Оптимизация геометрии трубчатого спектрометра эксперимента SHIP

С открытием бозона Хиггса в 2012 г. Стандартная модель (СМ) была окончательно сформирована. На текущий момент она считается корректной и объясняет большинство явлений, наблюдаемых во Вселенной. Существует ряд феноменов, которые не могут быть объяснены этой моделью. К таким феноменам относятся массы нейтрино и их осцилляции, барионная асимметрия и темная материя. Это позволяет сделать вывод, что существуют новые частицы, которые могли бы объяснить природу этих феноменов.

Одним из экспериментов, направленных на. поиск новых частиц, является SHiP [2,7]. Он был анонсирован в 2013 г. Его физическая программа, включает поиск частиц так называемого скрытого сектора, и легких кандидатов на. роль темной материи. Также у эксперимента большая программа по изучению физики т-нейтрино и измерению сечения рождения очарованных кварков в нейтринных реакциях.

Рис. 1. Детектор эксперимента. SHiP

Детектор SHiP будет располагаться на ускорителе SPS в ЦЕРН. Коллаборация эксперимента. включает в себя 54 института, из 18 стран мира. К текущему моменту завершилась первая фаза, прототипирования систем детектора, которая показала, многообещающие результаты[1].Вданной работе рассматривается одна, из таких систем - трубчатый спектрометр. Его задача, заключается в детектировании видимых продуктов распада, частиц скрытого сектора. Будут рассмотрены алгоритм поиска оптимальных параметров геометрии спектрометра, и их влияние на. качество распознавания и реконструкции треков частиц.

2.    Описание детектора SHiP

Общее устройство детектора. SHiP изображено на. рис. 1. SHiP - детектор с фиксированной мишенью, в которую врезается пучок протонов из ускорителя SPS с энергией 400 ГэВ. Через пять лет ожидается 2 • 1020 протонов в год. Мишень [8] спроектирована так, чтобы максимизировать генерацию очарованных и прелестных адронов и фотонов в результате взаимодействия протонов с веществом мишени. За. ней следует адронный поглотитель из железа, толщиной пять метров. Его задача. - поглотить как можно больше рожденных адронов и фотонов. В результате остаются только слабовзаимодействующие частицы: мюоны, нейтрино и частицы новой физики.

Мюоны вносят основной вклад в фон эксперимента. Для уменьшения их числа в области детектора, используется мюонный щит [3,4]. Щит представляет собой систему из шести магнитов общей длиной в 35 метров. Средняя величина, магнитного поля составляет 1.7 Т. Поле отклоняет пучок мюонов за пределы детектора, уменьшая число частиц в 106 раз в геометрических пределах детектора. Нейтрино и частицы новой физики проходят через мюонный щит без отклонений, так как они не обладают электрическим зарядом.

Сразу за. щитом вдоль направления пучка, расположен нейтринный детектор [1,6]. Он предназначен для изучения нейтринной физики и для детектирования частиц темной материи. Детектор способен идентифицировать все три типа, нейтрино и отличить нейтрино от антинейтрино.

Далее следует комплекс детекторов [1] для изучения видимых распадов частиц скрытого сектора. - тяжелых нейтральных лептонов (HNL). Комплекс состоит из распадного объема, спектрометра, электромагнитного калориметра и мюонного детектора. HNL распадаются в распадном объеме на. видимые частицы. На рис. 1 изображен пример распада. HNL на мюон (ц) и пион (тг). Спектрометр служит для распознавания и реконструкции треков видимых частиц. Электромагнитный калориметр и мюонный детектор служат для идентификации типа частиц.

Рис. 2. Устройство спектрометра SHiP

Спектрометр состоит из магнита, двух трекинговых станций до магнита и двух после него, как показано на рис. 2. Каждая станция состоит из четырех блоков (views), которые состоят из дрейфовых трубок одной ориентации. Станция содержит два У-блока с трубками, ориентированными вдоль оси X, и U-, У-блоки с трубками, повернутыми на ±5° относительно оси X. Один блок состоит из двух плоскостей с двумя слоями дрейфовых трубок в каждой, как показано на рис. 2.

Пролетая через дрейфовую трубку, заряженная частица ионизирует в ней газ, что создает отклик частицы в спектрометре. Эти отклики позволяют распознать треки частиц и по их отклонению в магнитном поле реконструировать их заряд и импульс. Экстраполируя треки в распадный объем, можно реконструировать вершины распадов HNL частиц и их физические характеристики.

3.    Оптимизация геометрии спектрометра

Геометрия спектрометра описывалась шестью параметрами, которые характеризуют взаимное расположение слоев дрейфовых трубок. Для поиска оптимальных значений параметров использовался метод случайного поиска [5]. Значения параметров генерировались случайно из заданных диапазонов. Каждый набор значений проверялся на корректность.

	Baseline	Best PR	Best Fit	Best Analysis	Uniform
NReconstructibleTracks	0.0	0.5 ± 0.9	0.5 ± 0.9	0.2 ± 0.9	-0.1 ± 0.9
NRecognizedTracks	0.0	0.3 ± 0.9	0.4 ± 0.9	0.2 ± 0.9	-0.4 ± 0.9
RecoEff	0.0	-0.2 ± 0.1	-0.1 ± 0.1	-0.0 ± 0.1	-0.2 ± 0.1
ptrue-p/ptrue_rms-	0.0	-8.7 ± 0.5	-6.9 ± 0.5	-7.3 ± 0.5	-11.6 ± 0.5
pttrue-pt/pttrue_rms •	0.0	-7.2 ± 0.5	-7.3 ± 0.5	-7.5 ± 0.5	-9.5 ± 0.5
HNL	0.0	15.6 ± 1.5	14.3 ± 1.5	17.3 ± 1.5	16.3 ± 1.5
Vyresol_rms-	0.0	-8.0 ± 1.1	-5.6 ± 1.1	-7.5 ± 1.1	-10.9 ± 1.1
Vxresol rms_	0.0	-4.8 ± 1.1	-2.6 ± 1.1	-3.7 ± 1.1	-5.1 ± 1.1
Vzresol rms-	0.0	-1.3 ± 0.2	-1.4 ± 0.2	-1.7 ± 0.2	-3.1 ± 0.2

-10

-20

Рис. 3. Относительные изменения в процентах метрик качества для новых геометрий спектрометра по сравнению с базовой геометрией (Baseline)

Рис. 4. Расположение трубок спектрометра: а) для базовой геометрии (Baseline); б) для повой геометрии Uniform

Если в геометрии наблюдались пересечения трубок, она считалась некорректной. Затем генерировалась выборка из 1000 событий рождения и распада HNL-частиц. После этого запускались алгоритмы распознавания и реконструкции треков, реконструкция вершин и физический анализ, в результате которого выполнялся поиск и восстановление свойств HNL-частиц.

Качество геометрии оценивалось набором метрик: общее число треков (NReconstructibleTracks), число распознанных треков (NRecognizedTracks) , эффективность распознавания (RecoEff), средние ошибки реконструкции импульса (,ptrue-p/ptrue_rms) и поперечного импульса (pttrue-pt/pttrue_rms) частиц, число найденных HNL-частиц (HNL) и средние ошибки реконструкции ж-, у-, д-координат вершин распада HNL-частиц ( Vxresol_ rms, Vyresol rms, Vzresol_rmsY

В процессе оптимизации было проверено более 20 000 корректных геометрий спектрометра. Из них были выбраны четыре оптимальные геометрии для более детального сравнения на большей выборке событий: Best PR, Best Fit, Best Analysis и Uniform. Они сравнивались с базовой геометрией (Baseline) на 50 000 событиях. Относительные изменения в процентах метрик качества для новых геометрий по сравнению с базовой геометрией (Baseline) представлены на рис. 3.

Результаты сравнения показывают, что с изменением геометрии спектрометра качество распознавания треков заряженных частиц не изменилось. Детектор регистрирует в среднем одинаковое число треков (NReconstructibleTracks) для всех геометрий. При этом доля распознанных частиц (RecoEff) также не изменилась. Все новые геометрии демонстрируют улучшение качества реконструкции треков. В частности, ошибка реконструкции импульса и поперечного импульса частиц на 7-12% меньше, что выражается уменьшением метрик ptrue-p/ptrue_ rms и pttrue-pt/pttrue_rms соответственно. Качество реконструкции координат вершин также улучшается для новых геометрий. Например, точность восстановления у-координаты улучшается на 5-11% согласно метрике Vyresol rms. Наибольшее улучшение демонстрирует метрика HNL, которая выражает число найденных HNL-частиц в результате физического анализа. Новые геометрии позволяют восстановить на 14-17% больше частиц, чем для базовой. По совокупности всех метрик качества наибольшее улучшение демонстрирует Uniform-геометрия. Расположение трубок для базовой и новой геометрий изображено на рис. 4.

4.    Заключение

SHiP - новый эксперимент по поиску новых частиц и изучению нейтринной физики. В результате первой фазы прототипирования была произведена оптимизация геометрии спектрометра. Новая геометрия демонстрирует улучшение ключевых метрик качества реконструкции на 10-15%. Разработка спектрометра детектора продолжается. В частности, будут исследованы альтернативные упаковки трубок, которые потенциально позволят еще больше улучшить качество реконструкции.