Khi electron và positron va chạm với nhau, hạt upsilon Y(bb) được tạo thành, hạt này có thời gian sống ngắn ~1.21×10−20 s, phân rã ngay lập tức thành cặp thành meson B và meson B( là phản hạt của B). Các meson B(B) có thời gian sống ngắn cỡ pico giây (10-12s), Sau đó phân rã thành các hạt khác như π (pion), Κ(kaon) μ(muyon)… Detector Belle II được thiết kế để ghi nhận các hạt này sau đó xây dựng lại hạt B và B. Đặc biệt vì B và B
meson có thời gian phân rã ngắn nên khoảng cách từ điểm tương tác đến điếm nó phân rã rât ngắn, ở thí nghiệm Belle II là khoảng 500μm. Độ phân giải giữa hạt và phản hạt chỉ khoảng 200 μm, xem hình 1.8. Nên Detector được thiết kế để xác định chính xác các điểm phân rã này đến độ phân giả cở μm.
Hình 1.8 Sản phẩm tạo thành sau va chạm e+/e-
Hình 1.9 Detector Belle II
Hình 1.9 là detector Belle II. Detector có cấu hình 4π bao bọc xung quanh vùng xảy ra va chạm để có thể ghi nhận các hạt. Ở vùng này đường ống gia tốc được thiết kết nhỏ, đường kính 1cm, và làm bằng Beryllium để tránh hấp thụ một số hạt năng lượng thấp. Chi tiết các detector như sau:
a. Detector Vertex.
Detector Vertex nằm ở trong cùng, có nhiệm vụ xác định chính xác tọa độ điểm phân rã của meson B. Nó bao gồm 6 lớp detector (hình 1.10.a), bán kính lớp trong cùng là 1.4cm và ngoài cùng là 14cm, gồm 2 lớp detector pixe trong cùng và 4 lớp detector Double Silicon Strip.
(b) Hình 1.10a Hình ảnh detector Vertex; b, nguyên lý xác định vị trí phân rã
của B meson.
Detector Pixel gồm nhiều tấm bao quanh ống gia tốc tại điểm va chạm.
Mỗi tấm gồm nhiều điểm (hình 1.10), mỗi điểm như là 1 detector (hình 1.11b) với bề dày vùng nhạy khoảng 50μm, được chế tạo theo công nghệ DEPFET, đó là cấy lên trên detector một transitor MOSFET với một cổng trong (internal gate), thay vì tín hiệu ra được lấy trên cực (+) của detector như bình thường thì tín hiệu được khuếch đại qua transitor trường này rồi mới đưa ra
Hình 1.11 Detector Pixel Pixel detector (lớp 1,2) Si strip detector (4 lớp ngoài cung) (a)
Detector DSSD (Double-side Silicon Strip Detector)
Mỗi tấm detector DSSD bao gồm vùng nhạy và 2 lớp điện cực trên và dưới, 2 lớp này được chia thành các dãi nhỏ theo 2 phương khác nhau. Khi hạt tích điện đi qua vùng nhạy electron đi về phía cực (+) và lỗ trống đi về cực (-) như hình 1.12b. Từ các cực này ta có thể xác định tọa độ của hạt.
Hình 1.12 Detector DSSD. a, Hình dạng của detector; b, Nguyên lý của detector DSSD
c. Detector CDC (Central Drift Chamber)
Detector CDC là detector chứa khí, hoạt động ở vùng ống đếm tỉ lệ. CDC nằm ở phía ngoài của detector Vertex và phía trong detector PID. Ở thí nghiệm Belle II dùng hỗn hợp khí He(50%) và C2H6(50%). CDC được cấu tạo bao gồm nhiều dây anode và được bao quanh bởi các dây cathode. Vị trí của hạt được xác định chính xác bằng các đo thời gian khuếch tán của điện tử về anode, là khoảng thời gian khi mà hạt mang điện gây ion hóa chất khí và thời gian tín hiệu xuất hiện trên anode.
Nhiệm vụ của detector CDC
+ Xây dựng quỹ đạo của hạt tích điện và đo chính xác momen động lượng của chúng
+ Cung cấp thông tin để phân biệt hạt dựa vào sự suy giảm năng lượng trong chất khí. Với các hạt có năng lượng thấp mà không bay tới được
detector PID (là detector dùng để phân biệt hạt) thì có thể nhận dạng hạt mà chỉ sử dụng detector CDC.
+ Cung cấp tín hiệu trigger đối với hạt mang điện cho các detector khác.
Cấu tạo của detector CDC
1.13a Detector CDC (hình dạng, kích thước)
(b)
(c) Hình 1.13 Detector CDC
Hình 1.13 là hình dạng của detector CDC, hình 1.13 a là mặt cắt theo mặt phẳng zx, và hình 1.13b là nhìn theo mặt phẳng xy. CDC được cấu tạo từ 14336 dây anode (sense wire) ~ 14336 kênh tín hiệu, mỗi dây dây anode được bao quanh bởi 6 dây cathode (field wire), tổng cộng số dây là 51456 dây. Dây được sắp xếp thành 56 lớp (Layer) và 8 siêu lớp (SuperLayer) như trong hình 1.13c. Để xác định phương z của tọa độ của hạt thì detector được thiết kế gồm 2 loại dây là song song với trục z và lệch một góc nhỏ, các SuperLayer song
song với trục z kí hiệu là A (Axial), các SuperLayer lệch một góc gọi là U hoặc V (Stereo). 9 siêu lớp được sắp xếp theo thứ tự AUAVAUAVA .
Hệ điện tử
(a)
(b)
Hình 1.14 Bảng mạch của Detector CDC; 1.9a là sơ đồ nguyên lý. 1.9b là một bảng mạch đã được chế tạo.
Hệ điện tử của detector CDC có nhiệm vụ xử lý tín hiệu từ anode và số hóa sau đó truyền ra ngoài. Chúng được đặt ngay phía sau detector, bao gồm nhiều bản mạch, mỗi bảng mạch bao gồm 48 kênh. Hoạt động theo sơ đồ nguyên lý như ở hình 1.9a. Hình 1.9b là hình vẽ một bản mạch đã chế tạo:
c. Detector PID (Particle Identify Detector )
PID nằm ở phía ngoài của detector CDC có nhiệm vụ là phân biệt các hạt tích điện dựa vào việc đo góc phát ra của bức xạ Cherenkov khi hạt tích điện bay qua detector. Tương ứng với mỗi hạt tích điện khi bay qua detector sẽ phát ra bức xạ Cherenkov ở những góc khác nhau.
Trong thí nghiệm Belle II detector PID có hai loại. Ở khu vực đầu cuối (End-Cap) là RICH (Ring Imagine Cherenkov) như ở trong hình 1.15b, ảnh Cherenkov của bức xạ được thu trên hệ các photon detector. Loại thứ hai nằm song song với trục z và bao quanh CDC là TOP (Time Of Propagation), với loại này thì bức xạ Cherenkov được thu ở đầu cuối của tấm bức xạ như ở trong hình 1.10c. Sau đó góc Cherenkov được xây dựng lại dựa vào vị trí thu
ánh sáng ở đầu cuối và thời gian bay về photon detector của các tia phản xạ theo các phương khác nhau.
(a) (b)
(c) Hình 1.15 Detector PID
d. Detector ECal (Electromagnetic Calorimeter Detector)
Detector ECal hay còn gọi là Calorimeter điện từ, nằm phía ngoài detector PID, có nhiệm vụ là đo năng lượng của bức xạ điện từ, electron, positron và phân biệt chúng. ECal là detector nhấp nháy, sử dụng tinh thể CsI(Tl). Trong thí nghiệm Belle 2 sử dụng 8736 tinh thể CsI(Tl) có tổng khối lượng là 43 tấn,
e. Detector KLM (K-Long and Muyon Detector)
Detector KLM dùng để xác định và phân biệt KL 0
và μ, là detector nằm ngoài cùng của hệ detector. Nó bao gồm nhiều tấm thép dày xen kẻ với các detector. Vì KL0 là hạt trung hòa về điện nên không ghi nhận được bằng các detector phía trong mà phải dùng các tấm thép dày xen kẻ với các tấm detector. Khi đi qua các tấm thép này K0L sẽ tương tác với tấm thép và tạo ra một loạt các hạt tích điện. Các hạt tích điện này sẽ được ghi nhận trong các detector. Sau đó xây dựng lại hạt K0L và xác định được hướng bay của hạt này. KLM sử dụng hai loại detector để ghi nhận các hạt tích điện. Detector ở xung quanh là detector RPT (Resistive Plate Chamber) và ở đầu cuối là Detector nhấp nháy có dạng các dãi nhỏ và được sắp xếp theo 2 phương khác nhau, ánh sáng được dẫn ra bằng các sợi cáp quang.
Chương 2 - PHÔNG DO CHÙM TIA GÂY RA TRONG THÍ NGHIỆM BELLE II
Máy gia tốc KEKB sau khi nâng cấp thành SuperKEKB thì kích thước của chùm tia nhỏ lại, cường độ chùm tia tăng lên, điều này làm cho phông bức xạ do chùm tia gây ra tăng lên rất nhanh. Nó có gây ra nhiều ảnh hưởng đến hệ detector.