Метод мерења луминозности на интернационалном линеарном сударачу ILC

Abstract

У овој докторској дисертацији представљени су резултати квантификације и корекције систематских ефеката у мерењу интегралне луминозности, пре свега оних који потичу од интеракције сударајућих снопова, као и резултати експерименталне карактеризације луминометра на Интернационалном линеарном сударачу ILC. Истраживање је урађено на Институту за нуклеарне науке „Винча“, осим експерименталних тестова прототипа луминометра, који су изведени током 2010. и 2011. године на синхротрону DESY II у DESY Хамбург, Немачка. Тема истраживања произилази из захтева за мерењем интегралне луминозности са промилном неодређеношћу који повлачи познавање и могућност кориговања већег броја сложених систематских ефеката. Најважнији ефекти потичу од електромагнетне интеракције сударајућих снопова која резултује променом четворовектора иницијалног и финалног стања, доводећи до губитка одброја сигнала у мерењу интегралне луминозности. Ови ефекти су релативно мало изучавани на енергијама ILC и вишим, изузев у C. Rimbault et al., “Impact of beam-beam interactions effects on precision luminosity measurement at the ILC”, JINST 2, P090001 (2007), где је указано на величину и значај ефекта. Са друге стране, потребно је дизајнирати и реализовати луминометар који у погледу перформанси може да одговори захтевима PFA калориметрије предвиђене на ILC. У том смсислу су у овој тези су приказани резултати експерименталних тестова детектора и пратеће електронике. Показано је да се губитак одброја сигнала у мерењу интегралне луминозности услед зрачења снопа може кориговати на основу експериментално мерљивих величина (поларних углова Баба честица) до на (−1.36 ± 0.03) ∙ 10 и (−1.29 ± 0.03) ∙ 10 , на енергијама 500 GeV и 1 у систему центра масе, респективно. Овај метод је независан од симулације и стабилан у односу на могуће варијације параметара снопа. Такође је показано да се, користећи величине делимично изведене из симулације, ефекат губитка одброја сигнала услед електромагнетне дефлексије може кориговати до на ±5 ∙ 10 и ±2 ∙ 10 на енергијама 500 GeV и 1 TeV у систему центра масе, респективно. Затим, дат је одговор на питање колико добро треба познавати енергију Баба честица у погледу систематског помераја у једну страну, да би неодређеност мерења интегралне луминозности била промилна. Показано je да енергија финалних (Баба) честица мора бити позната до на 700 МеV у погледу систематског помераја у страну. Такође је показано да при селекцији догађаја чија је енергија изнад 80% номиналне енергетска резолуција детектора доводи до неодређености одброја од (3.3 ± 0.1) ∙ 10-3, односно (2.7 ± 0.1) ∙ 10-3 на енергијама у систему центра масе од 500 GeV, односно 1 TeV. Селекција догађаја на нижим енергијама, пак, доводи до повећања физичког фона и отвара питање корекције колективних ефеката у нискоенергетском делу спектра. Даље, показано је да неодређеност познавања стохастичког параметра луминометра нема значајан утицај на грешку мерења интегралне луминозности. Резултати експерименталне карактеризације детектора у снопу у електрона енергија (2 − 4,5) GeV показали су да постоји активан одговор целокупне инструментализоване површине сензора прoтотипа луминометра, да постоји униформност одговора сензора, осим у међупростору између плочица где постоји прихватљиви губитак од 10%, да је однос сигнала према шуму је у свим каналима за очитавање већи од 20, као и да је латерална пропагација електромагнетне каскаде адекватно описана Монте Карло симулацијом.

In this thesis, results of quantification and correction of systematic effects in integrated luminosity measurement, especially those originating from the interaction of colliding beams, as well as of experimental characterization of the luminometer at the International Linear Collider are presented. The research is performed at the Vinča Institute of Nuclear Sciences, except for the experimental tests of the luminometer prototype, which are done during 2010 and 2011 at the DESY II synchrotron in DESY Hamburg, Germany. The subject of this research addresses the integrated luminosity measurement with the permille uncertainty. That request implies understanding and correction of a number of complex systematic effects. The most important effects originate from electromagnetic interaction between colliding beams, which changes four-vectors of the initial and final states, resulting in counting loss of the signal in the integrated luminosity measurement. These effects are not sufficiently studied at the ILC and higher energies, exscept in C. Rimbault et al., “Impact of beam-beam interactions effects on precision luminosity measurement at the ILC”, JINST 2, P090001 (2007), where the size and the importance of the effect is pointed. On the other hand, it is necessary to design and realize such a luminometer which performances can satisfy demands of the PFA calorimetry foreseen at the ILC. Therefore, in this thesis results of experimental tests of the detector and its electronics are presented. In this thesis is shown that the counting loss of signal due to beamsstrahlung in the integrated luminosity measurement at ILC can be successfully corrected using observables measurable in the experiment (polar angles of scattered Bhabha particles) to (−1.36 ± 0.03) ∙ 10 and (−1.29 ± 0.03) ∙ 10 at energies 500 GeV and 1 TeV in the center of mass system respectively. This method is simulation-independent and stable to possible variations of the beam parameters. It is also shown that using observables partially dependent on simulation counting loss due to electromagnetic deflection can be corrected up to ±5 ∙ 10 and ±2 ∙ 10 at energies 500 GeV and 1 TeV in the center of mass system respectively. The question 'how well is necessary to know the Bhabha particles energy regarding the systematic bias in order to keep the luminosity uncertainty at a permille level' is answered. It is shown that the systematic energy bias of (final) Bhabha particles should be known up to 700 МеV. It is also shown that by selecting events with energy above 80% of nominal ILC energies, energy resolution of the luminometar contributes to the counting uncertainty of (3.3 ± 0.1) ∙ 10-3 and (2.7 ± 0.1) ∙ 10-3 at energies 500 GeV and 1 TeV in the center of mass system respectively. O the other hand, selection of events with lower energies results in increase of the physics background and the question of correction of collective effects in the low-energy part of spectrum arises. Furthermore, it is shown that that the uncertainty of the stochastic parameter of the luminometer has no significant impact on the integrated luminosity uncertainty. Finally, results of experimental characterization of the luminometer prototype in the electron beam wit energies (2 − 4,5) GeV showed that there is an active response of whole instrumented area of the sensors, the response of sensors is uniform, except in gaps between sensor pads where the acceptable loss of order of 10% is observed, signal to noise ratio is in all readout channels above 20, and the lateral propagation of the electromagnetic shower is adequately described by Monte Carlo simulation.