Transcript Эксперимент ПАНДА А.Н.Васильев (ГНЦ ИФВЭ) PANDA P

Эксперимент ПАНДА
А.Н.Васильев (ГНЦ ИФВЭ)
PANDA - AntiProton ANnihilation in DArmstadt
14 октября 2009 года
А.Н.Васильев – Эксперимент ПАНДА, ИЦФР в ИТЭФ
1
Содержание доклада
• Проект ФАИР и его физическая программа
• Эксперимент ПАНДА в проекте ФАИР
• Сотрудничество ПАНДА
• Физическая программа эксперимента ПАНДА
• Участие российских институтов в эксперименте
• Заключение
14 октября 2009 года
А.Н.Васильев – Эксперимент ПАНДА, ИЦФР в ИТЭФ
2
Установка ПАНДА в проекте FAIR
FAIR Baseline Layout
PANDA
HESR
Accelerator
Experiment
14 октября 2009 года
А.Н.Васильев – Эксперимент ПАНДА, ИЦФР в ИТЭФ
3
Main thrust of FAIR research
• The main thrust of FAIR research focuses on the structure and
evolution of matter on both a microscopic and on a cosmic scale –
deepening our understanding of fundamental questions like:
• How does the complex structure of matter at all levels arise from the
basic constituents and the fundamental interactions?
• How can the structure of hadronic matter be deduced from the strong
interaction? In particular, what is the origin of hadron masses?
• What is the structure of matter under the extreme conditions of
temperature and density found in astrophysical objects?
• What was the evolution and the composition of matter in the early
Universe?
• What is the origin of the elements in the Universe?
14 октября 2009 года
А.Н.Васильев – Эксперимент ПАНДА, ИЦФР в ИТЭФ
4
Experiments at FAIR
• The FAIR research programme has been approved by the International
Steering Committee of FAIR (ISC) in 2006. It includes 14 initial
experiments, which form the four scientific pillars of FAIR
(presented in alphabetic order):
• APPA: Atomic and plasma physics, and applied sciences in the bio,
medical, and material sciences;
• CBM: Physics of hadrons and quarks in compressed nuclear matter,
hypernuclear matter;
• NuSTAR: Structure of nuclei, physics of nuclear reactions, nuclear
astrophysics and radioactive ion beams ;
• PANDA: Hadron structure and spectroscopy, strange and charm
physics, hypernuclear physics with anti-proton beams.
14 октября 2009 года
А.Н.Васильев – Эксперимент ПАНДА, ИЦФР в ИТЭФ
5
Modular Version
Module 1: Experiment halls at SIS100
for extracted beam diagnostics,
SIS 100
Module 3: Antiproton facility for PANDA, providing
HADES/CBM, APPA, and detector calibration
further options also for NUSTAR
Module 4: Additional low-energy caves for NUSTAR,
NESR
storage ring
for NUSTAR
APPA,
Module 0: Heavy-Ion
Synchrotron
SIS100,
basis andund
core
HESR
building
for
antimatter
programme
Super - FRS FLAIR
of
FAIR,
required
for
all
physics
programmes
Module 5: RESR storage ring for a higher beam intensity
for PANDA and parallel operation with NUSTAR
CR
RESR
FLAIR
Module 2: Super-FRS
for NUSTAR
NESR
14 октября 2009 года
А.Н.Васильев – Эксперимент ПАНДА, ИЦФР в ИТЭФ
6
Эксперимент ПАНДА в проекте FAIR
• ПАНДА
– это уникальный
эксперимент по
исследованию экстремальных состояний материи,
фундаментальных проблем адронной и ядерной
физики через взаимодействия антивещества с
веществом (антипротонов с нуклонами и ядрами).
• Исследования
предлагается
проводить
на
антипротонном пучке накопительного кольца с
электронным и стохастическим охлаждением
(HESR) c энергией до 15 ГэВ, запуск которого
запланирован на 2015 год. Ожидается рекордная
интенсивность чистого антипротонного пучка,
обеспечивающая до 2х107 взаимодействий на
водородной мишени в секунду.
14 октября 2009 года
А.Н.Васильев – Эксперимент ПАНДА, ИЦФР в ИТЭФ
7
Эксперимент ПАНДА в проекте FAIR
• Пучок антипротонов будет беспрецедентным по
степени монохроматичности, ожидаемой на
уровне p/p = 10-5-10-6 , что позволит проводить
прецизионные исследования процессов сильного
взаимодействия.
• Детектор ПАНДА создается с использованием самых
современных достижений науки и техники (в том числе –
разработанных российскими учеными) и обеспечивает
регистрацию и идентификацию нейтральных и
заряженных частиц почти в полном телесном угле и в
широком диапазоне энергий. Запуск установки ПАНДА и
первый набор статистики планируются на 2016 год.
14 октября 2009 года
А.Н.Васильев – Эксперимент ПАНДА, ИЦФР в ИТЭФ
8
PANDA Collaboration
• PANDA at present is a group of 420 physicists
• from 54 institutions from 17 countries
• Basel, Beijing, Bochum, IIT Bombay, Bonn, Brescia, IFIN Bucharest,
Catania, Cracow, IFJ PAN Cracow, Cracow UT, Dresden, Edinburgh,
Erlangen, Ferrara, Frankfurt, Genova, Giessen, Glasgow, GSI, Inst. of
Physics Helsinki, FZ Jülich, JINR Dubna, Katowice, KVI Groningen,
Lanzhou, LNF, Lund, Mainz, Minsk, ITEP Moscow, MPEI Moscow,
TU München, Münster, IIT Mumbay, Northwestern, BINP Novosibirsk,
IPN Orsay, Pavia, Piemonte Orientale, IHEP Protvino,
PNPI St.Petersburg, KTH Stockholm, Stockholm, Torino,
Torino Politecnico, Trieste, TSL Uppsala, Tübingen, Uppsala, Valencia,
SINS Warsaw, TU Warsaw, AAS Wien
14 октября 2009 года
А.Н.Васильев – Эксперимент ПАНДА, ИЦФР в ИТЭФ
9
Установка ПАНДА (стоимость €65M )
14 октября 2009 года
А.Н.Васильев – Эксперимент ПАНДА, ИЦФР в ИТЭФ
10
Физическая программа эксперимента ПАНДА
• Физическая программа нацелена на поиск новых
форм материи во взаимодействиях антивещества с
веществом, в основном :
- экзотических частиц, таких как глюболы и гибриды,
- спектроскопию предсказанных теоретически, но еще
не обнаруженных состояний чармония выше порога
образования пар D-анти-D- мезонов,
- исследования гипер-ядер (в том числе – двойных) и
чарм-ядер, когда вместо обычного нуклона в ядре
возможны странная (одна или две) или очарованная
частицы.
14 октября 2009 года
А.Н.Васильев – Эксперимент ПАНДА, ИЦФР в ИТЭФ
11
Positronium
Charmonium
Dissociation energy
1000
900
21P1
n=2
23S1
5
23P2
23P1
23P0
4
3
2
ψ’’
800
700
600
500
η’c
23S1
ψ’
DD threshold
χ2
hc
23S1
3
400
χ1 2 P1
χ0 23P0
21P1
300
200
1
n=1
0
100
13S1
0
13S0
–100
L=0
Singlet
Singlet
Triplet
e+ 0.1 nm
14 октября 2009 года
L=1
e−
Triplet
23P2
bound states
23S1
6
Relative energy (MeV)
Relative energy (eV)
7

ηc
13S0
13S1
L=0
Singlet
L=1
Triplet
c
Singlet
1 fm
Triplet
c
А.Н.Васильев – Эксперимент ПАНДА, ИЦФР в ИТЭФ
12
X and Y mesons
X(3872)
BK +-J/
’
Y(4260)
Belle
e+e-ISR+-J/
BaBar
Belle
M(+-J/  M(J )
Belle
Y(3940)
M(+-J/ )
BaBar
BK  J/
e+e-ISR+- ’
Y(4350) & Y(4660)
BaBar
M( J/ 
Belle
M( J/ 
X(3940)
e+e-DD*J/
M(+- ’)
X(4160)
e+e-D*D*J/
Belle
M(DD*)
Y(4630)
CDF
BK  J/
Belle
14 октября 2009 года
Y(4140)
А.Н.Васильев – Эксперимент ПАНДА, ИЦФР в ИТЭФ
M(D*D*)
M( J/ 
e+e-ISRcc
Belle
M(cc)
13
Z+ (4430) - a new state of matter (tetraquark?) decaying into π+ψ’
BELLE
7σ
PRL 100, 142001 (2008)
arXiv:0708.1790 [hep-ex]
M = (4.433 ± 0.004 (stat) ± 0.001 (syst)) GeV
+0.017 (stat)+0.030 (syst)) GeV
Γ = (0.044−0.011
−0.011
B (B → KZ(4430) × B (Z → π+ψ’) = (4.1 ± 1.0 (stat) ± 1.3 (syst)) × 10−5
14 октября 2009 года
А.Н.Васильев – Эксперимент ПАНДА, ИЦФР в ИТЭФ
14
PANDA: pp ➛ Z+(4430) + π−
 ψ(2S)π+ → J/ψ π+π−
14 октября 2009 года
А.Н.Васильев – Эксперимент ПАНДА, ИЦФР в ИТЭФ
15
Спектр глюболов в КХД на решетках
JPC
14 октября 2009 года
А.Н.Васильев – Эксперимент ПАНДА, ИЦФР в ИТЭФ
16
Взаимодействие антивещества с ядром
14 октября 2009 года
А.Н.Васильев – Эксперимент ПАНДА, ИЦФР в ИТЭФ
17
Участие российских институтов в эксперименте ПАНДА
•
-
Эксперимент ПАНДА представлен научным сотрудничеством, куда
входят научные центры и университеты из 17 стран. В состав
официально входят шесть российских научных центров:
ГНЦ Институт физики высоких энергий (ИФВЭ, Протвино),
ГНЦ Институт теоретической и экспериментальной физики
(ИТЭФ, Москва),
Объединенный институт ядерных исследований (ОИЯИ, Дубна),
Петербургский институт ядерной физики (ПИЯФ, Гатчина),
Московский энергетический институт (МЭИ, Москва),
Институт ядерной физики Сибирского Отделения РАН им. Будкера
(ИЯФ СО РАН, Новосибирск).
Соисполнители : РНЦ Курчатовский институт, НИИЯФ МГУ, ФТИ им.
Иоффе (Санкт-Петербург) и др.
14 октября 2009 года
А.Н.Васильев – Эксперимент ПАНДА, ИЦФР в ИТЭФ
18
10 предложений российских институтов по вкладам в ПАНДА
 Планируют участие в создании :
 ГНЦ ИФВЭ - два калориметра – 1) центральный из
вольфрамата свинца (совместно с РНЦ КИ) и 2) типа
«шашлык», а также 3)передний вершинный детектор
(совместно с НИЯФ МГУ и ФТИ им.Иоффе).
 ОИЯИ – 4) мюонная система, 5) черенковский детектор
DIRC, 6) сверхпроводящий соленоид.
 ПИЯФ – 7) передний детектор времени пролета.
 ГНЦ ИТЭФ и МЭИ – 8) корпускулярная мишень
(pellet target).
________________________________________________________________
Кроме того :
Все институты – 9) Монте Карло и физика.
ГНЦ ИФВЭ и ОИЯИ – 10) центральный детектор времени пролета
14 октября 2009 года
А.Н.Васильев – Эксперимент ПАНДА, ИЦФР в ИТЭФ
19
Магнитная система спектрометра PANDA
(проектирование и изготовление – ОИЯИ)
ламинированное ярмо
раздвижная дверь
ламинированная
раздвижная дверь
катушка дипольного
магнита
Центральное поле
соленоида:
B = 2T
Однородность поля
соленоида:
ΔB/B < 2%
Интеграл радиальной
компоненты вдоль
оси пучка в области
центрального
детектора:
Z0
BR ( R, Z )
0 BZ ( R, Z ) dZ  2mm
криостат
передвижная
платформа
M = 350 тонн
катушка
сверхпроводящего соленоида
14 октября 2009 года
Общая масса
соленоида:
А.Н.Васильев – Эксперимент ПАНДА, ИЦФР в ИТЭФ
20
DIRC
– Детектор черенковского излучения с
14 октября 2009 года
внутренним отражением в радиаторе
А.Н.Васильев – Эксперимент ПАНДА, ИЦФР в ИТЭФ
21
Контейнер с кварцевыми радиаторами
14 октября 2009 года
А.Н.Васильев – Эксперимент ПАНДА, ИЦФР в ИТЭФ
22
Кварцевые радиаторы, изготовленные на
Лыткаринском заводе оптического стекла
(прототипы)
14 октября 2009 года
А.Н.Васильев – Эксперимент ПАНДА, ИЦФР в ИТЭФ
23
Московский Энергетический Институт
Институт Теоретической и Экспериментальной
Физики
Institut für Kernphysik, FZJ, Jülich, Germany
14 октября 2009 года
А.Н.Васильев – Эксперимент ПАНДА, ИЦФР в ИТЭФ
24
14 октября 2009 года
А.Н.Васильев – Эксперимент ПАНДА, ИЦФР в ИТЭФ
25
14 октября 2009 года
А.Н.Васильев – Эксперимент ПАНДА, ИЦФР в ИТЭФ
26
Многозазорная резистивная плоская камера ,30х30 см², со стриповым
съемом информации , помещенная в алюминиевый контейнер. 3D чертеж.
14 октября 2009 года
А.Н.Васильев – Эксперимент ПАНДА, ИЦФР в ИТЭФ
27
Фотография контейнера с МРПК, установленного в тестовой зоне
Электроника для
чтения стрипов
Контейнер с
камерой внутри
Электроника для
чтения стрипов
14 октября 2009 года
А.Н.Васильев – Эксперимент ПАНДА, ИЦФР в ИТЭФ
28
28
Временное разрешение и эффективность при разных
напряжениях на многозазорной резистивной плоской камере
Лучшее разрешение (45ps)
получено при HV=9kV.
Эффективность > 98%
14 октября 2009 года
А.Н.Васильев – Эксперимент ПАНДА, ИЦФР в ИТЭФ
29
29
Сравнение с данными других групп
Ширина
стрипа
(мм)
Зазор
(мкм)
Число
зазоров
Газовая
смесь
рабочее
напряж.
(kV)
Метод
коррекции
Получено
разреше
ние
(пикосек)
Y.J. Sun et al,
NIM A593,
2008, p.307
25
250
2x5
95%TFE+
5%Isobut
2х6.5
T-Q
60-74
M. Abbrescia et al,
NIMA593,
2008, p.263
25
300
10
98%TFE+
2% SF6
17
TOT
67
ИФВЭ+ОИЯИ
25
300
2x3
9.0
T-Q
45
14 октября 2009 года
93%TFE+
5%Isobut.+2%
SF6
А.Н.Васильев – Эксперимент ПАНДА, ИЦФР в ИТЭФ
30
30
PNPI RAS, St.Petersburg
TOF detector @ PANDA
PID in forward direction
/k separation up to 2.5 GeV/c
k/p separation up to 4 GeV/c
14 октября 2009 года
А.Н.Васильев – Эксперимент ПАНДА, ИЦФР в ИТЭФ
31
PNPI RAS, St.Petersburg
PANDA detector
MC simulations
T
O
F
test station
prototyping
beam tests
mass production
installation
TOF Wall: covered area –
7.84 m2
TOF Side: covered area –
2.8 m2
14 октября 2009 года
А.Н.Васильев – Эксперимент ПАНДА, ИЦФР в ИТЭФ
32
PNPI RAS, St.Petersburg
Test run
MC simulation
TOF Wall mass reconstruction
σ tof =100 ps
14 октября 2009 года
1 Gev proton beam
with 140*5 cm2 prototype
σ tof <100 ps
А.Н.Васильев – Эксперимент ПАНДА, ИЦФР в ИТЭФ
33
Калориметр из вольфрамата свинца
• Рассмотрим подробнее участие России в
калориметрии ПАНДА.
• Для измерения -квантов, 0 и -мезонов в широком
диапазоне
энергий
планируется
создание
калориметра на основе вольфрамата свинца (PWO),
который
обеспечит
требуемые
высокое
энергетическое и координатное разрешения. PWOкристаллы отличаются высокой плотностью, малой
радиационной длиной, быстрым
сигналом
и
хорошими радиационными свойствами.
• Следует особо подчеркнуть участие Российской
промышленности – завода в Богородицке– в
производстве PWO-кристаллов. Нигде в мире, кроме
России, не развито массовое производство этих
кристаллов.
14 октября 2009 года
А.Н.Васильев – Эксперимент ПАНДА, ИЦФР в ИТЭФ
34
PANDA lead tungstate calorimeter
14 октября 2009 года
А.Н.Васильев – Эксперимент ПАНДА, ИЦФР в ИТЭФ
35
Калориметр из вольфрамата свинца
• В центральном калориметре 11,360 кристаллов.
•ГНЦ
ИФВЭ
совместная
Курчатовским Институтом.
-
работа
с
РНЦ
Регистрация фотонов с энергиями от 10 МэВ до 10 ГэВ :
- новые кристаллы PWO-II с удвоенным световыходом;
- рабочая температура -250С  световыход увеличивается еще в 33.5 раза и разрешение улучшается (см.следующие два слайда);
- кристаллы должны быть радиационно-стойкими.
14 октября 2009 года
А.Н.Васильев – Эксперимент ПАНДА, ИЦФР в ИТЭФ
36
Богородицк научился выращивать PWO-II кристаллы
14 октября 2009 года
А.Н.Васильев – Эксперимент ПАНДА, ИЦФР в ИТЭФ
37
energy resolution   
Photomultiplier-readout
incident energy / GeV
Рекордное энергетическое разрешение при -250С несмотря на утечки из матрицы 3х3
18 июня 2008
Совещание по ФАИР в ИЦФР в ИТЭФ, А.Н.Васильев (ГНЦ ИФВЭ)
38
Типичный рост сигналов при
температурах
+20С / -25С
B389 at dose rate 2 rad/h
-25 C
+20 C
DC signal
Blue LED
signal
Red LED
signal
18 июня 2008
Совещание по ФАИР в ИЦФР в ИТЭФ, А.Н.Васильев (ГНЦ ИФВЭ)
39
Исследования свойств PWO-кристаллов
• Около 20-ти лет назад в ИФВЭ вольфрамат свинца был
впервые использован как материал для калориметрии.
• ИФВЭ накопил большой опыт в исследованиях свойств PWOкристаллов и создании электромагнитных калориметров на их
основе для экспериментов CMS, PRIMEX и BTeV. ИФВЭ
опубликовал более 20 статей в NIM по PWO-кристаллам и
калориметрам на их основе. В последние годы ИФВЭ тесно
сотрудничал по кристаллам с КИ, создающим калориметр для
ALICE.
• ИФВЭ ведет систематические исследования радиационной стойкости
PWO-кристаллов на уникальной в мире установке с непрерывным
контролем во время облучения с целью улучшения технологии
выращивания
радиационно-стойких кристаллов. КИ имеет
оборудование для измерения оптических свойств кристаллов и
световыхода.
14 октября 2009 года
А.Н.Васильев – Эксперимент ПАНДА, ИЦФР в ИТЭФ
40
ГНЦ ИФВЭ в создании калориметра из вольфрамата свинца.
•
Разработка и изготовление в российской промышленности всех
основных механических элементов калориметра.
•
Контроль качества кристаллов, изготавливаемых российской
промышленностью.
•
Участие в сборке калориметра, его запуске, тестах, калибровке.
•
Разработка и создание мониторной системы
медленного контроля всех узлов калориметра.
•
Создание программного обеспечения и участие в физическом
анализе данных.
14 октября 2009 года
А.Н.Васильев – Эксперимент ПАНДА, ИЦФР в ИТЭФ
и
системы
41
ИФВЭ в создании калориметра типа «шашлык»
 Рассмотрим теперь второй калориметр ПАНДА.
 На ускорителе У-70 в ГНЦ ИФВЭ был проведен сеанс
по изучению прототипа из 9-ти модулей «шашлыка».
 В каждом модуле было 380 слоев с толщиной
свинцового
поглотителя
300
микрон
и
сцинтиллятором толщиной 1,5 мм.
 Поперечные размеры модуля 110x110 мм2.
14 октября 2009 года
А.Н.Васильев – Эксперимент ПАНДА, ИЦФР в ИТЭФ
42
Модули «шашлыка» в процессе сборки
14 октября 2009 года
А.Н.Васильев – Эксперимент ПАНДА, ИЦФР в ИТЭФ
43
Энергетическое разрешение «шашлыка»
Предварительные
результаты
(матрицы 3х3)
14 октября 2009 года
А.Н.Васильев – Эксперимент ПАНДА, ИЦФР в ИТЭФ
44
Калориметр типа «шашлык» в эксперименте ПАНДА
 Калориметр – это прямоугольная матрица
13х27 (26х54) – всего 351(1404) модуль. Длина
модуля 70 см. Ячейка 11х11 см (5.5х5.5 см).
Рабочая поверхность детектора 4 м2. Вес
детектора около 15 тонн.
14 октября 2009 года
А.Н.Васильев – Эксперимент ПАНДА, ИЦФР в ИТЭФ
45
Вклад России в ПАНДА








8 российских детекторов/узлов установки
ПАНДА :
1) передний электромагнитный калориметр
типа «шашлык»
2)
центральный
электромагнитный
калориметр из вольфрамата свинца
3)передний вершинный детектор
4) мюонная система
5) радиаторы черенковского детектора DIRC
6) ярмо сверхпроводящего соленоида
7) передний детектор времени пролета
8) корпускулярная мишень
14 октября 2009 года
А.Н.Васильев – Эксперимент ПАНДА, ИЦФР в ИТЭФ
46
Основные сроки в ПАНДА
• Изготовление детекторов и узлов в России –
2010-2014
• Транспортировка детекторов и узлов из России в
Дармштадт –
2013-2015
•
Сборка в Дармштадте, отладка и запуск детекторов и
узлов, сделанных в России, интеграция в установку –
2013-2015
14 октября 2009 года
А.Н.Васильев – Эксперимент ПАНДА, ИЦФР в ИТЭФ
47
Заключение

Полноценное участие российских ученых в
эксперименте ПАНДА обеспечит России право на
интеллектуальную собственность - принципиально
новые знания в ядерной физике и
физике
элементарных частиц.
 Российские ученые получат возможность участия в
экспериментальных исследованиях экстремальных
состояний материи в течение двух десятилетий.
 В России нет и не планируется проведение подобного
эксперимента.
 Принципиально новая сверхбыстрая электроника
и система сбора данных эксперимента ПАНДА
позволят приобрести опыт создания подобных
систем передовой технологии в России.
14 октября 2009 года
А.Н.Васильев – Эксперимент ПАНДА, ИЦФР в ИТЭФ
48
Заключение-2
 Поиск новых форм материи во взаимодействии
антивещества с веществом в эксперименте ПАНДА в
высокоинтенсивном
и
монохроматичном
пучке
антивещества (антипротонов) является уникальным
дополнением к физике ультравысоких энергий на LHC.
 Нигде в мире, кроме России, не развито массовое
производство кристаллов из вольфрамата свинца. Россия
произвела ~80 тыс. кристаллов для CMS и ALICE.
Подавляющая часть из €20.5M (оценочная стоимость
центрального PWO-калориметра) останется в России и
будет
вложена
в
промышленности
развитие
российской
(уже вложено €5.3М из Германии и
Швеции).
14 октября 2009 года
А.Н.Васильев – Эксперимент ПАНДА, ИЦФР в ИТЭФ
49
Заключение-3
 Росатом интегрирует вокруг себя в ПАНДА
другие Институты РАН, Минобрнауки и
ОИЯИ.
 Планируется вклад России в создание
установки ПАНДА на уровне 30% от полной
стоимости установки.
 Создав все перечисленные детекторы,
Россия
будет
занимать
лидирующее
положение в эксперименте ПАНДА.
14 октября 2009 года
А.Н.Васильев – Эксперимент ПАНДА, ИЦФР в ИТЭФ
50