30
VELO được đặt quanh điểm va chạm có nhiệm vụ đo chính xác các đỉnh va chạm ban đầu và đỉnh phân rã của hạt tích điện. VELO cho biết thông tin các vết hướng về phía trước và phía sau để xây dựng lại đỉnh va chạm ban đầu. Các vết hướng về phía trước xác định hướng bay của hạt và đóng góp thông tin vào các vết được xác định ở các detector tiếp phía sau.
VELO được cấu tạo bởi những cảm biến silic đặt rất gần chùm tia và vuông góc với phương chùm tia. Toàn bộ hệ thống được đặt trong bình chân không cùng với hệ thống “Roman” cho phép dịch chuyển hai nửa của VELO ra xa chùm tia khi bắt đầu phóng chùm tia. Ngoài ra, VELO còn được đặt trong một hệ chân không thứ hai bằng phoi nhôm mỏng gọi là phoi RF, có tác dụng che chắn sóng điện từ bảo vệ các hệ thống điện tử khỏi những hiệu ứng điện từ sinh ra bởi chùm tia của máy gia tốc LHC. Bình chân không của VELO và các thành phần chính của nó chúng ta có thể thấy như trong hình 2.5.
31
VELO gồm 21 trạm sensor silic chia làm hai loại: một loại để đo tọa độ xuyên tâm, có cấu tạo là các vành tròn đồng tâm bao quanh lấy trục chùm tia; loại thứ hai để đo góc phương vị, được cấu tạo bởi các dải xuyên tâm. Chúng được bố trí thành từng cặp hai bên chùm tia. Các sensor này dày 220 μm dùng dải silic đơn loại
n – n. Hình ảnh nửa đĩa sensor như trong hình 2.6.
Hình 2.6: Hình ảnh nửa đĩa sensor
VELO cũng có bộ đếm các va chạm chồng chất, gồm 2 sensor r đặt phía trước các điểm tương tác. Hệ thống này chỉ ghi lại các vết hướng ngược chiều cho phép xác định sự chồng chất của vết trong miền đối diện cũng như số lượng va chạm ban đầu xảy ra khi chùm tia giao nhau. Những thông tin này được sử dụng để lựa chọn những sự kiện sạch.
2.2.3 Trigger tracker (TT)
TT được đặt sau RICH1 và phía trước lối vào của nam châm, cách vùng tương tác khoảng 2.5m. Vai trò của TT là xác định thông tin về xung lượng của vết. Độ lệch của vết trong từ trường của TT có thể sử dụng để đánh giá sơ bộ xung lượng của các hạt.
32
TT còn được sử dụng như trigger đầu tiên và cung cấp thông tin xung lượng của các vết khác nhau. TT cũng được sử dụng để xác định xung lượng ngang cho vết có tham số va chạm cao, đồng thời được sử dụng phân tích vết trực tiếp nhằm cải thiện tốc độ. Bên cạnh đó, TT còn được sử dụng ước lượng xung lượng của vết
có xung lượng nhỏ (như pion chậm được sinh ra từ phân rã D∗ → D ), ngay cả khi
chúng bị bẻ cong khỏi acceptance của detector. Thông tin từ TT cũng góp phần hoàn thiện độ phân giải các vết dài. Cuối cùng, TT được sử dụng trong phân tích offline để xây dựng lại quỹ đạo của các hạt trung hòa phân rã bên ngoài phạm vi của VELO và các hạt xung lượng thấp bị bẻ cong ra ngoài acceptance của thí nghiệm trước khi tới các trạm vết T1 - T3.
TT gồm hai trạm TTa và TTb, mỗi trạm có hai lớp cách nhau 27 cm. Lớp thứ
nhất và lớp thứ tư là các dải thẳng đứng (lớp X hợp với trục y một góc 0o), lớp thứ
hai và ba gồm những dải tạo thành một góc -5o (lớp U) và +5o (lớp V). Thiết kế hai
lớp trong trạm TTb được thể hiện như trong hình 2.7.
Hình 2.7 Lớp đầu tiên hợp với trục y một góc +5o (trái), lớp thứ hai thẳng đứng (phải). Các phần có readout khác nhau của một thang silic được chỉ thị bằng các
33
Hai lớp đầu tiên (TTa) nằm tại vị trí trục z = 2332 mm (lớp X), z = 2368 (lớp U) nằm ở vùng dưới của điểm tương tác; hai lớp sau (TTb) nằm ở vị trí trục z = 2602 mm (lớp V), z = 2638 mm (lớp X). Các lớp được thiết kế sao cho miền diện
tích bên trên và bên dưới của ống chùm tia được bao phủ bởi một dãy bảy sensor silic, trong khi đó vùng diện tích bên trái và bên phải của ống chùm tia được bao phủ bởi 7 sensor (TTa) hoặc 8 sensor (TTb). Các sensor được đặt so le, vị trí của
chúng được dịch theo trục z sao cho chúng lần lượt giao nhau trên trục x. Mỗi thang
được chia thành nhiều vùng màu khác nhau, như trong hình 2.7.
Việc phân mảnh kỹ lưỡng hơn trong vùng trung tâm nhằm cải thiện hiệu suất trigger, ở đây có hai vùng màu khác nhau:
4-2-1-1-2-4: ba thang gần chùm tia nhất tách thành ba readout khác
nhau trên mỗi nửa.
4-3-3-4: Tất cả các thang còn lại có hai phần readout trên mỗi nửa.
Số lượng sensor là 420 trong TTa (hai lớp, 15 thang/lớp, 14 sensor/thang) và
467 trong TTb (hai lớp, 17 thang/lớp, 14 sensor/thang), với tổng diện tích ~ 8.4 m2.
Khoảng cách giữa hai dải phục hồi thông tin silic là 183 μm. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Acceptance của trạm TT bị giới hạn một góc rất nhỏ bởi ống chùm tia. Lỗ
hổng giữa detector bao quanh chùm tia có độ rộng ~ 7.7 cm và độ cao ~ 7.4 cm.
Các lớp xác định của TT có độ rộng ~ 160 cm và độ cao ~ 130 cm. Tuy nhiên, do
vùng chết giữa hai sensor liên tiếp trong một thang nên acceptance giảm. 2.2.4 Tracking station
Tracking station gồm T1, T2 và T3, có vị trí sau nam châm theo hướng của chùm tia. Vai trò của tracking station xây dựng lại các vết tích điện dài nhằm xác định xung lượng của chúng; cung cấp quỹ đạo của vết được sử dụng trong detector RICH1; kết quả trên tracking station còn là cơ sở cho sự xây dựng lại tín hiệu trong các thiết bị đo năng lượng và buồng Muon.
34
Tracking station gồm hai phần: Inner Tracker (IT) và Outer Tracker (OT). Tại các góc nhỏ được đánh giá số lượng vết và mật độ vết là lớn nên sử dụng sensor silic micro-trip, vùng này chính là IT. Tại các góc lớn và xa chùm tia mật độ hạt giảm, vùng này bao bọc bởi OT sử dụng bình khuếch tán khí.
Inner Tracker
IT bao phủ toàn bộ vùng trong của tracking station, có dạng chữ thập quanh ống chùm tia. Trạm IT gồm bốn lớp, tương tự như trạm TT, các lớp được sắp xếp theo thứ tự X – U – V – X sử dụng sensor silic. Vùng bao bọc bởi IT có chiều rộng
~ 120 cm và chiều cao ~ 40 cm.
Outer Tracker
OT bao phủ phần còn lại của tracking station. Giống như IT thì OT cũng có bốn lớp X – U – V – X. Các lớp của OT dạng ống chứa đầy hỗn hợp khí gồm 75 %
Ar, 15 % CF4 và 10 % CO2. Với thành phần này thì tổng thời gian trôi lớn nhất là
50 ns, thời gian này cũng là thời gian hai bó liên tiếp vào LHC. Nhờ đó mà số tín hiệu chồng chập được điều khiển.
2.2.5 RICH Counter
Detector xác định hình ảnh Cherenkov (RICH) có nhiệm vụ ghi nhận và phân biệt các hạt khác nhau. Cung cấp thông tin cho vật lý B về các kênh phân rã khác nhau và cấu trúc liên kết của chúng.
Sự ghi nhận các hạt bởi RICH phải tính đến phổ xung lượng lớn nhất. Hai detector RICH sử dụng trong thí nghiệm LHCb: RICH1 đặt giữa VELO và TT, RICH2 đặt giữa tracking station và Calorimeter. RICH1 xác định các hạt có xung
lượng khoảng ~ 1 GeV/c đến ~ 60 GeV/c, RICH2 xác định các hạt có xung lượng
trên ~ 150 GeV/c.
Các detector RICH sử dụng kết quả của Cherenkov: khi một hạt tích điện truyền qua một môi trường với vận tốc lớn hơn vận tốc ánh sáng trong môi trường
35
đó thì phát ra bức xạ điện từ (bức xạ Cherenkov). Bằng cách xác định góc tạo bởi
hướng bức xạ Cherenkov với hướng của hạt, có thể xác định được vận tốc của hạt
từ đó xác định được khối lượng khi biết xung lượng. Góc Cherenkov thoả mãn
= 1/( ), với n là chỉ số bức xạ của môi trường. Điều kiện để quan sát được
bức xạ Cherenkov > 1. Việc lựa chọn môi trường bức xạ phụ thuộc vào giá trị
xung lượng cần xác định. Trong trường hợp xung lượng lớn thì môi trường có chỉ
số khúc xạ nhỏ. Môi trường bức xạ sử dụng cho RICH1 là di-oxitsilic (n = 1.03) và
C4F3 ( n = 1.0014). Với RICH2 môi trường bức xạ là CF4 (n = 1.0005).
Hình 2.8: Hình ảnh tín hiệu của RICH2 xác định bằng quang điện tử (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Các detector RICH cho hình ảnh chùm sáng tròn, trong đó bán kính của mỗi
đường tròn đưa ra một phép đo tương ứng với góc Cherenkov . Tín hiệu thu được
trong RICH2 như trong hình 2.8. 2.2.6 Calorimeter
Calorimeter (thiết bị đo năng lượng của các hạt) được đặt ở trung tâm của detector LHCb, giữa trạm Muon thứ nhất và thứ hai. Calorimeter được sử dụng để
36
xác định năng lượng và vị trí của hầu hết các hạt, ngoại trừ các muon và neutrino được xác định bằng các trạm Muon. Calorimeter đo năng lượng đã truyền của các hạt qua quá trình ion hóa sinh ra các hạt thứ cấp đến khi bị hấp thụ. Vật liệu nhấp nháy sẽ thu và xác định năng lượng của hạt.
Detector nhấp nháy Pad (SPD)
SPD được đặt trước Calorimeter, xác định các hạt tích điện qua sự ion hóa của chúng. Detector này phân biệt photon và electron. Bề dày chất nhấp nháy 15 mm.
Pre-Shower (PS)(tiền mưa rào)
PS có cùng vị trí với SPD, là lớp chì dày 12 mm. PS có nhiện vụ phân biệt electron và hadron.
Electromagnetic Calorimeter (ECAL)
ECAL sử dụng modul loại Shashlik, gồm các viên nhấp nháy dày 4 mm với các lớp mỏng dày 2mm. ECAL xác định năng lượng của các hạt tương tác điện từ (electron và photon) qua tương tác điện từ của chúng với detector. Độ phân giải
năng lượng của ECAL là ( )= %
√ ⨁1.5% (E đơn vị GeV).
Hadronic Calorimeter (HCAL)
HCAL có vị trí sau ECAL, với nhiệm vụ xác định năng lượng các hạt hadron thông qua tương tác của chúng với detector. HCAL gồm các bản thép dày 16 mm và các viên nhấp nháy 4 mm được đặt song song với hướng của chùm tia. Phân giải
năng lượng của HCAL là ( ) = %
√ ⨁1.5%.
2.2.7 Hệ Muon
Hệ Muon được đặt cạnh Calorimeter (gồm M2 → M5), M1 được đặt trước
SPD. Với nhiệm vụ xác định các muon, tuy nhiên các muon đã được xác định trong trạm T và ngoại suy chuyển động của chúng đến các chạm Muon.
37
Trạm Muon là phần lớn nhất trong buồng tỉ lệ (MWPC), được chia làm bốn vùng. Phần trong cùng của M1 sử dụng triple-GEM.
2.2.8 Hệ thống trigger
Nhiệm vụ của các trigger là lựa chọn các tín hiệu được quan tâm, căn cứ vào hai dấu hiệu: các vết có thông số va chạm lớn và các hạt có xung lượng ngang lớn. Việc lựa chọn và sử dụng các trigger căn cứ vào hai tiêu chí là tốc độ và hiệu suất.
Trong thí nghiệm LHCb hệ thống trigger có 3 mức:
Mức tốc độ lối vào tốc độ lối ra tỉ lệ giảm Mức 0 (trigger L0) 12.4 MHz 1MHz 16 Mức 1 (trigger L1) 1 MHz 40MHz 25 Mức cao (trigger HLT) 40 MHz 2MHz 20
Trong khi L0 hoạt động trong trường điện thì L1 và HLT là các trigger phần mềm chạy trong vùng hoạt động của CPU. Các trigger hiện đang sử dụng là các thiết bị ghi nhận thông tin với tần số 1 MHz. Trong thí nghiệm LHCb nhiệm vụ của các trigger là cung cấp số lượng lớn nhất sự kiện b đưa ra ở lối ra cuối cùng.
Trigger mức L0
Trigger L0 là mức trigger đầu tiên, được sử dụng giảm tốc độ thu tín hiệu từ 16 MHz xuống 1 MHz. Thời gian trôi trong L0 cố định 4 μs. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Trigger L0 gồm bốn hệ thống thành phần: hệ đa va chạm, trigger calorimeter,
trigger muon, decision unit:
Hệ đa va chạm: hệ này xác định đỉnh va chạm ban đầu. Mục đích là giảm tín hiệu
đa tương tác. Một sự kiện bị cấm nếu tổng số vết đa tương tác ≥ 112, hoặc số vết được sử dụng xây dựng lại cho tương tác thứ cấp là ≥ 3.
38
Trigger calorimeter: Một tín hiệu được chấp nhận vào trigger calorimeter khi ET >
2.6 GeV với electron, ET > 2.3 GeV với proton, ET > 3.5 GeV với hadron, ET >
2.6 GeV với s. Đồng thời cũng cấm với các sự kiện có năng lượng toàn phần
trong calorimeter mà < 5.0 GeV. Ngoài ra, tín hiệu cũng bị loại bỏ nếu đa tương tác SPD ≥ 280.
Trigger Muon: Tín hiệu được chấp nhận khi xung lượng ngang thỏa mãn > 1.3
GeV/c hoặc tổng của hai muon lớn nhất trên 1.5 GeV/c.
Decision unit: Gồm thông tin từ hệ đa va chạm, trigger calorimeter và trigger muon
đi vào vùng xử lí L0.
Hiệu suất của L0 là ~ 43 % cho → và ~ 94 % cho → / , với tín
hiệu đươc chọn ở lối ra cuối cùng.
Trigger mức L1
Trigger L1 có vai trò giảm tốc độ thu tín hiệu từ 1 MHz xuống 40 kHz. L1 là trigger phần mềm tương đương với 400 CPU độc lập với thời gian xử lý ~ 0.4 ms. Độ trễ thay đổi với giá trị lớn nhất là 55 ns.
Xử lý trên L1 căn cứ vào số liệu từ VELO, TT và decision unit L0. Sự lựa chọn tín các hiệu dựa trên các vết riêng biệt với năng lượng ngang lớn hoặc xung lượng hạt lớn.
Quá trình lựa chọn có thể tóm tắt như sau:
Sự xây dựng lại VELO: Các vết trên L1 được xây dựng lại qua phép chiếu trong mặt
phẳng r – z, xác định các đỉnh ban đầu trong không gian hai chiều 2D. Và các
vết đo phải thỏa mãn 0.15 < IP < 3 hoặc các vết đã được chấp nhận trong
L0 thì được xây dựng lại trong không gian 3D (sử dụng cung φ).
Kiểm tra VELO – TT: Kiểm tra các vết không gian từ VELO đến TT được xác định
39
Sự kiện qua L1 có thể được xác định bằng các dòng trigger khác nhau:
Dòng cơ bản: Tín hiệu được chấp nhận nếu thỏa mãn ∑ ln( ) > 14.34
( MeV/c) cho hai vết có xung lượng ngang lớn nhất, không hạn chế số
lượng đỉnh ban đầu được xây dựng lại.
Dòng đơn muon: Tín hiệu được chấp nhận nếu có một muon thỏa mãn > 2.3 GeV/c. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Dòng di-muon: Hai muon khối lượng không đổi tham gia phải thỏa mãn
> 500 MeV/c với thông số va chạm xác định IP > 0.075 mm ứng
với một sự kiện vào trigger.
Dòng / : Tín hiệu được chấp nhận khi có một di-muon với khối lượng
không đổi xấp xỉ hoặc lớn hơn khối lượng J/ hay > / −
500 MeV/c .
Dòng electron: Tín hiệu được chọn nếu electron có ET lớn nhất thỏa mãn ET
> 3.44 GeV và ∑ ln > 13.2 (ET trong đơn vị MeV).
Dòng photon: Tín hiệu được chấp nhận nếu photon có ET lớn nhất thỏa mãn
ET > 3.06 GeV và ∑ ln > 13.2 (ET trong đơn vị MeV).
Hiệu suất L1 là ~ 82% cho B → D π và ~ 94 % cho B → J/ , với các tín
hiệu được lựa chọn đến cuối cùng và trigger L0.
Trigger mức cao nhất (HLT)
HLT có nhiệm vụ giảm tốc độ thu tín hiệu từ 40 kHz xuống 2 kHz. HLT chạy với 400 CPU trong vùng on-line với tổng thời gian xử lý 10 ms. Trong giai đoạn này, nhiệm vụ của các detector là lựa chọn và xây dựng on-line tín hiệu được yêu cầu xử lý và số lượng vết là giới hạn. HLT cơ bản là một trigger pre-HLT xác nhận xử lý của L1 và xác định động năng của các muon.
HLT được chia thành 4 dòng ứng với tốc độ lối ra:
Duy nhất b (~ 200 Hz): Phân rã được quan tâm cho nghiên cứu vi phạm đối xứng
40
acceptance của LHCb chỉ xấp xỉ ~ 10%. Do đó chúng ta cần tính toán cho
tổng hiệu suất của các trigger = + + . Khi đó ta có ℒ =
100 kHz tương đương với quan sát 100 kênh phân rã. Tốc độ tín hiệu cho
nghiên cứu b:
ℒ × BR × ε
â ã
× ε ≾ (30 Hz) < 200 Hz
D* ( ~ 300 Hz): Các tín hiệu PID-blind D∗ → D h với D → hh gắn với khối lượng
D . Trạng thái cuối cùng của hadron căn cứ vào khối lượng pion (h = π), nó cho
phép để đo hiệu suất của PID và xác định sai số tỉ lệ. Dòng này cũng có thể sử dụng để đo vi phạm CP trong phân rã D.
Di-muon (~ 600 Hz): Các hạt được xác định có thời gian sống tương đương thời