.16 Detector ECL 34 Hình 1.17 Detector KLM 35 Hình 2.1 Các loại phông chùm tia gây 36 Hình 2.2 Bức xạ synchrotron 37 Hình 2.3 Hiệu ứng Touschek 38 Hình 2.4 Kết mô hiệu ứng touchek (3 kiện) 38 Đồng Văn Thanh Footer Page of 16 -4– Header Page Nghiên of 16.cứu ảnh hưởng phông neutron lên detector CDC thí nghiệm Belle II Hình 2.5 Sự phụ thuộc thời gian sống chùm tia vào bề rộng bó hạt 40 Hình 2.6 Sự phụ thuộc thời gian sống chùm tia vào chiều dài bó hạt 40 Hình 2.7 Sự phụ thuộc thời gian sống chùm tia vào lượng chùm tia 40 Hình 2.8 Một kiện tán xạ Bhabha 41 Hình 2.9 Giãn đồ Feynman cho tán xạ Coulomb (bên trái) phát xạ hãm (bên phải) 42 Hình 2.10 Electron (positron) phát xạ hãm giảm lượng 43 Hình 3.1 Xử lý liệu chuỗi module Basf2 46 Hình 3.2 Các vị trí chùm tia bị lệch va vào thành ống nhiều 48 Hình 3.3 Kiến trúc chương trình xây dựng hình học 50 Hình 3.4 Phông chùm tia gây detector CDC thí nghiệm Belle thiết lập cho Belle II với hệ số 20 [15] 52 Hình 3.5 Tốc độ đếm phông detector CDC 53 Hình 3.6 Sơ đồ bố trị hệ bảng mạch detector CDC 54 Hình 3.7 Hiệu ứng bẫy điện tích CMOS làm tăng ngưỡng[16] 55 Hình 3.8 Tổng liều chiếu lên hệ mạch năm 56 Hình 3.9 Sự phụ thuộc D(E)/Dn(95MeVmb) vào lượng [11] (Displacement damage function) 58 Hình 3.10 Chiếu xạ neutron theo phương khác lên FPGA tổng số kiện hư hại khả phục hồi quan sát được[10] 59 Hình 3.11 Thông lượng neutron bảng mạch; 3.11a, ảnh hưởng từ vùng xa 3.10b, ảnh hưởng từ vùng gần 61 Hình 3.12 Tổng thông lượng neutron bảng mạch điện detector CDC 61 Hình 4.1 Các điểm sinh neutron toàn detector Belle II [9] 63 Đồng Văn Thanh Footer Page of 16 -5– Header Page Nghiên of 16.cứu ảnh hưởng phông neutron lên detector CDC thí nghiệm Belle II Hình 4.2 Minh họa việc lưu liệu trình mô 65 Hình 4.3 Sơ đồ minh họa việc sử dụng RelationIndex để kết nối mảng liệu truy nhập vào mảng liệu 65 Hình 4.4 Sơ đồ xử lý liệu sử dụng module CDCBKg 66 Hình 4.5 Nguồn gốc neutron ảnh hưởng đến bảng mạch detector CDC 68 Hình 4.6 Sơ đồ detector Belle II 69 Hình 4.6 Hình học che chắn cho hệ bảng mạch 70 Hình 4.7 Kết thông lượng neutron bảng mạch sau che chắn vật liệu khác 71 Đồng Văn Thanh Footer Page of 16 -6– Header Page Nghiên 10 of 16.cứu ảnh hưởng phông neutron lên detector CDC thí nghiệm Belle II DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Giải thích Basf2 Belle II Analysis FrameWork: Phần mềm dùng cho thí nghiệm Belle II CDC Central Drift Chamber : Buồng trôi trung tâm, hay gọi Detector CDC CDC hit rate DSSD Tốc độ đếm phông detector CDC Double-side Silicon Strip Detector: detector Silcon, gồm nhiều dải điện cực hai mặt ECL ElectroMagnetic Calorimeter : Là Calorimeter điện từ HER High Energy Ring : Vòng lưu trữ lượng cao, dành cho chùm positron, E = 7GeV KLM K-Long and Muyon Detector: detector dùng để đo K-long Muyon LER Low Energy Ring : Vòng lưu trữ lượng thấp, dành cho chùm electron, E=4GeV Luminosity PID Độ sáng Particle Identify Detector: Deetector dùng để phân biệt hạt RBB SuperKEKB Touschek Đồng Văn Thanh Footer Page 10 of 16 Radiation Bhabha: Bức xạ Bhabha Máy gia tốc SuperKEKB Là hiệu ứng Touschek -7– Header Page Nghiên 67 of 16.cứu ảnh hưởng phông neutron lên detector CDC thí nghiệm Belle II đến hạt gây phản ứng Trong sản phẩm có phần neutron Thế nên neutron sinh khắp nơi vùng detector hình 4.1 Vì ta cần xác định neutron hệ bảng mạch có nguồn gốc từ đâu, vùng đóng góp nhiều để thiết kế che chắn thích hợp nhất, nhằm giảm thông lượng neutron xuống giới hạn thấp tốt Quá trình mô thực mô tả mục 3.1, ta thấy hạt tương tác vùng nhạy detector (Sensitive Detector) ghi lại số hóa số liệu ta thu có dạng số liệu thu từ thực nghiệm (chúng ta có thông tin neutron lượng, moment động lượng, ) bay từ đâu tới Trong Basf2, liệu lưu dataobject trình mô Mỗi mảng liệu có tên riêng như: MCParticle lưu giử thông tin Monte Carlo BeamBackHit lưu giữ thông tin phông chùm tia Để thuận tiện cho việc tính toán sau trình lưu liệu detector ta lưu lại tất thông tin chuổi tương tác hạt mảng liệu MCParticle Trong trình lưu liệu ta tạo mối quan hệ mảng liệu lớp hàm tạo mối quan hệ hai mảng như: RelationIndex, RelationInterface, RelationArray, … Thông tin phông chùm tia gây lưu lại nhờ dataobject BeamBackHits Khi lưu liệu ta phải đánh dấu mối quan hệ mảng liệu với mảng liệu MCParticle Có thể minh họa hình 4.2 ta có hai hình hộp hai detector mà ta ghi nhận hạt tương tác đó, phần xung quanh giá đỡ phần che chắn Khi có hạt bay vào, va chạm với phần xung quanh tạo hạt mới, hạt bay vào detector, điểm tương tác detector ghi lại dataobject BeamBackHits, tất trình hạt từ bay vào, tất Đồng Văn Thanh Footer Page 67 of 16 - 64 – Header Page Nghiên 68 of 16.cứu ảnh hưởng phông neutron lên detector CDC thí nghiệm Belle II điểm tương tác (tất thông tin phần đường màu xanh) ghi lại tập tin MCParticle Thường để tiết kiệm nhớ nên tất thông tin MCParticle lưu lại mà muốn lưu lại tất thông tin ta phải thay đổi mặc định trình mô module FullSim Hình 4.2 Minh họa việc lưu liệu trình mô Sau trình mô ta viết module xử lý số liệu Basf2 để tìm điểm sinh neutron Ý tưởng module mô tả hình 4.3 ta kết nối mảng với sử dụng hàm RelationIndex Sau ta tìm hạt sinh neutron điểm sinh cách truy nhập liệu mảng MCParticle từ mảng BeamBackHits Hình 4.3 Sơ đồ minh họa việc sử dụng RelationIndex để kết nối mảng liệu truy nhập vào mảng liệu Đồng Văn Thanh Footer Page 68 of 16 - 65 – Header Page Nghiên 69 of 16.cứu ảnh hưởng phông neutron lên detector CDC thí nghiệm Belle II Từ ý tưởng ta viết module để xác định điểm sinh neutron Module có tên CDCBkg Nhiệm vụ nối mảng liệu MCParticle BeamBackHit lại với tìm kiếm mảng liệu MCParticle thông tin neutron tương tác hệ bảng mạch Module viết ngôn ngữ C++, có cấu trúc tuân theo cấu trúc module chương trình Basf2 nêu mục 3.1 Sau có module xử lý liệu ta sử dụng module để xác định điểm sinh neutron Các module Basf2 sử dụng cách gọi vào từ chương trình điều khiển khác (gọi Steering file) viết python Cấu trúc chương trình mô sử dụng module CDCBkg hình vẽ 4.4 Đầu tiên module RootInput đọc liệu từ file liệu mô trước Sau module CDCBkg gọi mảng liệu xử lý Kết xử lý cho ta thông tin điểm sinh neutron, lượng neutron sinh phản ứng sinh neutron Các kết lưu lại file root module Hình 4.4 Sơ đồ xử lý liệu sử dụng module CDCBKg Sau phân tích liệu Monte Carlo ta có kết nguồn gốc neutron hệ bảng mạch detector CDC đồ thị hình 4.4 Hình 4.4.a đồ phân bố điểm sinh theo trục z x, hình 4.4.b điểm sinh neutron theo trục z y, đồ thị hình 4.4.c phân bố điểm sinh neutron theo trục z Đồng Văn Thanh Footer Page 69 of 16 - 66 – Header Page Nghiên 70 of 16.cứu ảnh hưởng phông neutron lên detector CDC thí nghiệm Belle II Vùng có nhiều neutron sinh ảnh hưởng đến EBs 4.5a Phân bố điểm sinh neutron theo phương z-x Vùng có nhiều neutron sinh ảnh hưởng đến EBs 4.5b Phân bố điểm sinh theo phương z-y Đồng Văn Thanh Footer Page 70 of 16 - 67 – Header Page Nghiên 71 of 16.cứu ảnh hưởng phông neutron lên detector CDC thí nghiệm Belle II 4.5c Phân bố theo trục z Hình 4.5 Nguồn gốc neutron ảnh hưởng đến bảng mạch detector CDC Từ phân bố hình 4.5.c ta thấy neutron hệ bảng mạch đóng góp chủ yếu neutron từ vùng có tọa độ z từ khoảng 80cm đến 150 cm, từ phân bố hình 4.5.a 4.5.b ta thấy các điểm sinh neutron chủ yếu vùng ống chùm tia, electron positron bị lệch khỏi chùm tia, va vào thành ống, có mật độ vật chất cao nên hầu hết phản ứng sinh xãy Các hạt gây phản ứng sinh neutron chủ yếu loại gamma electron positron 4.2 Che chắn neutron Sau tìm điểm sinh neutron tiến hành che chắn để giảm thông lượng neutron hệ bẳng mạch xuống Vì vùng detector gần không gian thiết kết để sử dụng cho mục đích khác nên việc che chắn cần phải thực vùng không gian cho phép, che chắn không làm ảnh hưởng đến thí nghiệm Đồng Văn Thanh Footer Page 71 of 16 - 68 – Header Page Nghiên 72 of 16.cứu ảnh hưởng phông neutron lên detector CDC thí nghiệm Belle II Vùng không gian trống Vị trí neutron sinh nhiều Không gian dùng cho dây tín hiệu từ detector Vertex Hình 4.6 Sơ đồ detector Belle II Dựa vào điểm sinh neutron cấu trúc detector ta thấy có vùng đặt che chắn, vùng nằm phía hệ điểm sinh neutron sau hệ bảng mạch, hình 4.6 Vì không gian hạn chế nên che chắn hết neutron bay đến hệ bảng mạch mà ta hi vọng giảm đến mức thấp Do phần che chắn thiết kế hình 4.7 Hình học che chắn sử dụng hình trụ tròn bao quanh đường ống Phần che chắn thiết kế 4.7a Che chắn neutron Đồng Văn Thanh Footer Page 72 of 16 - 69 – Header Page Nghiên 73 of 16.cứu ảnh hưởng phông neutron lên detector CDC thí nghiệm Belle II (b) (c) Hình 4.7 Hình học che chắn cho hệ bảng mạch Ngoài việc thiết kế che chắn tối ưu chọn vật liệu che chắn yếu tố quan trọng để đạt hiệu cao Chúng thử số vật liệu che chắn thường dùng Polyethylene (C2H4), 5%, 30% BoratePolyethylene (B+C2H4) Thông số loại vật liệu đưa bảng [17] Sau thiết kế hình học tiến hành mô phân tích liệu trường hợp khác sử dụng loại vật liệu che chắn khác Kết thu sử dụng vật liệu che chắn khác nhau, với hình học hình vẽ đưa hình 4.7 Bảng 4.1 Thông số Vật liệu sử dụng che chắn TT Tên Cấu tạo Mật độ (g/cm3) PolyEthylene C2H4 0.94 30% BoratedPolyEthylene Boron+C2H4 (30%B) 1.19 5% BoratedPolyEthylene 1.08 Đồng Văn Thanh Footer Page 73 of 16 Boron+C2H4 (5%B) - 70 – Header Page Nghiên 74 of 16.cứu ảnh hưởng phông neutron lên detector CDC thí nghiệm Belle II a, sử dụng Polyethylen b, sử dụng Boron+C2H4 (5%) c, sử dụng Boron+C2H4 (30%) Hình 4.7 Kết thông lượng neutron bảng mạch sau che chắn vật liệu khác Đồng Văn Thanh Footer Page 74 of 16 - 71 – Header Page Nghiên 75 of 16.cứu ảnh hưởng phông neutron lên detector CDC thí nghiệm Belle II Như vậy, theo kết ta thấy sau che chắn thông lượng neutron giảm nửa Vì che chắn đặt vùng có nhiều neutron xạ Bhabha chùm lượng thấp tán xạ Coulomb vùng lượng thấp nên thông lượng neutron hai phần đóng góp giảm nhiều, phần tán xạ Bhabha từ chùm lượng cao không đổi neutron từ hiệu ứng chủ yếu bay đến từ vùng không che chắn Với vật liệu khác kết không thay đổi nhiều, ta thấy hình vẽ giá trị cực đại khoảng 95*109 neutron/cm2/năm vật liệu chứa nhiều PolyEthylene, lượng Boron tăng lên, lượng PolyEthylen giảm xuống thông lượng neutron có xu hướng tăng, giá trị cực đại 30%boratedPolythylene 105*109 neutron/cm2/năm Vì để thuận tiện ta dùng PolyEthylene để che chắn làm giảm thông lượng neutron hệ bảng mạch Đồng Văn Thanh Footer Page 75 of 16 - 72 – Header Page Nghiên 76 of 16.cứu ảnh hưởng phông neutron lên detector CDC thí nghiệm Belle II KẾT LUẬN Trong luận văn tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng phông chùm tia gây lên detector CDC cách tiến hành mô phỏng Monte Carlo, qua thiết lập mức ảnh hưởng phông lên detector CDC tốc độ phông hạt tích điện gây Mức độ ảnh hưởng xạ lên hệ bảng mạch điện tử xử lý tín hiệu detector Từ kết mức độ ảnh hưởng phông chùm tia gây thấy tốc độ đếm phông tổng liều chiếu hạt tích điện tia gamma gây hệ bảng mạch thấp giới hạn detector Tuy nhiên, thông lượng neutron hệ bảng mạch khoảng 220*109 neutron/cm2/năm Giá trị cao gấp đôi so với giới hạn chịu đựng hệ bảng mạch detector hoạt động bền vững lâu dài suốt thời gian làm thí nghiệm (hơn 10 năm) Vì tiến hành xác định nguồn gốc neutron hệ bảng mạch để từ tiến hành che chắn thích hợp Kết xác định nguồn gốc neutron cho thấy neutron hệ bảng mạch sinh từ nơi, nhiều vùng nằm đường ống chùm tia, phía hệ bảng mạch (-150cm