CEPC硅-钨成像型电磁量能器原理样机方案研究

发布时间：2020-06-10 01:38

【摘要】：标准模型是科学家在二十世纪中叶提出的用以描述基本粒子和基本相互作用的理论,目前已经统一了弱电相互作用和强相互作用。作为标准模型理论的重要组成,希格斯场和希格斯粒子是物质形成惯性质量的关键。自从2012年首次发现希格斯粒子以来,研究希格斯粒子的特性成为物理领域最前沿课题之一。由于希格斯粒子质量较低(约为125GeV),因此轻子对撞是产生希格斯粒子的有效途径。在这个背景下,中科院高能物理研究所于2013年提出了环形正负电子对撞机计划(CEPC),该计划旨在利用中国成熟的环形电子加速器技术,在国内建设一台可作为希格斯粒子工厂的环形对撞机。希格斯粒子稳定性极差,会迅速衰变为其他粒子。为了在高亮度与高事例堆积情况下精确测量对撞产生的射流,以重建事例,CEPC采用了粒子流算法(PFA)。该算法基本原理是利用精确的位置测量来弥补能量测量的不足,利用PFA可以精确重建对撞顶点以及对撞产物。基于此算法,CEPC提出了对于电磁量能器的需求——一台具有高颗粒度与高分辨率的成像型电磁量能器。虽然近年来随着高颗粒度电磁量能器发展,已经有成像型电磁量能器样机被制造出来,但这些样机的应用背景均为直线型对撞机,目前还没有一台可用于环形对撞机的电磁量能器。本论文参考了 CALICE合作组为国际直线对撞机(ILC)研制的电磁量能器样机,针对CEPC电磁量能器中硅-钨这一技术路线进行探索,提出了高颗粒度电磁量能器原理样机方案并设计了相应的读出电子学系统。论文中首先介绍了 CEPC的项目背景与需求,CEPC要求电磁量能器对于入射电磁型粒子的能量的分辨率达到16%/(?),且能够区分相邻的入射粒子。论文结合探测器指标对CEPC概念设计报告中的硅-钨电磁量能器方案进行模拟分析,根据模拟结果优化了各项参数,并根据模拟与仿真提出了对于电子学各项指标的具体需求。为了研究硅-钨电磁量能器方案的可行性,论文在模拟分析的基础上提出了量能器原型机的系统架构。原型机包含38层灵敏层与84mm的钨板总厚度,探测单元尺寸为5×5mm2,耗尽层厚度460μm,每层灵敏层由一个8×8的硅PIN探测器阵列组成,原型机探测器总通道数2432路。为了读出探测器信号,本论文还提出并设计了一套可扩展的电子学系统。该系统采用模块化设计,分为前端电子学和后端电子学两部分。前端电子学分别包含了 38个前端板(FEB)与数据接口板(DIF),FEB负责搭载探测器阵列、读出探测器信号并数字化,其核心是一款64通道的ASIC芯片SKIROC2a;DIF负责控制FEB工作,并将数字化的数据与击中信号打包,通过光纤传输至后端电子学。后端电子学包含一块数据采集模块(DCM),此模块负责汇总前端电子学的数据与击中信息、将数据上传至上位机并接收上位机控制以及向前端模块发送触发与时间信息。本论文对该电子学系统进行了基本性能测试,其电子学噪声小于0.35fC、动态范围3.2pC、积分非线性不高于0.2%、最低无误触发阈值可设为1.8fC并且此时各通道的阈值不一致性小于0.2fC、系统的数据传输误码率小于1×10-12。电子学指标完全符合硅-钨电磁量能器的需求。接着,本论文搭建了一个具有4层灵敏层的原型机小系统,以研究其关键性能。系统总共有256个探测器单元,各单元的系统噪声小于0.5fC,噪声水平满足需求。使用放射源241Am与系统联测,其59keV的X射线沉积能量所对应的电荷为2.89fC,能量分辨率14.3%,该试验证明系统对于小信号有足够的分辨能力。之后使用系统测量宇宙线能谱,得到其宇宙线最小电离粒子(MIP)的形状与MPV值符合Geant4模拟预期,各通道MIP的信噪比均高于10,该试验证明系统可有效的探测MIP信号。接下来进行了多层联测,根据宇宙线在不同灵敏层的击中位置重建了其入射轨迹。一系列测试证明该原型机的关键指标均满足设计需求。最后,本论文总结了 CEPC对于成像型电磁量能器的需求、优化后的硅-钨电磁量能器关键参数、原型机读出电子学的架构,概括了电子学各模块的设计方案及4层原型机小系统的性能表现。此外,论文提出了一些需要改进的关键点,为后续工作提出了意见指导。
【图文】：

费曼图,强子对撞机,胶子,对撞

逦顶夸克融合逡逑图１－２生成希格斯粒子的费曼图［１８］逡逑如图１－２所示，最常发生的生成希格斯粒子的反应一般认为有以下四种：逡逑■胶子融合［２０］：在大型强子对撞机中，如果两个质子发生对撞，则有可能两逡逑个胶子（５）碰撞在一起，，在其碰撞后，经过虚夸克圈则可生成希格斯粒子。由于逡逑希格斯粒子与其他粒子的耦合跟粒子的质量成正比，因此在ＬＨＣ这种强子对撞逡逑机中，这是主要的生成希格斯粒子反应，其发生概率是其他反应的十倍以上。逡逑■希格斯粒子幵致辐射［２１］：如果费米子（／）与反费米子（／）碰撞，例如电子与正逡逑３逡逑

费曼图,强子对撞机,正负电子对撞机,核子

矢量玻色子融合逦顶夸克融合逡逑图１－２生成希格斯粒子的费曼图［１８］逡逑如图１－２所示，最常发生的生成希格斯粒子的反应一般认为有以下四种：逡逑■胶子融合［２０］：在大型强子对撞机中，如果两个质子发生对撞，则有可能两逡逑个胶子（５）碰撞在一起，在其碰撞后，经过虚夸克圈则可生成希格斯粒子。由于逡逑希格斯粒子与其他粒子的耦合跟粒子的质量成正比，因此在ＬＨＣ这种强子对撞逡逑机中，这是主要的生成希格斯粒子反应，其发生概率是其他反应的十倍以上。逡逑■希格斯粒子幵致辐射［２１］：如果费米子（／）与反费米子（／）碰撞，例如电子与正逡逑３逡逑
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM936

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