Poster Design & Printing by Genigraphics ® REGARD RMKI-ELTE Gaseous detector Research & Development Sokszálas gáztöltésű detektorok fejlesztése a CERN ALICE és NA61 kísérleteihez Barnaföldi Gergely Gábor 2, Bámer Csaba 1, Bencze György 2, Bencédi Gyula 1,2, Hamar Gergő 2, Horváth Péter 1, Kiss Gábor 1, Kovács Levente 1,2, László András 2, Lévai Péter 2, Lipusz Csaba 2, Márton Krisztina 1, Melegh Hunor, Oláh László 1, Surányi Gergely 1, Varga Dezső 1, Zalán Péter 2 1 Eötvös Loránd Tudományegyetem TTK, 2 MTA KFKI Részecske- és Magfizikai Kutatóintézet AZ ALICE ÚJ ALDETEKTORA CENTRALITÁS-DETEKTOR A CERN NA61 KÍSÉRLETHEZ A KÖZEL-KATÓDOS ELRENDEZÉS (CCC) GÁZTÖLTÉSŰ DETEKTOROK A GEM-TECHNOLÓGIA A REGARD csoport fejlesztéseinek célja, hogy ezen nehezen kontrollálható geometriai pontatlanságok ne zavarják a kamrák működését. Ezáltal az anyagi költségek jelentősen csökkenthetőek a geometriai méretek egyidejű növelésével. Az új, közel-katódos elrendezésben (Close Cathode Chamber, CCC) az MWPC-khez képest az anódszálak mellett szimmetrikusan váltakozva (negatív feszültségű) térformáló szálak is megjelennek. A nagy ponotsságú részecskedetektálás technológiai állomása a sokszálas proporcionális kamrák (Multi Wire Proportional Chamber, MWPC) megjelenése (Georges Charpak, 1968). A párhuzamos katódlemezek közötti szimmetrikusan elhelyezkedő anód szálsíkú elrendezés precíz geometriai hangolást igényel (~10 μm ), ami robusztus tartókeret kialakításával jár – a kivitelezési néhézségeiről és a magas költségekről nem is beszélve. A detektor anyagmennyiségének csökkentése a robusztus tartókeret kiváltásával érhető el, amivel csökkenthetőek a detektor anyagában letrejövő nemkívánatos másodlagos kölcsönhatások. A mikrostruktúrás gáztöltésű detektorok úttörője a Fabio Sauli által kifejlesztett GEM (Gas Electron Multiplier), mely egy 50  m vastag lyukakkal sűrűn teletűzdelt kondenzátor. A GEM lemezeire kapcsolt nagyfeszültség hatására a lyukakban létrejövő térerősség elegendő egy kis elektron-lavina kialakulásához. A GEM- technológia előnye, hogy kiváló felbontóképességű és a fólia struktúra miatt egzotikus detektorokban történő alkalmazásra is ideális (például léteznek hengeres, sőt gömb kiolvasófelülettel rendelkező változatok is). Ezen új szálsík a párhuzamos katódlemezek között asszimetrikusan helyezkedik el, az alsó katódlemeztől 1-2 mm távolságban (4. ábra bal oldala). Elerhető, hogy ebben a konstrukcióban a detektor gázerősítése független legyen a szálsík és a hozzá közelebbi katódsík távolságától (4. ábra jobb oldala). Az új technológia laborban és nyaláb- tesztekben (CERN PS) mutatott sikerességének köszön- hetően várhatóan alkalmazható lesz az ALICE VHMPID moduljának HPTD trigger rendszerében (valamint a kozmi- kus müonokkal való tomográfiában is [lásd: másik Regard poszter]). TESZTMÉRÉS A CERN-BEN Bal oldalt felül (6. ábra) egy GEM mikroszkópos fényképét, jobb oldalt (7. ábra) a használatkor kialakuló elektromos teret láthatjuk. A GEM megszületése óta több új “mikrostruktúrás” detektor-ötlet látott napvilágot (TGEM, MicoMegash, bMM,...). Létrejött a CERN RD51 Kollaboráció, mely kifejezetten ezen technológiák kutatásával, fejlesztésével és alkalmazásával foglalkozik (az RMKI és az ELTE is az alapítók közé tartozik). A bal oldali 8. ábrán a REGARD csoport egy Thick-GEM alapú teszkamrája látható. A közel-katódos kamrák már több alkalommal sikeresen részt vettek nyalábteszteken a CERN-beli Proton Synchrotron gyorsítónál, legutóbb augusztusában. A tesztekben jelen volt 7 darab 18x25 cm 2 felületű és egy ~50x50 cm 2 felületű változat is. Előbbieknél az alsó katódlemez a felette lévő szálsíkra merőlegesen parkettázott, így a rajtuk áthaladó részecskék helyzetéről kétdimenziós információ szerezhető, melynek jelenleg már aktívan futó fontos alkalmazása a müontomográfia. Utóbbi egy technológiai prototípus, mely bizonyítja, hogy nagyobb méretekben is működik a közel-katódos eljárás. A tesztekben részt vett egy szintén megbízható eredményeket produkáló időprojekciós kamra (TPC), ami centralitás detektorként egy fejlesztett verzióval az NA61/Shine fix targetes kísérletébe fog beépülni, várhatóan a közeljövőben. REGARD RMKI-ELTE Gaseous detector R&D Website: KAPCSOLAT TÁMOGATÓK OTKA-NKTH: CK A CK A NK Együttműködő partnerek CERN RD51 CERN ALICE VHMPID CERN NA61 Az Európai Részecskefizikai Kutatóközpont (CERN, Genf, Svájc) Nagy Hadronütköztetőjének (LHC) egyik jelentős magyar részvétellel bíró kísérlete az ALICE (A Large Ion Collider Experiment). A kísérletben tanulmányozott proton-proton és nehézion ütközésekben keletkező nagy impulzusú, töltött részecskék információt hordoznak a korai, sűrű és forró világegyetem állapotáról. A kísérlet megépítését követően kiderült, - az amerikai RICH gyorsító (Brookhaven) eredményeiből - hogy a vártnál nagyobb impulzusú (p T > 5 GeV/c) részecskék még pontosabb információkat szolgáltatnak. Ezért szükségessé vált ezen részecskék azonosítására és megkülönböztetésére szolgaló berendezés a „Nagyon Nagy Impulzusú Részecskéket Azonosító Detektor” (Very High Momentum Particle Identification Detector, VHMPID) megépítése (1. ábra). A nagy impulzustartományokban, töltött hadronokat detektáló berendezésnek a részecskék azonosítása előtt preszelekciót kell végeznie, melyben kiválogatja a számunkra érdekes, nagy transzverzális impulzussal rendelkező eseményeket. Ezt a szelekciót egy trigger- detektor végzi (High p T Trigger Detector, HPTD), mely segítségével akár negyveszer több értékes adatot lehet majd összegyűjteni. A HPTD-nek nagy felületen kell pontosan mérnie az áthaladó részecskék áradatát több egymás alatti rétegben is. Ezen feladatra kiválóan alkalmazhatóak a gáztöltésű detektorok. Ezen trigger detektor fejlesztési és kutatási munkálataiba kapcsolodott be az ELTE és az RMKI közös gázdetektor fejlesztő csoportja, a REGARD (RMKI ELTE Gaseous Detector Research and Development) a magyarországi ALICE csoporttal együtt. A töltött részecskék detektálásánál gyakran használt effektus az ionizáció. A kamra térfogatán áthaladt részecske ionizálja a körülötte lévő gázt, amelyben keltett szabad töltések alkalmas módszerrel összegyűjthetőek és a sokszorozásukat követően detektálható jellé alakíthatóak. A detektor gázterében az ionizáció során keletkezett elektron-ion párok (melyek száma függ a teret kitöltő gáz típusától, ~100/cm) detektálásra még túlságosan kevés. Ezen szabad elektronokat “sokszorozni” kell: Ehhez általában kettő, a gázteret körülölelő, párhuzamosan elhelyezett katódlemezt választanak, amik között bizonyos távolságban vékony, pozitív töltésű anódszálak találhatók. A kialakuló elektromos tér hatására az elektronok az anódszálak felé sodródnak, közvetlen közelükben pedig újra és újra ionizálva a gázt megsokasodnak (lavinaeffektus – lásd 2. ábra). A több ezer elektronnyira növekedő lavinák segítségével a kezdeti néhány elektron mérhető elektromos jellé alakul. A detektor működése szempontjából fontos a töltőgáz megválasztása. Kémiailag nem aktív egyatomos gázt érdemes használni, tipikusan nemesgázt (leggyakrabban olcsósága miatt argont). Az alap töltőgázhoz kisebb mennyiségben valamilyen többatomos gázt (pl. CO 2, CH 4 ) szoktak adagolni a keletkező UV fontonok elnyelése miatt (melyek a lavinaeffektust önfenntartó irányba terelnék, s így instabillá tennék a kamrát). rendszerrel rendelkezik az előreszórási tartományban. Több nagy térfogatú időprojekciós kamra (TPC) is helyet foglal benne. A néhány hátra szóródó részecske azonban fontos információt hordoz, ezek detektálására épít a REGARD csoport egy kis TPC-t. Az időprojekciós kamra (Time Projection Chamber, TPC) a gáztérfogatán áthaladó töltött részecske által hagyott teljes ionizációs nyomot lassan a kamra tetején lévő sokszálas kiolvasó részhez sodorja, elektromos tér segítségével. A sodródás sebessége közel konstans, így a sokszálas rész után kapott jel idejéből ki lehet számolni, milyen magasról érkezett az adott elektroncsomag. Ezzel a módszerrel három dimenzióban lehet rekonstruálni a részecskék útját. Az NA61 hátraszórási TPC-je ezen felül abszorber lapokkal van feszerelve, mérhetővé téve így a részecskék áthatoló képességét is az ionizáción felül, mely segítségével azonosítani lehet őket. A jobb oldali ábrán a kis TPC sematikus rajzát láthatjuk, bal oldalt a prototípus fotóját. 1. ábra: A VHMPID sematikus felépítése és működése 2. ábra: Sokszorozódás az anódszál környezetében 3. ábra: CCC-típusú gáztöltésű detektorok 3,2x3,2 cm 2 (balra) és 48x46 cm 2 (jobbra) effektív felülettel 4. ábra: A közel-katódos elrendezés anód, illetve térformáló szálai (balra) és a gázerősítés függése a szálsík és a közelebbi katódlemez távolságától (jobbra) 5. ábra: A közel-katódos elrendezésű sokszálas gáztöltésű detektorok tesztmérés közben a CERN PS gyorsítójánál augusztusában 6. ábra: Mikroszkópos felvétel egy GEM fólia felületéről 7. ábra: Elektronsokszorozódás és elektromos tér a GEM-ben 8. ábra: A REGARD vastag-GEM alapú tesztkamrája laboratóriumi tesztelés közben 9. ábra: A TPC tesztmérés közben a CERN PS nyalábban augusztusában 10. ábra: A tervezett centralitás- detektor sematikus felépítése A CERN második legnagyobb gyorsítójánál (SPS) lévő NA61/SHINE kísérlet a hadronok és a kvarkanyag vizsgálata mellett fontos méréseket végez a neutrínókísérletekhez is. A fix céltárgyas kísérlet kiváló részecske követő és azonosító © REGARD & Bencédi Gy., MTA KFKI RMKI