ИТЭФ - Отдел теоретической физики высоких энергий

Дальнейшее развитие
(upgrade)
детекторов ALICE
Статус и планы участия российских инститьутов
Международный мегапроект ALICE
на Большом адронном коллайдере в
ЦЕРН
Участники:
 132 института из 36 стран,
1200 участников
 Россия  10 институтов
 БИЯФ
 «ИТЭФ»
 «ИФВЭ»
 ИЯИ РАН
 МИФИ
 НИЦ «Курчатовский
Институт»
 РФЯЦ-ВНИИЭФ
 Ст.ПГУ
 ПИЯФ
 ОИЯИ
НИЦ«Курчатовский Институт» координирует работы всех
российских институтов в ALICE
Эксперимент ALICE
на коллайдере LHC в ЦЕРН
A Large Ion Collider Experiment
Детекторы
(Проекты)
 ITS
 TPC
 TRD
 TOF
 PHOS
 MUON
 ECAL
 HMPID
 V0
T0
FMD
ZDC
ACORDE
Участие российских институтов
 PHOS
НИЦ «КИ» (руководитель
проекта), ИФВЭ, РФЯЦВНИИЭФ, ОИЯИ
 MUON
ПИЯФ
 ITS
СПбГУ
 TOF
ИТЭФ
 T0
ИЯИ РАН, МИФИ, НИЦ «КИ»
Программа развития Большого адронного коллайдера
Стратегия развития экспериментаALICE (равно, как и всех
экспериментов на Большом адронном коллайдере ) основана на
программе развития Большого адронного коллайдера
 После первой длительной остановки 2013 – 2014 гг. (LS1) на Большом
адронном коллайдере будут достигнуты проектные значения энергии
столкновения (вдвое выше энергий первой кампании измерений 2009 –
2013 гг.) и светимости
 После второй длительной остановки 2018 – 2019 гг. (LS2) светимость
Большого адронного коллайдера будет поавышена в 10 раз.
Эксперименты в этих условиях будут проводиться все 2020-е годы.
Эти новые условия открывают возможности исследований ранее
недоступных редких процессов, но, в то же время, предъявляют новые,
гораздо более жёсткие требования к детекторам, которые теперь
должны будут работать при гораздо более высоких загрузках.
Основные цели развития супердетектора ALICE
Основные стратегические цели
 Полностью использовать потенциал Большого адронного коллайдера (LHC) при высокой
светимости, которая будет достигнута после длительной остановки (LS2) в 2018 г., для
фундаментальных исследований в области квантовой хромодинамики, применяя, прежде
всего, метод столкновений ядер сверхвысоких энергий.
 Обеспечить возможности детальных исследований, на количественном уровне, свойств
сильно взаимодействующей материи при экстремально высоких значениях плотности и
температуры, равно как и исследование новых явлений в квантовой хромодинамике.
LHC предоставляет оптимальные экспериментальные условия для изучения кваркглюонной плазмы (QGP):
Барионная плотность в области центральных быстрот (mid-rapidity) очень мала,
что соответствует условиям в ранней Вселенной.
 На LHC достигаются максимальные для лаборатории на Земле значения
начальной температуры и плотности энергии.
 Благодаря высокой энергии в системе центра масс (s ) происходит большое
количество жёстких процессов, которые могут рассчитываться в рамках
пертурбативной квантовой хромодинамики.
Основные цели научной программы эксперимента ALICE
после реализации программы его развития в 2018 г.
 Исследование термализации партонов в QGP, прежде всего, массивных c - и b – кварков.
 Исследование диссоциации кваркониев с малыми импульсами и, возможно, их
регенерации, как сигнала деконфайнмента и для оценки температуры среды.
 Исследования рождения тепловых фотонов и дилептонов малых масс, излучаемых из
кварк-глюоной материи. Это даст возможность измерить начальную температуру,
получить представление об уравнении состояния среды, а также прольёт свет на природу
фазового перехода.
 Исследование механизма потери энергии партонами в цветной среде, что
предоставит основу для проверки многочастичных аспектов квантовой
хромодинамики, а также даст возможность оценить плотность кварк-глюонной
плазмы.
 Поиски новых ядерных состояний, таких, как лёгкие мульти -  гиперядра, например,
5
 H, связанные состояния () или (n), а также связанных состояний, содержащих
мульти-странные барионы. Систематические исследования рождения лёгких ядер и
антиядер.
Стратегия дальнейшего развития супердетектора ALICE разработана в предположении, что после LS2 в
2018 г. светимость LHC при работе на пучках Pb будет постепенно увеличиваться, достигнув в конце концов
скорости взаимодействий около 50 kHz, т.е. мгновенной светимости L = 61027cm2s1. Супердетектор
ALICE будет в состоянии просматривать все взаимодействия, и, благодаря этому, сможет набрать 10 nb1
столкновений Pb–Pb, просмотрев около 1011 взаимодействий. Это тот минимум, который требуется для
того, чтобы достичь целей предложенной физической программы, направленной, в основном, на регистрацию
редких проб как при низких, так и при высоких поперечных импульсах, для различных классов центральности,
для различных направлений в плоскости реакции и т. п.
Основные направления развития супердетектра ALICE
Создание нового, обладающего высоким разрешением, в то же время имеющего малую
толщину, внутреннего трекера (Inner Tracking System, ITS).
 Развитие время-проекционной камеры (Time-Projection Chamber, TPC) – замена
многопроволочных камер на детекторы GEM (Gas Electron Multiplier), а также создание новой
считывающей электроники.
Развитие электроники для следующих детекторных систем: детектора переходного
излучения (TRD), времяпролётного детектора (TOF), фотонного спектрометра (PHOS),
электромагнитного калориметра (ECAL), мюонного спектрометра (MUON), калориметра
нулевого угла (ZDC) с тем, чтобы обеспечить высокую скорость набора данных при
высокой светимости Большого адронного коллайдера после 2018 г.
Замена системы передних триггерных детекторов V0/T0/FMD на новый триггерный
детектор, Fast Interaction Trigger (FIT) для работы при высокой скорости набора данных.
Создание нового детектора  переднего мюонного трекера (MFT) для мюонного
спектрометра.
 Развитие систем Online: High-Level Trigger (HLT), Data Acquisition (DAQ) и триггерной
системы, для обеспечения всокой скорости набора данных (до 50 kHz, что соответствует
увеличению приблизительно на два порядка по отношению к существующей системе).
 Развитие программного обеспечения обработки данных с тем, чтобы обеспечить
возможности анализа экспериментальных данных для во много раз большего количества
зарегистрированных событий.
Документы, представленные в LHCC
“Письмо о намерениях по дальнейшему развитию эксперимента ALICE” (“Upgrade of the
ALICE Experiment Letter of Intent”)
CERN-LHCC-2012-012/LHCC-I-022
27 сентября 2012г. LoI “Upgrade of the ALICE Experiment” одобрено LHCC.
“ Концептуальный проект дальнейшего развития внутренней трековой системы“ (“ Upgrade
of the Inner Tracking System Conceptual Design Report“)
CERN-LHCC-2012-013/LHCC-P-005
“ Технический проект дальнейшего развития внутренней трековой системы“ ((“Technical
Design Report for the Upgrade of the Inner Tracking System”)
CERN-LHCC-2013-024
“ Дополнение к Письму о намерениях по дальнейшему развитию эксперимента ALICE:
Передний мюонный трекер” (“Addendum of the Letter of Intent for the Upgrade of the ALICE
Experiment: The Muon Forward Tracker”)
CERN-LHCC-2013-014/LHCC-022-Add-1
26 сентября 2013 г. одобрено LHCC
“ Технический проект дальнейшего развития системы считывания и триггера эксперимента
ALICE“ (“Technical Design Report for the Upgrade of the ALICE Readout & Trigger System“)
CERN-LHCC-2013-019/LHCC-TDR-015
“ Технический проект дальнейшего развития время-проекционной камеры“ ((“Technical
Design Report for the Upgrade of the Time Projection Chamber”)
CERN-LHCC-2013-020/LHCC-TDR-016
Российские институты участвуют в следующих проектах принятой на сегодня
программы развития супердетектора ALICE.
 НИР по дальнейшему развитию фотонного спектрометра PHOS
НИЦ «Курчатовский институт», ИФВЭ, РФЯЦ-ВНИИЭФ, ОИЯИ + 6
институтов из Китая, Чехии, Японии, Норвегии, Польши
 НИР по дальнейшему развитию внутреннего трекера ITS
СПбГУ + ЦЕРН + 31 институт из Китая, Чехии, Франции, Италии,
Нидерландов, Кореи, Пакистана, Словакии, Таиланда, Великобритании,
Украины, США.
 НИР, направленные на создание мюонного переднего трекера MFT
ПИЯФ , ОИЯИ + 9 институтов из Армении, Франции, Индии, Южной
Африки
 НИР, направленные на создание нового триггерного детектора FIT
ИЯИ, МИФИ, НИЦ «Курчатовский институт» + 8 институтов из Финляндии,
Дании, Мексики, Перу, США.
НИР по дальнейшему развитию время-пролётного идентификатора
заряженных частиц TOF
ИТЭФ + 4 института из Италии и Кореи.
В 2012 – 2013 гг. по этим четырём проектам были проведены начальные
этапы научно-исследовательских разработок. Проекты развития фотонного
спектрометра PHOS, внутреннего трекера ITS и создания нового мюонного
трекера MFT с российской стороны были поддержаны Минобрнаукой в рамках
двухлетнего контракта между Минобрнаукой и НИЦ «Курчатовский
институт» № 11.519.11.630 от 14 марта 2012 г. Головной организацией был
НИЦ «Курчатовский институт», соисполнителями – ИФВЭ, РФЯЦ-ВНИИЭФ,
ОИЯИ, ПИЯФ, СПбГУ. Проект по созданию нового триггерного детектора FIT
с российской стороны был подержан РАН, а начальные этапы выполнялись
ИЯИ РАН.
НИР по развитию фотонного спектрометра PHOS
НИЦ “Курчатовский институт”, ИФВЭ, РФЯЦ-ВНИИЭФ, ОИЯИ
Берген, Осло, Хиросима, Ухань, Варшава, Прага
Основные физические задачи
Измерения спектров прямых фотонов в широком диапазоне поперечных импульсов, в
том числе в области термальных фотонов, для различных классов центральности.
Определение начальной температуры сгустка кварк-глюонной плазмы, образующегося в
центральных столкновениях тяжёлых ядер.
 Измерения спектров нейтральных мезонов в Pb-Pb, p-Pb, p-p столкновениях в широком
диапазоне поперечных импульсов (1 ГэВ/c  pT  100 ГэВ/с). Определение факторов
ядерной модификации нейтральных мезонов для различных классов центральности.
 Исследования коллективных потоков прямых фотонов и нейтральных мезонов в Pb-Pb
и p-Pb столкновениях.
Развитие фотонного спектрометра PHOS
НИЦ “Курчатовский институт”, ИФВЭ, РФЯЦ-ВНИИЭФ, ОИЯИ
Берген, Осло, Хиросима, Ухань, Варшава, Прага
Основные задачи в период 2013-2014 гг. (LS1)
 Новая система считывания сигналов с плат электроники (FEC). Сокращение времени
считывания до  100 sec (в 10 раз).
Переход с последовательного считывания сигналов с 16 плат электроники (448 каналов) на
параллельное считывание с каждой платы электроники (28 каналов) на основе нового модуля
Scalable Readout Unit (SRU). Разработка и изготовление модулей SRU (всего 14 модулей),
модернизация плат FEC (всего 392 платы)  разработка, изготовление и монтаж на платах
FEC дополнительных мезонинных карт.
 Новая триггерная электроника
Переход на новые модули триггерной электроники  усовершенствованные платы TRU
(Trigger Region Unit) и новый модуль STU (Summary Trigger Unit). Значительное улучшение
возможностей PHOS как триггера редких событий. Разработка и изготовление новых плат
TRU (всего 28 плат) и модуля STU (1 модуль).
 Усовершенствованная мониторная система
Перевод управления светодиодной системы на стандарт VME. Значительное улучшение
рабочих характеристик. Разработка и изготовление новых модулей управления (всего 4
модуля)
 Новая, более мощная, система охлаждения матриц кристаллов.
Существенное повышение надёжности системы охлаждения и улучшение её рабочих
характеристик. Разработка и изготовление новой насосной станции.
 Установка одного модуля вето-детектора заряженных частиц (CPV).
Повышение эффективности идентификации заряженных кластеров. Разработка и
изготовление модуля CPV.
Развитие фотонного спектрометра PHOS
НИЦ “Курчатовский институт”, ИФВЭ, РФЯЦ-ВНИИЭФ, ОИЯИ
Берген, Осло, Хиросима, Ухань, Варшава, Прага
Основные задачи в период 2013-2014 гг. (LS1)
Модуль CPV
Модернизированные платы FEC
(всего 392 платы)
Триггерные платы TRU
(всего 28 плат)
Модуль SRU (всего 14 модулей)
Модуль STU
Управление мониторной
системой в стандарте VME
Развитие фотонного спектрометра PHOS
НИЦ “Курчатовский институт”, ИФВЭ, РФЯЦ-ВНИИЭФ, ОИЯИ
Берген, Осло, Хиросима, Ухань, Варшава, Прага
Основные задачи в период 2015-2017 гг. (подготовка к LS2)
 Научно-исследовательские разработки новой электроники, направленные на достижение
следующих целей.
 Значительно улучшить временнОе разрешение спектрометра с тем, чтобы существенно
повысить возможности измерения прямых фотонов, в том числе тепловых фотонов,
используя отбор по времени пролёта для повышения эффективности идентификации
фотонных кластеров на фоне анти-нейтронных кластеров. Дополнительно откроется
возможность измерения медленных анти-нейтронов.
Сократить время считывания до величины  20 sec (в 5 раз по сравнению с достигнутым
в период LS1).
 Изготовление и подготовка к установке ещё двух модулей вето-детектора заряженных
частиц CPV.
 Обеспечение надёжной работы фотонного спектрометра PHOS и вето-детектора
заряженных частиц CPV в сеансах измерений на Большом адронном коллайдере.
 Дальнейшее развитие методик и программного обеспечения компьютерного контроля и
управления системами фотонного спектрометра PHOS и вето-детектора CPV.
 Дальнейшее развитие методик и программного обеспечения для анализа
экспериментальных данных по физике фотонов и нейтральных мезонов, получаемых с
помощью фотонного спектрометра PHOS.
 Калибровка детекторных каналов спектрометра PHOS, on-line мониторинг, реконструкция
экспериментальных данных.
 Физический анализ данных по физике фотонов и нейтральных мезонов, получаемых с
помощью фотонного спектрометра PHOS
Развитие фотонного спектрометра PHOS
НИЦ “Курчатовский институт”, ИФВЭ, РФЯЦ-ВНИИЭФ, ОИЯИ
Берген, Осло, Хиросима, Ухань, Варшава, Прага
Влияние временнОго разрешения на
идентификацию фотонных кластеров.
Сигнал прямых фотонов составляет всего  10%
от фона распадных фотонов
 Значительную долю нейтральных кластеров
составляют медленные анти-нейтроны.
 Отбор по времени пролёта позволяет существенно
уменьшить фон анти-нейтронных кластеров.
Отношение суммы сигналов
прямых и распадных фотонов
к сигналу распадных
фотонов, измеренное ALICE
No TOF cut
(Monte Carlo)
Timing resolution 0.5 ns
(Monte Carlo)
Развитие внутренней трековой системы ITS
СПбГУ
ЦЕРН + 31 институт из Китая, Чехии, Франции, Италии, Нидерландов, Кореи, Пакистана,
Словакии, Таиланда, Великобритании, Украины, США.
Основные физические задачи
Измерения адронов, содержащих тяжёлые кварки, (b- и c- кварки), в том числе в диапазоне
малых поперечных импульсов. Исследования термализации и адронизации тяжёлых кварков
в среде. Исследования потерь энергии тяжёлыми кварками в цветной среде.
Измерения RAA и v2 для D – мезонов вплоть до pT=0
 Измерения RAA и v2 для Ds – мезонов вплоть до pT , по крайней мере, 2 ГэВ/c
 Измерения RAA и v2 для c – бариона вплоть до pT 2 ГэВ/c и 3 ГэВ/c соответственно
 Измерения барион/мезонного отношения для адронов, содержащих c-кварк, (c/D), вплоть до
2 ГэВ/c
 Измерения RAA и v2 для B – мезонов вплоть до pT= 1 ГэВ/c
 Полностью реконструированный распад B+-мезона по каналу анти-D0++ вплоть до 3 ГэВ/c
 Реконструкция b – бариона для pT  7 ГэВ/c
 Рождение D – мезонов в струях, функция фрагментации D – мезона в широком диапазоне
импульсов.
Развитие внутренней трековой системы ITS
СПбГУ
ЦЕРН + 31 институт из Китая, Чехии, Франции, Италии, Нидерландов, Кореи, Пакистана,
Словакии, Таиланда, Великобритании, Украины, США.
Основные технические задачи
Обеспечение высоко эффективного трекинга, в широком диапазоне импульсов, со
специальным акцентом на области малых импульсов.
Прецизионная реконструкция вторичных вершин для распадов адронов, содержащих
b- и c- кварки.
Улучшение вдвое пространственного разрешения при определении первичной вершины
(положения точки столкновения)
 Уменьшение общей толщины (материального бюджета) внутренней трековой
системы.
 Внутренний слой максимально приближен к точке столкновения  ускорительная
трубка меньшего диаметра и более тонкая ( R  2 cm, R = 400 m).
 Новая технология изготовления пикселей  более тонкие, более высокая
гранулярность.
Развитие внутренней трековой системы ITS
СПбГУ
ЦЕРН + 31 институт из Китая, Чехии, Франции, Италии, Нидерландов, Кореи, Пакистана,
Словакии, Таиланда, Великобритании, Украины, США.
Основные задачи по подготовке к LS2
 Научно-исследовательские разработки эскизных вариантов конструкции ITS. Оценки на
соответствие требованиям физических задач и возможным технологиям современного
производства.
 Научно-исследовательские разработки технологий изготовления сверхлёгких, термо- и
механически- стойких структур поддержки с интегрированной системой охлаждения для
монолитных пиксельных детекторов внутренних слоев ITS.
 Разработка панелей охлаждения для наружных слоев. Разработка и отладка технологии
изготовления панелей охлаждения.
 Создание и наладка стенда для аттестации прототипов монолитных кремниевых
пиксельных сенсоров. Аттестация прототипов монолитных кремниевых пиксельных
сенсоров.
 Разработка, изготовление и испытания опытных партий конструктивных элементов и
узлов новой внутренней трековой системы ITS.
 Теоретический анализ возможностей исследований редких процессов после реконструкции
Большого алронного коллайдера в 2017-2018 гг. (LS2).
Разработка и создание мюонного переднего трекера
MFT
ПИЯФ, ОИЯИ
9 институтов из Армении, Франции, Индии, Южной Африки
Мюонный передний трекер – вершинный детектор мюонного спектрометра, который
будет расположен прямо перед абсорбером. При регистрации короткоживущих частиц он
позволит определять расстояния между первичной вершиной (точкой столкновения) и
вторичной вершиной (точкой распада), что сильно повышает эффективность
идентификации этих частиц.
Значительно уменьшается фон
 Сильно повышается разрешение по массе для мезонов малых масс.
Основные физические задачи
Димюонные измерения чармониевых состояний J/ и ’, изучение цветового
экранирования в среде и механизмов адронизации пар c – анти-c.
 Измерения рождения адронов, содержащих c - и b – кварки, путём регистрации
одиночных мюонов и J/-мезонов из распадов B-мезонов, что открывает возможности
томографии цветной среды, исследуя потери энергии тяжёлых кварков.
 Измерения димюонов в диапазоне малых инвариантных масс с целью изучения
теплового излучения кварк-глюонной плазмы и поисков модификаций спектральных
функций лёгких векторных мезонов в среде.
Взаимное расположение ITS, MFT и FIT
ITS
Beam pipe
MFT
MFT Barrel
MFT Cone
Service volume
FIT
Absorber
Beam-pipe support
Задачи ПИЯФ в проекте MFT, определённые на настоящее время
Конструкторская проработка технических решений опор ускорительной трубки.
Выполнена в 2012-2013 гг.
 Оптимизация корпуса мюонного переднего трекера (минимизация количества
вещества).  2014 – 2015 гг.
 Разработка и исследования на прототипах механических компонентов системы
низковольтного питания.  2014 – 2015 гг.
 Разработка и исследования на прототипах бериллиевых компонентов сборки
пиксельных сенсоров.  2014 – 2015 гг.
 Изучение возможности изготовления бериллиевых деталей сборки пиксельных
сенсоров в России  на предприятии ОАО «Композит» (г. Королёв, Московская область)
Разработка и создание быстрого триггера
взаимодействия FIT
ИЯИ РАН, МИФИ, НИЦ «Курчатовский институт»
8 институтов из Финляндии, Дании, Мексики, Перу, США
Быстрый триггер взаимодействия FIT представляет собой комбинацию двух
модернизированных передних триггерных детекторов T0 и V0.
Увеличенный аксептанс детектора T0
 Новые фотодетекторы  микроканальные пластины вместо ФЭУ
 Общая электроника  как в детекторе T0 (разработана и изготовлена российскими институтами)
Основные функции и характеристики детектора FIT
Minimum Bias триггер для p-p столкновений с эффективностью не хуже, чем у существующего
детектора V0
 Определение множественности события позволяющее определять класс центральности и
вырабатывать триггер как для центральных, так и для полу-центральных событий. Эффективность
отбора по классу центральности должна быть такой же, как у существующего детектора T0.
Определение вершины (точки столкновения) – такое же, как с существующим детектором T0.
 Определение и отклонение событий пучкового фона – такое же, как с существующим детектором V0.
Разрешение по времени для p-p лучше, чем 50 psec, как у существующего детектора T0.
Определение момента столкновения для TOF с точностью, лучше, чем 50 psec.
Определение плоскости реакции с точностью такой же, как с существующим детектором V0.
Минимальное старение за период работы ALICE.
 Отсутствие послеимпульсов и других ложных сигналов.
 Прямая передача информации о светимости и характеристиках пучков LHC.
Разработка и создание быстрого триггера
взаимодействия FIT
ИЯИ РАН, МИФИ, НИЦ «Курчатовский институт»
8 институтов из Финляндии, Дании, Мексики, Перу, США
Предварительные планы
 Разработка и создание прототипа модуля
детектора, электроники. Испытания на
пучках ускорителей в ЦЕРН. Разработка
программного обеспечения. 2014-2016 гг.
 Покупка MCP-PMT, производство
электроники, сборка и тестирование
детектора, отладка программного
обеспечения. 2017 г.
Развитие время-пролётного идентификатора
заряженных частиц TOF
ИТЭФ
4 института из Италии и Кореи
Модернизация электроники с целью существенного увеличения
частоты считывания
 Предельная частота считывания в настоящее время 
несколько десятков кГц
 Предельная частота считывания после модернизации  200 кГц
Основные задачи в период 2014 – 2017 гг..
 Разработка и изготовление нового крейт-контроллера для VME
(всего 72 модуля)
 Разработка нового программного обеспечения.
Подготовка предложения по разработке мюонной системы для
центральной части супердетектора ALICE
ИТЭФ
Возможно участие нескольких мексиканских институтов
Готовится предложение по замене
существующего детектора ACORDE на
большую систему регистрации мюонов,
расположенную вверху основного
магнитного соленоида ALICE (магнита
L3). Система будет основана на технологии
детекторов START (Scintillating Tiles + WLS
fiber + MRS APD ReadouT), которая
использовалась в созданном ИТЭФ стенде
для испытаний модулей TOF/ALICE
Ведутся инициативные научно-исследовательские разработки
 Изготовлено и испытано на пучке в ЦЕРН несколько прототипов
Временные рамки (предварительные планы)
2014 – 2016  Этапы НИР
2016 – 2017  Изготовление и лабораторные испытания
2018  Установка в подземном зале и запуск
Уровень участия и материальные вклады различных стран в
перечисленные выше проекты развития супердетектора
ALICE обсуждаются в настоящее время.
Предварительная оценка требуемого российского
финансирования на период 2014-2019 гг. на проведение НИР,
изготовление оборудования, сборку, отладку и запуск
модернизированных детекторных систем, разработку и
отладку программного обеспечения по всем проектам с
российским участием  266 млн. рублей.