Luận văn Nghiên cứu ảnh hưởng của neutron lên detector cdc trong thí nghiệm belle 2

DANH MỤC BẢNG BIỂU. 3

DANH MỤC HÌNH VẼ. 4

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT . 7

MỞ ĐẦU . 8

Chương 1 - GIỚI THIỆU CHUNG . 10

1.1 Mục đích của thí nghiệm Belle II . 10

1.1.2 Vi phạm đối xứng CP và Vật lý B. 13

1.1.2.1 Vi Phạm đối xứng C, P và CP. 13

1.1.2.2 Vi pham đối xứng CP trong hệ Kaon. 15

1.1.2.3 Pha trộn quark và ma trận CKM . 17

1.1.2.4 Vi Phạm CP trong hệ B . 20

1.2 Máy gia tốc SuperKEKB. 24

1.2.1 Máy gia tốc SuperKEKB . 24

1.2.2 Luminosity của máy gia tốc SuperKEKB. 26

1.3 Detector Belle II. 28

Chương 2 - PHÔNG DO CHÙM TIA GÂY RA TRONG THÍ NGHIỆM

BELLE II . 36

2.1 Các loại phông do chùm tia gây ra. . 36

2.2 Bức xạ Synchroton. 37

2.3 Hiệu ứng Touschek . 37

2.3.1 Định nghĩa. . 37

2.3.2 Tốc độ của 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

pdf81 trang | Chia sẻ: mimhthuy20 | Ngày: 23/09/2020 | Lượt xem: 47 | Lượt tải: 0download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Luận văn Nghiên cứu ảnh hưởng của neutron lên detector cdc trong thí nghiệm belle 2, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
ân rã của chúng về một kênh chung là sKJ / . Quá trình pha trộn sẽ mang hai lần pha của phần tử ma trận Vtd vào biên độ phân rã. Ta có 2arg2 * tbtdVV ; β chính là một trong 3 góc của tam giác unitary db. Và được xác định như sau [12]:         )sin()2sin(/)(/)( /)(/)( )( 00 00 tm KJtBKJtB KJtBKJtB tA d ss ss        Kết quả thu được từ thực nghiệm cho thấy sin(2β)=0.678±0.026. Điều này có nghĩa là tam giác unita db không bị suy biến. Hình 1.4 là kết quả thu được từ thí nghiêm Belle[12]. Hình 1.4 Xác định bất đối xứng A(t) trong thí nghiệm Belle II[12] 1.2 Máy gia tốc SuperKEKB. 1.2.1 Máy gia tốc SuperKEKB Máy gia tốc SuperKEKB hay còn gọi là nhà máy B (B-Factory), là hệ thống máy gia tốc ở KEK dùng để tạo ra meson B cho thí nghiệm Belle II. B meson được tao ra bằng cách cho va chạm đối đầu hai chum electron và positron ở năng lượng vùng cộng hưởng khối lượng 4s của hạt upsilon Y ( bb ). Trong thí nghiệm chùm electron và positron được gia tốc trong hệ thống máy Nghiên cứu ảnh hưởng của phông neutron lên detector CDC trong thí nghiệm Belle II Đồng Văn Thanh - 25 – gia tốc Linac sau đó được đưa và các vòng lưu trữ (Storage Ring) rồi cho và chạm với nhau. Vòng lưu trữ cho chùm electron với năng lượng (7GeV) (lớn hơn năng lượng Positron) được gọi là vòng năng lượng cao (High Energy Ring), được viết tắt là HER, và Vòng lưu trữ cho positron với năng lượng thấp hơn electron (4GeV) được gọi là vòng năng lượng thấp (Low Energy Ring) thường được viết tắt là LER. Hình 1.5 là sơ đồ hệ thống máy gia tốc SuperKEKB. Hình 1.5 Sơ đồ hệ thống máy gia tốc SuperKEKB [10] Hình 1.6 là cơ chế tạo ra và gia tốc chùm electron và positron trước khi 2 chùm tia này được đưa vào các vòng lưu trữ. Chùm electron được phát ra từ một súng phóng electron sau đó được gia tốc trong hệ thống mấy gia tốc A, B và C, ở máy gia tốc 1, chùm electron được lái đi vòng để tránh bia positron sau đó tiếp tục được gia tốc trong các máy gia tốc 2, 3, 4 và 5 để đạt năng lượng 7 GeV sau đó được đưa vào vòng lưu trữ năng lượng cao HER (High Energy Ring). Chùm positron cũng được tạo ra trên hệ thống trên bằng cách Nghiên cứu ảnh hưởng của phông neutron lên detector CDC trong thí nghiệm Belle II Đồng Văn Thanh - 26 – sau khi electron được gia tốc ở máy gia tốc A,B và C thì chùm electron người ta cho bắn phá vào một bia Wolfram để tạo ra positron, sau đó positron được thu gom lại và cho đi vào hệ thống Damping ring để giảm kích thước của chùm tia sau chúng được đưa vào gia tốc trên hệ thống máy gia tốc linac 1, 2, 3, 4 và 5 để đạt năng lượng 4Gev rồi được đưa vào vòng lưu trữ năng lượng thấp LER (Low Energy Ring). Chùm electron và positron sau đó được cho va chạm với nhau. Hình 1.6 Sơ đồ gia tốc electron và positron trước khi chúng được đưa vào các vòng lưu trữ [10] 1.2.2 Luminosity của máy gia tốc SuperKEKB Trong thí nghiệm vật lý hạt cơ bản, các hạt thường được tạo ra bằng cách cho va chạm đối đầu hai chùm tia với nhau. Xác suất tạo ra sản phẩm của quá trình va chạm phụ thuộc vào tiết diện vi phân, cường độ, kích thước của chùm tia, và hình học va chạm. Ngoại trừ tiết diện vi phân thì các tham số còn lại được gộp chung vào và được gọi là Luminosity vì vậy suất ra của phản ứng sẽ là: P = L .σ (1.2.1) Nghiên cứu ảnh hưởng của phông neutron lên detector CDC trong thí nghiệm Belle II Đồng Văn Thanh - 27 – Trong đó P là suất ra của phản ứng, L là Luminosity và σ là tiết diện vi phân của phản ứng. Trong thí nghiệm Belle II chùm tia được cho va chạm chéo từng bó với nhau theo hình học như hình 1.7. Hình 1.7 Hình học và chạm của 2 chùm tia, Với góc Φ = 41 mrad. Với hình học như thế này thì Luminosity được tính theo công thức sau:                    y L y y e R RI er L   *2 (1.2.2) Trong đó γ, e, re là hệ số Lorentz, điện tích và bán kính cổ điển của electron. Kí hiệu ± để chỉ positron (+) hay electron (-). Các tham số RL và Rξy là hệ số suy giảm của Luminosity và kích thước bề ngang của 2 chùm tia khì lồng vào nhau, nó tăng theo góc vao chạm. Tỉ số của các tham số này thì thường không đồng nhất. Vì vậy Luminosity chủ yếu được xác định bằng 3 tham số chính là cườn độ dòng (I (A)), bề rộng 2 chùm tia khi va chạm ξy và giá trị của hàm beta tại điểm tương tác (β*y). Giá trị của 3 tham số này, năng lượng của chùm tia và Luminosity được đưa ra ở bảng 1.3 cung với máy gia tốc hiện tại KEKB. Đối với giá trị ξy ở KEKB là 0.9 thì giá trị này ở SuperKEKB nhỏ hơn 20 lần, Cùng với cường độ dòng tăng gấp đôi so với KEKB thì Luminosity của SuperKEKB là, 8.0 x 1035cm-2s-1. Nghiên cứu ảnh hưởng của phông neutron lên detector CDC trong thí nghiệm Belle II Đồng Văn Thanh - 28 – Bảng 1.3 : Các thông số chùm tia và Luminosity của máy gia tốc KEKB và SuperKEKB. KEKB SuperKEKB Energy (GeV) LER/HER 3.5/8.0 4.0/7.0 ξy 0.129/0.090 0.090/0.088 β*y (mm) 5.9/5.9 0.27/0.41 I(A) 1.64/1.19 3.6/2.62 Luminosity (1034cm-2s-1) 2.11 80 Sau khi nâng cấp Luminosity thiết kế của máy gia tốc SuperKEKB ước tính tăng khoảng 40 lần so với máy gia tốc hiện tại KEKB. Lượng B meson được tạo ra vì thế cũng sẽ tăng lên 40 lần. 1.3 Detector Belle II 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. Nghiên cứu ảnh hưởng của phông neutron lên detector CDC trong thí nghiệm Belle II Đồng Văn Thanh - 29 – 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: Nghiên cứu ảnh hưởng của phông neutron lên detector CDC trong thí nghiệm Belle II Đồng Văn Thanh - 30 – 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) Nghiên cứu ảnh hưởng của phông neutron lên detector CDC trong thí nghiệm Belle II Đồng Văn Thanh - 31 – 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 Nghiên cứu ảnh hưởng của phông neutron lên detector CDC trong thí nghiệm Belle II Đồng Văn Thanh - 32 – 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 Nghiên cứu ảnh hưởng của phông neutron lên detector CDC trong thí nghiệm Belle II Đồng Văn Thanh - 33 – 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 Nghiên cứu ảnh hưởng của phông neutron lên detector CDC trong thí nghiệm Belle II Đồng Văn Thanh - 34 – 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, Hình 1.16 Detector ECal Nghiên cứu ảnh hưởng của phông neutron lên detector CDC trong thí nghiệm Belle II Đồng Văn Thanh - 35 – 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 KL 0 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. Hình 1.17 Detector KLM Nghiên cứu ảnh hưởng của phông neutron lên detector CDC trong thí nghiệm Belle II Đồng Văn Thanh - 36 – 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. 2.1 Các loại phông do chùm tia gây ra. Chùm tia phát ra bức xạ synchrotron khi mà quỹ đạo của chúng bị uốn cong bởi các nam châm. Các hạt trong chùm tia tán xạ với các nguyên tử khí dư trong đường ống gọi là tán xạ beam-gas, hay là chúng va chạm với nhau trong một bó gọi là hiệu ứng Touschek. Các hạt tán xạ bị lệch khỏi chùm tia, rồi va chạm vào thành ống hoặc là các nam châm tạo thành một loạt các hạt thứ cấp (make shower), các hạt thứ cấp này sẽ ảnh hưởng đến các detector. Hơn nữa khi electron và positron va chạm với nhau ngoài việc tạo ra hạt Y (Upsilon) thì còn có một hiệu ứng có tiết diện tương đối lớn là tán xạ Bhabha. Hình 2.1 mô tả các loại phông do chùm tia gây ra. Màu da cam là bức xạ synchrotron, màu đỏ là electron và positron trong tán xạ bhabha, màu xanh là các hạt bị lệch do tán xạ (Touschek và Beam-gas). Hình 2.1 Các loại phông do chùm tia gây ra [7]. Nghiên cứu ảnh hưởng của phông neutron lên detector CDC trong thí nghiệm Belle II Đồng Văn Thanh - 37 – 2.2 Bức xạ Synchroton Là hiệu ứng mà các hạt tích điện chuyển động với vận tốc nhanh khi quỹ đạo bị uốn cong chúng sẽ phát ra sóng điện từ về phía trước. vì thế hiệu ứng này phụ thuộc nhiều vào năng lượng và quang học của chùm tia (vị trí nam châm, cường độ từ trường, quỹ đạo của chùm tia, hình học vùng tương tác). Máy gia tốc SuperKEKB không sử dụng chung các nam châm để hội tụ chùm tia khi đi vào và đi ra nên làm hiệu ứng này giảm đáng kể. Vùng tương tác được thiết kế để tránh ảnh hưởng trực tiếp của bức xạ từ chùm tia năng lượng cao. Ở gần vùng tương tác người ta gắn thêm một lớp kim loại nặng che chắn cho detector phía trong như pixel detector. Hình 2.2 Bức xạ synchrotron 2.3 Hiệu ứng Touschek 2.3.1 Định nghĩa. Các hạt chuyển động trong ống gia tốc tạo thành các nhóm, được gọi là các bó hạt, mỗi bó bao gồm khoảng ~1011-12 hạt. Trong quá trình chuyển động các hạt dao động theo phương vuông góc với phương chuyển động gọi là dao động betatron, khi các hạt trong bó va chạm với nhau, momen động lượng theo phương vuông góc sẽ chuyển thành momen động lượng theo phương song song với phương chuyển động, vì vậy năng lượng của các hạt này bị thay đổi. Mỗi va chạm thường làm cho 1 hạt tăng năng lượng và một hạt bị giảm năng lượng. Khi quỹ đạo của chùm tia được thay đổi trong từ trường Nghiên cứu ảnh hưởng của phông neutron lên detector CDC trong thí nghiệm Belle II Đồng Văn Thanh - 38 – những hạt này sẽ bị lệch ra khỏi chùm tia. Chúng va vào thành ống hoặc thành nam châm tạo ra các hạt thứ cấp, những sản phẩm này ảnh hưởng đến các detector. Hình 2.3 Hiệu ứng Touschek Ta có thể thấy trong hình 2.4 là 3 sự kiên của hiệu ứng touschek có nguồn gốc từ chùm năng lượng cao (Touschek HER). Khi 3 electron bị lệch khỏi chùm tia bị va vào thành ống và tạo thành rất nhiều các tia gamma (màu vàng), electron (màu xanh), positron(màu đỏ) và neutron(màu xanh lá cây). (trong hình chỉ hiển thị những hạt có năng lượng lớn hơn 1MeV). Chỉ có 3 electron từ chùm tia mà có rất nhiều các hạt thứ cấp được tạo thành, sau khi được sinh ra những hạt này tán xạ và bay đi khắp nơi trong detector. Hình 2.4 Kết quả mô phỏng hiệu ứng Touchek (3 sự kiện) bunch Nghiên cứu ảnh hưởng của phông neutron lên detector CDC trong thí nghiệm Belle II Đồng Văn Thanh - 39 – 2.3.2 Tốc độ của hiệu ứng Touschek. Tốc độ của hiệu ứng Touschek tính cho một bó hạt được tính theo công thức sau [7]:                                                                1 )( 1 ln 1 4 2 11 11 1 1 2 8 20 2 2242 22 1 BIe d Ncr R B m m m pzyx phyxp Tous m (2.1) Trong đó rP là bán kính của hạt, βx,y là cặp hai tham số của hàm beta theo phương x và y. NP là số hạt trong một bó, σx,y là kích thước chùm tia theo phương x và y, σp và σz theo thứ tự là độ thăng giáng của momen động lượng và chiều dài của bó chùm tia, γ là hệ số Lorentz. I0 là bổ chính hàm Bessel. Các tham số σh, m , B1, và B2 được tính như sau: Trong đó Dx,y là độ tán sắc, δm là giới hạn an toàn của sự mở rộng năng lượng ΔE/E [3]. Ta thấy rằng hiệu Touschek tỉ lệ thuận với NP 2 và tỉ lệ nghịch với σx, σy, σz . Điều này có nghĩa là nó tỉ lệ với mật độ của hạt trong một bó. Hay là hiệu ứng touschek tăng lên khi mà số hạt trong một bó tăng lên và kích thước của bó giảm xuống. Nghiên cứu ảnh hưởng của phông neutron lên detector CDC trong thí nghiệm Belle II Đồng Văn Thanh - 40 – Để thay thế cho đại lượng tốc độ của hiệu ứng Touschek người ta dùng đại lượng thời gian sống của chùm tia do hiệu ứng touschek như sau:   Tous e R N Phút   (2.2) Trong đó eN là số hạt e ± có trên vòng lưu trữ. RTous như đã được định nghĩa ở trên. Hình 2.5 và 2.6 chỉ ra mối quan hệ giữa thời gian sống và kích thước của chùm tia. Hình 2.5 Sự phụ thuộc thời gian sống của chùm tia vào bề rộng của bó hạt. Hình 2.6 Sự phụ thuộc thời gian sống của chùm tia vào chiều dài của bó hạt. Không những tỉ lệ với kích thước chùm tia mà tốc độ của hiệu ứng Touschek còn tỉ lệ nghịch với γ, là hệ số Lorentz. điều này có nghĩa là nó tỉ lệ nghich với năng lượng của chùm tia. Sự phụ thuộc của hiệu ứng Touschek vào năng lượng của chùm tia được đưa ra ở hình 3.6 : Hình 2.7 Sự phụ thuộc thời gian sống của chùm tia vào năng lượng của chùm tia. Nghiên cứu ảnh hưởng của phông neutron lên detector CDC trong thí nghiệm Belle II Đồng Văn Thanh - 41 – 2.4 Tán xạ Bhabha 2.4.1. Tán xạ Bhabha Khi 2 chùm electron và positron va chạm với nhau ngoài việc xảy ra các tương tác được kì vọng để tạo thành B meson thì một hiệu ứng khác có tiết diện vi phân tương đối lớn là tán xạ Bhabha. Nó là tán xạ giữa electron và positron, tán xạ này bao gồm 2 kênh : Kênh 1 : e+ + e- → e+ + e- Kênh 2 : e+ + e-→ e+ + e- + γ Sau tán xạ Bhabha electron/positron bị lệch khỏi chùm tia rồi va chạm với thành ống hoặc thành nam châm sinh ra một loạt các hạt thứ cấp, các hạt thứ cấp này sẽ anh hưởng tới các detector, đặc biệt là tia gamma từ tán xạ Bhabha được gọi là bức xạ Bhabha, tia này có năng lượng lớn nên thường gây ra phản ứng (γ,n). Neutron sinh ra từ phản ứng này sẽ ảnh hưởng tới detector . Tán xạ Bhabha là tán xạ giữa electron và positron nên nó sẽ tỉ lệ với luminosity của máy gia tốc, đó là lí do mà tia gamma từ tán xạ này được dùng để xác định Luminosity của máy gia tốc. Thí nghiệm Belle II với Luminosity cao hơn 40 lần nên ảnh hưởng của hiệu ứng này sẽ rất lớn. Hình 2.8 minh họa một sự kiện tán xạ Bhabha ở góc nhỏ, sau đó cả electron và positron đều bị lệch rồi va vào thành ống. Tia gamma trong tán xạ cũng bay ra ở góc nhỏ sau đó va vào thành ống. Hình 2.8 Một sự kiện tán xạ bhabha Nghiên cứu ảnh hưởng của phông neutron lên detector CDC trong thí nghiệm Belle II Đồng Văn Thanh - 42 – 2.4.2 Tiết diện tán xạ Bhabha Tiết diện vi phân theo góc của tán xạ Bhabha được tính toán dựa trên lý thuyết QED như sau :                                                  2 2 4 4 4 2 cos1 2 1 2 sin 2 cos2 2 sin 2 cos1 2sd d (2.3) Trong đó α là hằng số cấu trúc tinh tế và   empps  21 Qua tiết diện vi phân ta có thể thấy rằng tán xạ này có chiếm ưu thế ở những góc nhỏ hay là các góc về phía trước. Điều này thuận tiện cho việc đo các tia gamma từ tán xạ này. 2.5 Tán xạ với không khí. Trong các ống gia tốc con người đều cố gắng để đạt được chân không cao, nhưng với công nghệ hiện tại và giá cả thì chân không tuyệt đối là điều không thể. Đối với hệ thống máy gia tốc SuperKEKB, giá trị áp suất là 10-7 Pa. Nên trong ống gia tốc vẫn còn khí dư không được hút ra hết. Thành phần chủ yếu là khí H2 và CO. Khi các hạt trong chùm tia tán xạ với khí dư này hướng của hạt bị thay đổi (tán xạ coulomb) hay là năng lượng của nó bị giảm do phát xạ photon ( bức xạ hãm). Hình 2.9 Giãn đồ Feynman cho tán xạ Coulomb (bên trái) và phát bức xạ hãm (bên phải) Nghiên cứu ảnh hưởng của phông neutron lên detector CDC trong thí nghiệm Belle II Đồng Văn Thanh - 43 – 2.5.1 Tán xạ Coulomb Tán xạ coulomb là tán xạ đàn hồi giữa electron (hoặc Positron) với hạt nhân nguyên tử của chất khí. Năng lượng của electron được bảo toàn trong khi hướng của nó bị thay đổi. Tiết diện vi phân của tán xạ như sau : 2 sin16 4 2 0 422   E eZk  (2.4) Trong đó Z là điện tích của hạt nhân nguyên tử khí. k là hằng số điện từ. E0 là năng lượng của hạt, θ là góc tán xạ. 2.5.2 Phát bức xạ hãm. Bằng cách phát ra bức xạ hãm, electron (hoặc positron) sẽ bị giảm năng lượng xuống, sau đó nó sẽ bị lệch khỏi chùm tia. Hình 2.10 Electron (positron) phát bức xạ hãm và giảm năng lượng Tiết diện vi phân của loại tương tác này là :                        )(1 3 2 )(11 21 2 2 0 ZFZF ZZZr d d brem      (2.5) Trong đó, E E  là một phần năng lượng của hạt bị mang đi bởi photon, E là năng lượng của electorn, positron, Z là số nguyên tử, r0 là bán kính cổ điển của electron, 21 ,,,  F và δ được xác định như sau :      1 136 3/1 EZ me       2 1 2 1 086.0930.1209.20 625.0242.3867.20   đối với 1 Nghiên cứu ảnh hưởng của phông neutron lên detector CDC trong thí nghiệm Belle II Đồng Văn Thanh - 44 – )952.0ln(184.412.2121   đối với 1 cfZZF 4)ln(3/4)(  với E ≥0.05GeV. )ln(3/4)( ZZF  với E <0.05GeV. )()/183ln( )/1440ln( )( 3/1 3/2 ZfZ Z Z c           32 )0.002(Z - )0.0083(Z 0.0369Z - 0.20206 Z1 1 Z fc(Z)    2.5.3. Tốc độ tán xạ chùm tia không khí Tốc độ tán xạ của chùm tia với khí dư được xác định như sau : nucbeamgas NNR  (2.6) Với σgas là tổng tiết diện vi phân của tán xạ, σgas=σcoul +σbrem. Nbeam là số lượng electron (positron) có trong vòng lưu trữ. Và Ngas là số nguyên tử khí trên 1 đơn vị diện tích trên 1s (vì hạt chuyển động với vận tốc ~ vân tốc ánh sáng). Ngas và Nbeam được tính như sau : c L e I Nbeam  (2.7 ) Trong đó I là cường độ của chùm tia, L là chu vi KEKB, và c là vận tốc ánh sáng. Ngas được tính như sau : TK PV N B gas  (2.8) Trong đó P là áp suất [Pa], V là thể tích [m3], KB là hằng số Boltzmann. T là nhiệt độ. Vậy số hạt trên một đơn vị thể tích là ][ 3 m TK P N B gas Nghiên cứu ảnh hưởng của phông neutron lên detector CDC trong thí nghiệm Belle II Đồng Văn Thanh - 45 – Vì các phân tử khí chủ yếu là CO, H2 đều có 2 nguyên tử nên số hạt nhân gấp đôi. Chùm tia chuyển động với vận tốc ánh sáng nên số hạt nhân được tính cho một đơn vị thể tích, trong 1s. Vậy ][10 2 1128  sbarn TK cP N B gas (2.9) Nghiên cứu ảnh hưởng của phông neutron lên detector CDC trong thí nghiệm Belle II Đồng Văn Thanh - 46 – Chương 3 - ẢNH HƯỞNG CỦA PHÔNG DO CHÙM TIA GÂY RA LÊN DETECTOR CDC 3.1 Mô phỏng phông do chùm tia gây ra Để xác định ảnh hưởng của phông do chùm tia gây ra lên từng detector nói riêng và hệ detector nói chung, trước khi đưa thí nghiệm vào hoạt động chúng ta cần mô phỏng để thiết lập sự ảnh hưởng của nó. Chương trình máy tính để mô phỏng, ghi nhận và xử lý số liệu được sử dụng trong thí nghiệm Belle II là Basf2 (Belle II analysis framework). Trong Basf2 nhiều loại khác nhau của phần mềm được viết dưới dạng các module của

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdfluanvanthacsi_chuaphanloai_74_9593_1870102.pdf
Tài liệu liên quan