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sTGC探测器的宇宙线测试和NSW系统的muon重建研究

2020-12-02阅读(624)

sTGC探测器的宇宙线测试和NSW系统的muon重建研究

论文摘要

2012年07月,大型强子对撞机（LHC）[1]上的ATLAS[2]和CMS[3]实验发现了质量为125GeV的新粒子。该新粒子与标准模型（SM）[4]预测的希格斯玻色子（Higgs）[5][6]相匹配,这是粒子物理历史上的一个重要的里程碑。希格斯玻色子被发现后,为了更好的研究希格斯玻色子的性质并寻找新物理现象,LHC和ATLAS、CMS都需要进行升级。LHC的升级将提高对撞能量和亮度,这将使ATLAS探测器工作在更高的辐射环境中,对探测器的性能提出了更高的要求,某些探测器因无法满足要求而需要更换。ATLAS升级将分两个阶段进行,称为Phase-Ⅰ和Phase-Ⅱ。前者主要解决ATLAS前向区muon误触发率过高和量能器的trigger delay问题,后者将更换大部分硅探测器以及muon系统的电子学,以应对数据量大幅提高所带来的挑战。ATLAS端盖区域的muon系统由三层muon探测器组成的圆盘（一个Small Whell和两个Big Wheel）和相应的磁铁系统组成。SW由MDT,TGC以及CSC探测器组成,BW由MDT探测器组成,用于在磁场中测量muon的三段径迹,从而通过其偏转来获得动量信息。muon触发系统由紧贴中间BW的三层同样尺寸TGC圆盘组成,通过粗略的muon偏转标记大动量的muon事例从而触发DAQ进行数据采集。Phase-Ⅰ阶段的muon系统升级使用抗辐照的MM和sTGC探测器组成的NSW（New SW）来替换原有的SW探测器,以改善MDT在强辐射环境下的性能下降问题,并且纳入原有的muon触发系统,和三层BW一起降低端盖的muon误触发率,这对于未来大数据流采集压力具有至关重要的意义。论文工作主要包括对山东大学建造的sTGC进行宇宙线测试和NSW系统的在线触发模拟工作,研究sTGC探测器的性能,并在模拟中研究真实探测器的性能指标,研究NSW系统重建muon径迹的能力,对于理解NSW系统的性能和后期刻度具有前瞻性意义。论文详细介绍了对sTGC探测器的结构特征,宇宙线测试系统的结构,宇宙线测试数据的采集,数据分析方法,详细介绍了所测试的sTGC探测器的位置分辨率,探测效率,准直修正结果,统计了测试的所有sTGC探测器的性能指标。论文还详细介绍了 NSW系统的muon事例模拟,径迹重建,影响效率的具体因素,理想NSW的性能指标,以及引入实际探测器性能后对NSW性能的影响,得到真实探测器所能实现的性能指标。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 符号说明
  • 第一章 理论基础与ATLAS实验
  •   1.1 粒子物理标准模型
  •     1.1.1 基本粒子
  •     1.1.2 四种基本相互作用
  •     1.1.3 量子电动力学
  •     1.1.4 弱电相互作用
  •     1.1.5 量子色动力学
  •     1.1.6 标准模型局限性
  •   1.2 希格斯物理
  •     1.2.1 自发对称性破缺
  •     1.2.2 Higgs机制
  •     1.2.3 Higgs的产生和衰变
  •   1.3 大型强子对撞机
  •   1.4 ATLAS探测器
  •     1.4.1 ATLAS坐标系
  •     1.4.2 内部径迹探测器
  •     1.4.3 量能器系统
  •     1.4.4 μ子谱仪
  •     1.4.5 触发系统
  • 第二章 ATLAS实验Phase-Ⅰ升级和NSW简介
  •   2.1 LHC的升级
  •   2.2 ATLAS实验Phase-Ⅰ升级
  •     2.2.1 Level-1量能器触发系统升级
  •     2.2.2 Level-1中央触发处理系统升级
  •   2.3 Phase-Ⅰ端盖μ子谱仪升级动机与需求
  •     2.3.1 端盖μ子谱仪升级动机
  •     2.3.2 端盖μ子谱仪升级要求
  •   2.4 NSW简介
  •     2.4.1 MM探测器
  •     2.4.2 sTGC探测器
  •     2.4.3 电子学简介（FEBs）
  • 第三章 sTGC宇宙线测试系统简介
  •   3.1 地面宇宙线muon
  •   3.2 宇宙线测试系统
  •     3.2.1 Muon触发系统
  •     3.2.2 数据采集
  •     3.2.3 供电系统
  •   3.3 测试系统的启动
  •     3.3.1 DAQ启动
  •   3.4 基值和噪音的测试
  •     3.4.1 PDO Scan测量基值
  •     3.4.2 示波器扫描测基值和噪音
  •     3.4.3 宇宙线测试数据测试基值
  •     3.4.4 test pulse测基值和噪音
  •     3.4.5 基值和噪音测试总结
  • 第四章 sTGC宇宙线测试数据分析
  •   4.1 原始数据和事例组合
  •   4.2 四层探测器对齐
  •     4.2.1 相对平移和旋转的测量
  •     4.2.2 相对偏移和旋转参量的验证
  •   4.3 探测效率
  •   4.4 位置分辨率
  •     4.4.1 径迹中hits的分辨率
  • 第五章 宇宙线测试总结
  •   5.1 测试中电子学信息
  •   5.2 探测器死道总结
  •     5.2.1 测试问题总结
  •   5.3 测试结果总结
  •     5.3.1 对齐
  •     5.3.2 位置分辨率
  • 第六章 NSW性能的模拟研究
  •   6.1 NSW模拟软件
  •     6.1.1 sTGC软件包介绍
  •   6.2 单muon事例模拟
  •     6.2.1 SimHits
  •     6.2.2 digit
  •     6.2.3 NSW模拟数据结构
  •     6.2.4 cluster和hit重建
  •     6.2.5 quadruplet hit重建
  •     6.2.6 NSW track
  •   6.3 模拟数据验证
  •     6.3.1 模拟几何验证
  •     6.3.2 cluster size检查
  •     6.3.3 重建失败的muon SimHits检查分类
  • 第七章 NSW模拟分析
  •   7.1 探测效率计算方法
  •     7.1.1 hit探测效率计算方法
  •     7.1.2 quadruplet hit探测效率计算方法
  •     7.1.3 NSW track探测效率计算方法
  •   7.2 理想探测器
  •     7.2.1 hit探测效率
  •     7.2.2 quadruplet hit探测效率
  •     7.2.3 NSW track探测效率
  •   7.3 真实探测器模拟
  •     7.3.1 模拟数据中加入噪音和阈值
  •     7.3.2 模拟数据中加入死道
  •     7.3.3 模拟数据中加入平移和旋转
  •     7.3.4 模拟数据中加入支撑条
  •     7.3.5 模拟数据中加入一层死层
  •     7.3.6 模拟数据中加入两层死层
  •     7.3.7 真实探测器模拟总结
  • 第八章 总结与展望
  •   8.1 总结
  •   8.2 展望
  • Bibliography
  • 致谢
  • 博士期间发表的论文

    • 文章来源

    类型: 博士论文

    作者: 段艳云

    导师: 祝成光

    关键词: 宇宙线

    来源: 山东大学

    年度: 2019

    分类: 基础科学

    专业: 物理学

    单位: 山东大学

    分类号: O572

    DOI: 10.27272/d.cnki.gshdu.2019.000563

    总页数: 134

    文件大小: 11989K

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