Projeto ATLAS Forward Proton - ATLAS Forward Proton Project

O ATLAS Forward Proton Project ( projeto AFP ) é um projeto do experimento ATLAS no Large Hadron Collider para detectar prótons em sua área direta . Começou com pesquisa e desenvolvimento em 2004 e foi aprovado em 2015.

História e objetivos

O projeto inicial de P&D FP420 foi uma colaboração internacional com membros de 29 institutos de 10 países, com o objetivo de avaliar a viabilidade de instalação de detectores de marcação de prótons a 420m dos pontos de interação dos experimentos ATLAS e CMS . A principal área de interesse que motivou o projeto foi o estudo das interações próton-próton e produção central exclusiva.na área dianteira da máquina. As partículas envolvidas viajam pela área frontal do tubo de feixe, onde a maior parte da energia emitida pelas colisões viaja, mas têm momentos menores do que os feixes de prótons originais e têm trajetórias que divergem deles (porque são dobrados em diferentes quantidades pelo colider magnéticos) e eventualmente atingir as paredes do tubo do feixe em locais onde podem ser detectados separadamente do feixe original. Portanto, isso exigiu a instalação de novos detectores de prótons em várias distâncias ao longo do tubo de feixe. Os detectores de prótons ALFA existentes no ATLAS eram adequados apenas para execuções de baixa energia, enquanto os novos detectores eram destinados a medições de colisão de alta energia.

A pesquisa e o desenvolvimento do projeto AFP começaram em 2004. Uma carta de intenções inicial foi enviada em 2009. O objetivo inicial era ter dois conjuntos de detectores de prótons posicionados em grupos denominados "220" (a 216m e 224m de distância) e "420 "(em 416m e 424m), mas o projeto foi adiado em 2010 pelo corte de financiamento do Reino Unido, resultando na decisão de abandonar os 420 detectores e ter apenas os 220. (Os 420 detectores, de qualquer forma, teriam apresentado maiores dificuldades técnicas do que os 220, pois teriam envolvido também a alteração do sistema de hélio líquido já presente naquele local e, embora necessários para estudos do bóson de Higgs , não foram necessários para outros estudos. )

Este projeto reduzido passou por uma fase formal de Proposta Técnica e foi em 2012 aprovado pelo Conselho Executivo de Colaboração da ATLAS e endossado pelo Comitê de Experimentos do LHC. Houve revisões técnicas em 2014, com o projeto obtendo a aprovação do Upgrade do ATLAS em junho daquele ano. Um feixe de teste inicial em novembro demonstrou que os vários sistemas foram integrados corretamente e, após uma reunião inicial em 03/02/2015, o Conselho Executivo da ATLAS confirmou sua decisão em 30/02/2015. Na época, a instalação dos detectores estava prevista para ser concluída até 2017, para uso no LHC Run 2.

Os detectores a 216m são conhecidos como detectores "próximos" e os de 224m como detectores "distantes", com separação de 15σ. Eles começaram a coletar dados de execuções do LHC em 2016, mas apenas em execuções de baixa luminosidade. A partir de 2017, eles estavam coletando dados de todas as execuções do LHC.

Equipamentos e experimentos

Os detectores de rastreamento de silício (SiT) usados ​​no projeto foram modelados no detector de camada B inserível (IBL) no ATLAS, usando medições de pixel combinadas com dados de ímã para fornecer espectrometria de momento. A fim de fornecer a capacidade de remover e reinserir os detectores, eles são montados dentro de potes romanos . Cada um dos detectores "distantes" também inclui um detector de tempo de voo, projetado para reduzir o "empilhamento" medindo as diferenças no tempo de voo das partículas em ambos os lados do ponto de interação ATLAS e comparando-o com a posição reconstruída do vértice de colisão. Os detectores de tempo de vôo compreendem um fotomultiplicador de placa de microcanais (MCP-PMT) lendo barras de quartzo em forma de L. De particular preocupação é a degradação causada por retroespalhamento de íons positivos, para combater o qual os fotomultiplicadores são revestidos usando deposição de camada atômica. Espera-se que resistam a 3 × 10 ¹⁵ n _eq / cm ² por 100 fb ⁻¹ . Projetos anteriores para ToF chamados QUARTIC (" QUAR tz TI ming C herenkov") eram baseados em barras retas de quartzo. Originalmente, um sistema alternativo denominado GASTOV foi considerado, que usava um gás em vez de quartzo para gerar a radiação Cherenkov registrada pelo fotomultipler.

Os sensores de pixel de silício são posicionados de 2 mm a 3 mm do feixe. A construção dos sensores de pixel é complicada pelas doses de radiação desiguais que recebem ao longo de suas vidas operacionais. Para endurecê-los contra essa radiação, sua fabricação é mais complexa do que uma simples disposição plana.

Sua temperatura de operação também afeta o desempenho, e eles são operados a uma temperatura de −20 ° C com sistemas de resfriamento primário (tubo Vortex) e secundário (vácuo mantido entre 5 mbar e 30 mbar). O sistema de vácuo tem um efeito colateral útil de reduzir o estresse mecânico causado pela pressão atmosférica nas panelas romanas, que têm janelas e pisos finos.

Operando a 40 MHz, um chip de circuito integrado (IC) FE-I4B é DC acoplado aos próprios sensores, fornecendo vários canais de leitura que podem ser amplificados e modelados independentemente e que têm níveis de discriminador ajustáveis ​​independentemente. O chip, operando com um relógio fornecido externamente, fornece dados de temporização de 4 bits para o tempo acima do limite, que é armazenado junto com o tempo de disparo. Os próprios sensores têm 336 × 80 pixels, com cada pixel tendo 50 × 250μm ² em suas faces e 230μm de profundidade.

Este projeto é modelado a partir de um projeto de sensor 3-D que foi feito para o IBL pela CNM (de Trento ) e FBK (de Barcelona ). Uma deficiência inicial do projeto era que ele tinha uma área morta comparativamente grande (cerca de 15000μm) na parte do sensor mais próxima do feixe. Isso foi amenizado, reduzindo a área morta para aproximadamente 200μm, com o emprego de um corte por serra de diamante para "cortar" o sensor. Em 2016 foram realizados testes para determinar a eficiência deste projeto; e os resultados mostraram uma eficiência de 97%, potencialmente aumentando em 1% porque o arranjo real do sensor poderia usar um pequeno ângulo incidente enquanto a bancada de teste foi colocada perpendicular à radiação incidente. Este ângulo é o ângulo médio de Cherenkov, 14 °, considerado o ângulo ideal, dando uma resolução de 6μm em vez dos 50 / √ 12 μm que uma orientação perpendicular dá.

Existem várias partes do LHC que afetam a refração dos prótons emitidos, incluindo os ímãs dipolo de separação de feixe, os ímãs quadrupolos de foco de feixe e os colimadores de feixe que protegem os ímãs. A divergência dos prótons detectados do feixe principal de prótons depende da perda de energia da colisão, e os detectores AFP pela natureza de suas posições só podem detectar prótons com perdas de energia na faixa de 2% a 10% da energia de o feixe original.

As resoluções dos detectores de tempo de voo foram medidas em testes em 2015 para estar entre 38 ± 6 ps e46 ± 5 ps por LQbar .

Referências cruzadas

Origens

Leitura adicional

links externos

• Brandt, Andrew. "ATLAS FORWARD PROTONS" . University of Texas at Arlington High Energy Physics.