Комптоновское рассеяние в прецизионныхэкспериментах на электрон-позитронных
коллайдерах
Николай Мучной
Инстиут Ядерной Физики им. Г.И. Будкера
9 июня 2011 г.
Николай Мучной (ИЯФ СО РАН) Комптоновское рассеяние... 9 июня 2011 г. 1 / 66
Введение
Цели работы:Создание на базе установки РОКК-1М многофункциональногоисточника гамма-квантов и электронов, получаемых методомкомптоновского рассеяния лазерного излучения наэлектронном пучке коллайдера ВЭПП-4М
Проведение на установке РОКК-1М экспериментов сиспользованием рассеянных гамма-квантов и электронов
Разработка и эксплуатация систем прецизионного измерениясредней энергии пучка для установок ВЭПП-4М, ВЭПП-3,BEPC-II, ВЭПП-2000
Поиск новых способов применения комптоновского рассеянияв физическом эксперименте
Николай Мучной (ИЯФ СО РАН) Комптоновское рассеяние... 9 июня 2011 г. 2 / 66
Содержание
1 Комптоновское рассеяние
2 Лазер
3 HPGe - детектор
4 Установка РОКК-1М, эксперименты ВЭПП-4М – КЕДР
5 ВЭПП-3, BEPC-II, ВЭПП-2000
6 Калибровка детекторных систем
7 Магнитный спектрометр с лазерной калибровкой
8 Заключение
Николай Мучной (ИЯФ СО РАН) Комптоновское рассеяние... 9 июня 2011 г. 3 / 66
1 Комптоновское рассеяние
2 Лазер
3 HPGe - детектор
4 Установка РОКК-1М, эксперименты ВЭПП-4М – КЕДР
5 ВЭПП-3, BEPC-II, ВЭПП-2000
6 Калибровка детекторных систем
7 Магнитный спектрометр с лазерной калибровкой
8 Заключение
Николай Мучной (ИЯФ СО РАН) Комптоновское рассеяние... 9 июня 2011 г. 4 / 66
Комптоновское рассеяние: кинематика
ω , k0 0
ε
ε
Y
XZ
ϕ
αΘ
θ
ω
’, p’
, p
, k
ω = ω01−β cosα
1−β cosθ +ω0ε
(1−cosΘ)
Николай Мучной (ИЯФ СО РАН) Комптоновское рассеяние... 9 июня 2011 г. 5 / 66
Комптоновское рассеяние: ωmax и ε
ωmax =ε2
ε +m2
4ω0 sin2 α
2
⇒ ε =ωmax2
(1+
√√√√1+m2
ω0ωmax sin2 α
2
)
1
10
100
1000
1 10 100
cros
s se
ctio
n, m
b/M
eV
photon energy, MeV
ω0 = 0.117 eVω0 = 1.165 eVω0 = 2.330 eV
α = π
ε = 2GeV
Николай Мучной (ИЯФ СО РАН) Комптоновское рассеяние... 9 июня 2011 г. 6 / 66
Комптоновское рассеяние: схема
ωmax = ελ
1+ λ(λ =
4ω0ε
m2
)ε−ωmax = ε
11+ λ
laser beam
θedge electrons
scattered photons
beam electrons
θedge
beam
I.P.
A∼∫Bdl
ω0 ωmax ,ε,ε−ωmax
углы поворота:
θbeam =Aε⇒ θedge =
Aε−ωmax
= A1+ λ
ε= θbeam +
4Aω0m2
метод мечения рассеянных фотонов:
ω(θse) = (1− θbeamθse
)ε
Николай Мучной (ИЯФ СО РАН) Комптоновское рассеяние... 9 июня 2011 г. 7 / 66
Комптоновское рассеяние в ИЯФ СО РАН
Кезерашвили Гурам Яковлевич 1952-1999
Установки РОКК-1 (1982), РОКК-2 (1987), РОКК-1М (1992)
Николай Мучной (ИЯФ СО РАН) Комптоновское рассеяние... 9 июня 2011 г. 8 / 66
1 Комптоновское рассеяние
2 Лазер
3 HPGe - детектор
4 Установка РОКК-1М, эксперименты ВЭПП-4М – КЕДР
5 ВЭПП-3, BEPC-II, ВЭПП-2000
6 Калибровка детекторных систем
7 Магнитный спектрометр с лазерной калибровкой
8 Заключение
Николай Мучной (ИЯФ СО РАН) Комптоновское рассеяние... 9 июня 2011 г. 9 / 66
Лазер: монохроматичность
Кинематика комптоновского рассеяния определяетоднозначную связь между величинами ω0, ε и ωmax .
Если ω0 – известная константа, можно использовать ε дляопределения ωmax и наоборот.
C какой точностью можно считать известной константойсреднюю энергию фотона в лазерном пучке?
Николай Мучной (ИЯФ СО РАН) Комптоновское рассеяние... 9 июня 2011 г. 10 / 66
Лазер: монохроматичность
Кинематика комптоновского рассеяния определяетоднозначную связь между величинами ω0, ε и ωmax .
Если ω0 – известная константа, можно использовать ε дляопределения ωmax и наоборот.
C какой точностью можно считать известной константойсреднюю энергию фотона в лазерном пучке?
Николай Мучной (ИЯФ СО РАН) Комптоновское рассеяние... 9 июня 2011 г. 10 / 66
Лазер: монохроматичность
Кинематика комптоновского рассеяния определяетоднозначную связь между величинами ω0, ε и ωmax .
Если ω0 – известная константа, можно использовать ε дляопределения ωmax и наоборот.
C какой точностью можно считать известной константойсреднюю энергию фотона в лазерном пучке?
Николай Мучной (ИЯФ СО РАН) Комптоновское рассеяние... 9 июня 2011 г. 10 / 66
Лазер: GEM Select 50 (CO2)
Рассмотрим основные принципы устройства лазеров на примеремолекулярного газового лазера на диоксиде углерода.
Николай Мучной (ИЯФ СО РАН) Комптоновское рассеяние... 9 июня 2011 г. 11 / 66
Линии генерации CO2 лазера (10P и 10R ветви)
0
10
20
30
40
50
60
0.114 0.115 0.116 0.117 0.118 0.119 0.12 0.121 0.122 0.123
pow
er, a
.u.
photon energy, eV
10P branch10R branch
line 10P20 λ=10.591µm
Николай Мучной (ИЯФ СО РАН) Комптоновское рассеяние... 9 июня 2011 г. 12 / 66
Лазер: продольные моды резонатора
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
-100 -50 0 50 100
rela
tive
inte
nsity
∆ν, MHz
amp contour σ = 42.5 MHzcavity modes ∆ν = 85 MHz
Линия 10P20 λ=10.5910352 мкмРасстояние между продольными модами ∆λ/λ ∼ 3 ·10−6
Николай Мучной (ИЯФ СО РАН) Комптоновское рассеяние... 9 июня 2011 г. 13 / 66
Лазер: колебания мощности и частоты
96
97
98
99
100
101
102
103
104
24.8 24.85 24.9 24.95 25 25.05 25.1 25.15 25.2
Rel
ativ
e po
wer
, %
Temperature, C
experimental datatheoretical function
Зависимость мощности излучения от температуры резонатора
-4.0e-08-3.0e-08-2.0e-08-1.0e-080.0e+001.0e-082.0e-083.0e-084.0e-08
0 50 100 150 200
Rel
ativ
e fr
eque
ncy,
∆ν/
ν
Mode shift, MHz
Колебания средней частоты генерации в спектре излученияНиколай Мучной (ИЯФ СО РАН) Комптоновское рассеяние... 9 июня 2011 г. 14 / 66
Лазер: измерение длины волны
WaveMaster Wavelength Meter
точность ∆λ = 0.005 нмразрешение ∆λ = 0.001 нмвстроенная абсолюная калибровкадиапазон длин волн от 380 нм до 1095 нм
Николай Мучной (ИЯФ СО РАН) Комптоновское рассеяние... 9 июня 2011 г. 15 / 66
Лазер: расчёт светимости
В общем случае:
Lsc =∫
S dt dx dy dz ; где S = ρeργ
√(~ve− ~vγ )2−
(~ve× ~vγ )2
c2
Для ультрарелятивистского случая, корень даёт множитель ксветимости (1−cosα), который называется Мёллеровскиммножителем.
Для непрерывного лазера
dLeγ
dsdε=
2nphNe
(2π)3/2σε
√(σ2 + σ2
x)(
σ2 + σ2z)×
×exp−
z202(σ2 + σ2
z )− (ε− ε0)2
2σ2ε
−(x0 + ψ
ε− ε0ε0
)2
2(σ2 + σ2x )
Николай Мучной (ИЯФ СО РАН) Комптоновское рассеяние... 9 июня 2011 г. 16 / 66
Лазер: расчёт светимости
Средняя энергия εL электронов, взаимодействующих с фотонами,отличается от средней энергии всего пучка электронов:
∆ε = (εL− ε0) =−x0 σψ σε
σ2 + σ2x + σ2
ψ
где σψ = ψ · (σε/ε0) – вклад синхротронных колебаний в поперечныйгоризонтальный размера пучка.
Энергетический разброс взаимодействующих электроновотличается от энергетического разброса пучка, когда ψ 6= 0:
σ′ε = σε
√√√√√√ 1
1+σ2
ψ
σ2 + σ2x
Николай Мучной (ИЯФ СО РАН) Комптоновское рассеяние... 9 июня 2011 г. 17 / 66
1 Комптоновское рассеяние
2 Лазер
3 HPGe - детектор
4 Установка РОКК-1М, эксперименты ВЭПП-4М – КЕДР
5 ВЭПП-3, BEPC-II, ВЭПП-2000
6 Калибровка детекторных систем
7 Магнитный спектрометр с лазерной калибровкой
8 Заключение
Николай Мучной (ИЯФ СО РАН) Комптоновское рассеяние... 9 июня 2011 г. 18 / 66
HPGe – детектор из сверх-чистого германия
Плюсы:энергетическое разрешение – σE/E < 1 ·10−3
возможность абсолютной калибровки шкалы с помощьюгамма линий известных изотопов в диапазоне энергий до10 МэВсовременный технологический уровень производствадетекторов и электроники обеспечивает высокую линейностьи стабильность всего спектрометрического тракта
Минусы:невысокая эффективность регистрации гамма квантов сэнергиями в несколько МэВотносительно высокая стоимость
Николай Мучной (ИЯФ СО РАН) Комптоновское рассеяние... 9 июня 2011 г. 19 / 66
HPGe: криостат и электроника
Криостат
Сигнальныйпроцессор
Концентрация примесей (ловушек) ∼ 10−12.
Николай Мучной (ИЯФ СО РАН) Комптоновское рассеяние... 9 июня 2011 г. 20 / 66
Калибровочный спектр (Март 2010)
, keVγE1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
cou
nts
1
10
210
310
410
510
2010.03.14 | 23:18:01 -- 09:19:09 | 2010.03.15
Николай Мучной (ИЯФ СО РАН) Комптоновское рассеяние... 9 июня 2011 г. 21 / 66
HPGe: форма пика полного поглощения
На форму пика оказывают влияние:
статистика рождения электрон-дырочных пар,шумы предусилителя,комптоновская «ступенька» под пиком,настройка компенсации полюса нулём в сигнальном тракте,захват носителей заряда на примесных центрахполупроводника, приводящий к неполному сбору заряда,зависимость времени сбора заряда от места ионизации,наложение импульсов при высокой скорости счёта,особенности и настройки алгоритма измерения амплитудыимпульса в цифровом сигнальном процессоре (коррекциябаллистического дефицита, режектор наложений,восстановление базовой линии и т.д.)
Николай Мучной (ИЯФ СО РАН) Комптоновское рассеяние... 9 июня 2011 г. 22 / 66
HPGe: пик полного поглощения 2614.530 кэВ
χ2/NDF=50.8/20
, keVγE2608 2610 2612 2614 2616 2618 2620
co
un
ts
310
410
510
/ ndf 2χ 792.03 / 24 / ndf 2χ 792.03 / 242010.03.14 | 23:18:01 -- 09:19:09 | 2010.03.15
Март 2010
χ2/NDF=153.1/40
, keVγE2605 2610 2615 2620 2625
co
un
ts
310
410
/ ndf 2χ 557.85 / 24 / ndf 2χ 557.85 / 24
2010.06.09 | 23:30:12 -- 05:04:43 | 2010.06.10
Июнь 2010
Николай Мучной (ИЯФ СО РАН) Комптоновское рассеяние... 9 июня 2011 г. 23 / 66
HPGe: пик полного поглощения 6129.266 кэВ[232Pu−13C
]источник : α +13C→16O∗+n→16O+ γ
χ2/NDF=24.5/34
, keVγE6120 6122 6124 6126 6128 6130 6132 6134 6136
co
un
ts
10
210
/ ndf 2χ 792.03 / 24 / ndf 2χ 792.03 / 242010.03.14 | 23:18:01 -- 09:19:09 | 2010.03.15
Март 2010
χ2/NDF=92.2/74
, keVγE6110 6115 6120 6125 6130 6135 6140 6145
co
un
ts
10
210
/ ndf 2χ 557.85 / 24 / ndf 2χ 557.85 / 24
2010.06.09 | 23:30:12 -- 05:04:43 | 2010.06.10
Июнь 2010Николай Мучной (ИЯФ СО РАН) Комптоновское рассеяние... 9 июня 2011 г. 24 / 66
HPGe: форма пика
f (x ,x0,σ ,ξ ) =N√2πσ
·
x > (x0−ξ ·σ) : exp
− (x−x0)2
2σ2
x < (x0−ξ ·σ) : exp
ξ 2
2 +ξ (x−x0)
σ
Нормировка:
1N =
+∞∫−∞
f (x ,x0,σ ,ξ ) dx =12erfc
(− ξ√
2)
+1√2πξ
exp(−ξ 2
2)
Николай Мучной (ИЯФ СО РАН) Комптоновское рассеяние... 9 июня 2011 г. 25 / 66
HPGe: энергетическое разрешение
, keVγE1000 2000 3000 4000 5000 6000
, keV
Eσ
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
2.2 / ndf 2χ 13.69 / 6 / ndf 2χ 13.69 / 6
Energy Resolution
Параметры подгонки σE =√K0 +FεE:
«Fano» = 0.156±0.002, K0 = 0.199 ± 0.009 кэВ2.
Николай Мучной (ИЯФ СО РАН) Комптоновское рассеяние... 9 июня 2011 г. 26 / 66
HPGe: нелинейность шкалы
, keVγE1000 2000 3000 4000 5000 6000
, keV
tab
le-E
fit
E
-0.6
-0.4
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
/ ndf 2χ 3.01 / 4 / ndf 2χ 3.01 / 4
Nonlinearity
Точность абсолютного измерения энергии γ-линии ∼ 30–40 эВ
Николай Мучной (ИЯФ СО РАН) Комптоновское рассеяние... 9 июня 2011 г. 27 / 66
HPGe: асимметрия формы пика
, keVγE1000 2000 3000 4000 5000 6000
σta
il jo
in p
oin
t in
un
its
of
1
1.5
2
2.5
3
/ ndf 2χ 5.34 / 5 / ndf 2χ 5.34 / 5
Low Energy Tail
Параметры подгонки: ξ (Eγ ) = p0 +exp(−p1(Eγ −p2)
),
p0 = 1.21±0.16, p1 = 0.0004±0.0002, p2 = 131±420.
Николай Мучной (ИЯФ СО РАН) Комптоновское рассеяние... 9 июня 2011 г. 28 / 66
HPGe: выводы
В результате применения вышеописанногоалгоритма калибровки энергетическойшкалы спектрометра, во всём рабочемдиапазоне энергий гамма-квантовопределены параметры функции откликасистемы на монохроматическоевозбуждение.Точность абсолютного измерения энергиигамма квантов – на уровне 50 эВ.
Николай Мучной (ИЯФ СО РАН) Комптоновское рассеяние... 9 июня 2011 г. 29 / 66
1 Комптоновское рассеяние
2 Лазер
3 HPGe - детектор
4 Установка РОКК-1М, эксперименты ВЭПП-4М – КЕДР
5 ВЭПП-3, BEPC-II, ВЭПП-2000
6 Калибровка детекторных систем
7 Магнитный спектрометр с лазерной калибровкой
8 Заключение
Николай Мучной (ИЯФ СО РАН) Комптоновское рассеяние... 9 июня 2011 г. 30 / 66
Установка РОКК-1М на ВЭПП-4М
KEDR
Long interaction section
LASER 2
LASER 1
NEL1 NEL2 NEM1NEM2SEM2
SEM1 SEL2 SEL1
Shortinteraction
section
LM
HPGe
DetectorOther
detector
Задачи, для решения которых создавалась установка РОКК-1М:
эксперименты на пучке гамма квантов,калибровка СРРЭ детектора КЕДР,измерение степени поляризации электронного пучка,измерение энергии электронного пучка...
Установка РОКК-1М запущена в 1991 году.
Николай Мучной (ИЯФ СО РАН) Комптоновское рассеяние... 9 июня 2011 г. 31 / 66
Измерение энергии пучка
Метод резонансной деполяризации (РД) позволяет измерятьмоментальное значение средней энергии электронов в пучке снепревзойдённой точностью ∆E/E ' 10−6 (ВЭПП-4, ВЭПП-2М, LEP,HERA, ...).
Недостатки метода РД:машина должна обеспечивать возможность работы споляризованным пучком,требуется интерполяция измерений при наборе статистики,в некоторых точках по энергии поляризация невозможна из заспиновых резонансов,потери пучкового времени на измерения энергии.
Николай Мучной (ИЯФ СО РАН) Комптоновское рассеяние... 9 июня 2011 г. 32 / 66
Прецессия спина в магнитном поле
Метод прецизионного измерения энергии e+/e− пучков вциклических ускорителях был предложен и развит в ИЯФ в 1970-х.
Эффект Соколова-Тернова – радиационная поляризация пучка:
1τp
=5√3
8 αλ 2eR γ
5ν0
τp - время поляризации, α - постоянная тонкой структуры, λe -комптоновская длина волны электрона, R - радиус поворота, γ -Лоренц фактор, ν0 - частота обращения.
Ω – частота прецессии спина вокруг направления ведущего поля:
Ω
ν0= 1+ γ
µ ′
µ0;
µ ′
µ0=
g−22 = 0.0011596521811(7)
Николай Мучной (ИЯФ СО РАН) Комптоновское рассеяние... 9 июня 2011 г. 33 / 66
Метод резонансной деполяризации - РД
Поляризация пучка может быть разрушена внешним переменнымполем такой частоты ΩD, что выполняется условие резонанса:
Ω±ΩD = nν0 , где n - целое число.
Tcount = 20 sec
speed = 0 MeV/sec
step = 0 MeV
initial = 0 MeV
final = 0 MeV
Att = 9 dB
2004-10-20 01:54:53
Run 1133
PSSW
1893.24
H = 1812.153
NEM = 2286.509
SEM = -1
SIM = 2428.963
EM3 = 2627.96
KEDR1 = 5973.463
KEDR2 = 5980.566
RF = 181801192 Hz
U = 410.34 kV
J = 19.73 A
Qx = 0.545043
Qz = 0.603271
TZ = -0.161374 mm
I1 = 2.492 mA
I2 = 0.005 mA
DV4OUT=38.25 C
Fd = (585454.55+-0.14)HzTime [sec]
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800Time [sec]
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800
0.012
0.014
0.016
0.018
0.02
0.022
0.024
0.026
0.028
0.03
0.032
0.034 / ndf 2χ 65.67 / 61
T 1.787± 913.2
DELTA 0.0002432± 0.005443
CONST 0.0001388± 0.01648
SLOPE1 2.485e-07± 3.69e-06
SLOPE2 7.709e-07± 1.464e-06
31
5.1
41
20
03
15
.14
03
61
31
5.1
39
53
23
15
.13
87
04
31
5.1
37
88
63
15
.13
70
57
31
5.1
36
22
83
15
.13
54
00
31
5.1
34
56
03
15
.13
37
32
31
5.1
32
90
33
15
.13
20
74
31
5.1
31
24
63
15
.13
04
17
31
5.1
29
58
83
15
.12
87
60
31
5.1
27
93
13
15
.12
71
03
31
5.1
26
27
43
15
.12
54
45
31
5.1
24
61
73
15
.12
37
88
31
5.1
22
95
93
15
.12
21
31
31
5.1
21
30
23
15
.12
04
73
31
5.1
19
64
53
15
.11
88
16
31
5.1
17
98
73
15
.11
71
59
31
5.1
16
33
03
15
.11
55
01
31
5.1
14
67
33
15
.11
38
44
31
5.0
27
20
83
15
.02
63
79
31
5.0
25
55
03
15
.02
47
22
31
5.0
23
89
33
15
.02
30
64
31
5.0
22
22
53
15
.02
13
96
31
5.0
20
56
83
15
.01
97
39
31
5.0
18
91
03
15
.01
80
82
31
5.0
17
25
33
15
.01
64
24
31
5.0
15
59
63
15
.01
47
67
31
5.0
13
93
83
15
.01
31
10
31
5.0
12
28
13
15
.01
14
53
31
5.0
10
61
33
15
.00
97
84
31
5.0
08
95
63
15
.00
81
27
31
5.0
18
87
83
15
.01
97
07
31
5.0
20
53
53
15
.02
13
75
31
5.0
22
20
33
15
.02
30
32
31
5.0
23
86
13
15
.02
46
89
31
5.0
25
51
83
15
.02
63
57
31
5.0
27
18
63
15
.02
80
15
31
5.0
28
84
33
15
.02
96
72
31
5.0
30
51
13
15
.03
13
40
31
5.0
32
16
93
15
.03
29
97
31
5.0
33
82
6
delta-1
/ ndf 2χ 29.88 / 30
T 1.326± 1526
DELTA 0.0003834± 0.008356
CONST 0.000228± 0.02291
SLOPE1 6.533e-07± 1.143e-06
SLOPE2 1.963e-06± 1.841e-06
Вниз: E = 1888.2195 ± 0.001 МэВ; Вверх: E = 1888.2194 ± 0.001 МэВ
Николай Мучной (ИЯФ СО РАН) Комптоновское рассеяние... 9 июня 2011 г. 34 / 66
Интерполяция данных РД
Суточные колебания энергии
Влияние магнитных циклов
Николай Мучной (ИЯФ СО РАН) Комптоновское рассеяние... 9 июня 2011 г. 35 / 66
Измерение энергии пучка методом ОКР
Метод обратного комптоновского рассеяния (ОКР) позволяетизмерять среднюю энергию электронов в пучке в течениенекоторого времени измерения (от нескольких минут) с точностью∆E/E . 5 ·10−5.
ε =ωmax2
(1+
√√√√1+m2
ω0ωmax sin2 α
2
)
Точность метода:
∆ε
ε' 1
2∆ωmaxωmax
⊕ 12
∆ω0ω0
Край спектра:
σω ≡δωmaxωmax
' 2δε
ε⊕ δω0
ω0⊕ δ r
r
Николай Мучной (ИЯФ СО РАН) Комптоновское рассеяние... 9 июня 2011 г. 36 / 66
National Tsing Hua University, Taiwan, 1996
Phys. Rev. E, Vol. 54, No 5 (1996)Energy measurement of relativistic electron beams by laser Comptonscattering Ian C. Hsu, Cha-Ching Chu, and Chuan-Ing Yu
Результат:Ebeam = 1305.8±1.7 МэВ
Николай Мучной (ИЯФ СО РАН) Комптоновское рассеяние... 9 июня 2011 г. 37 / 66
Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), 2001
Nucl. Instr. and Meth. A 486 (2002)Measurement of the BESSY II electron beam energy byCompton-backscattering of laser photonsR. Klein, P. Kuske, R. Thornagel, G. Brandt, R. Gorgen, G. Ulm
Результаты:
ECBS = 1718.76±0.05 МэВ
ERD = 1718.74±0.02 МэВEγ (16O∗) 6= 6128.63±0.04МэВ
линия β -распада 16N
Eγ (16O∗) = 6129.27±0.05МэВ
dEbeam/Ebeam ' 0.08МэВНиколай Мучной (ИЯФ СО РАН) Комптоновское рассеяние... 9 июня 2011 г. 38 / 66
РОКК-1М: измерение энергии (Март 2010)
, keVγE1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
cou
nts
1
10
210
310
410
510
2010.03.09 | 16:58:25 -- 19:14:29 | 2010.03.09
, keVγE1000 2000 3000 4000 5000 6000
σta
il jo
in p
oin
t in
un
its
of
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Low Energy Tail
, keVγE1000 2000 3000 4000 5000 6000
, keV
tab
le-E
fit
E
-0.4
-0.2
0.0
0.2
0.4
0.6
Nonlinearity
, keVγE4200 4250 4300 4350 4400 4450
cou
nts
50
100
150
200
250
300
350
2010.03.09 | 16:58:25 -- 19:14:29 | 2010.03.09
, keVγE1000 2000 3000 4000 5000 6000
, keV
Eσ
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
2.2
Energy ResolutionZero = 0.31520 keV
Gain = 0.48986 keV/Ch 0.004±"Fano" = 0.158
0.021 keV±"Noise" = 0.191 0.143 keV± = 4316.186 edgeE
0.22 keV±= 3.55 edgeEσ
0.026 MeV± = 1553.568 beamE 39.5 keV±= 639.5
beamEσ
time from: 16:58:25 / 2010.03.09 time upto: 19:14:29 / 2010.03.09
Николай Мучной (ИЯФ СО РАН) Комптоновское рассеяние... 9 июня 2011 г. 39 / 66
РОКК-1М: Комптон + РД (Март 2010)
Николай Мучной (ИЯФ СО РАН) Комптоновское рассеяние... 9 июня 2011 г. 40 / 66
Скан J/ψ с детектором КЕДР (Март 2010)
3092 3094 3096 3098 3100 3102 31040
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
W [MeV]
[nb] obsσ
14.7 keV± =1.2 PDG-MfitM
0.011 MeV± =3096.916 PDGM
=0.583/ (7 -4) =0.194 2χ
Николай Мучной (ИЯФ СО РАН) Комптоновское рассеяние... 9 июня 2011 г. 41 / 66
РОКК-1М: эксперименты с детектором КЕДРВ эксперименте КЕДР 2002 года по прецизионному измерениюмасс J/Ψ и Ψ′ мезонов ∼ 90% времени было потрачено наизмерения энергии методом РД и изучение поведения энергиипучка во времени.Наблюдаемые сечения рождения высоки, поэтому вэксперименте не требовался большой интеграл светимости –было набрано 40нб−1 в трёх сканированиях J/ψ и 76нб−1 втрёх сканированиях ψ ′.В результате кропотливой работы по стабилизации системпитания и управления ВЭПП-4М и тщательного анализа данныхудалось добиться точности интерполяции энергии пучка всканированиях на уровне ∆E/E . 3 ·10−6.С 2005 по 2008 гг. на ВЭПП-4М и КЕДР проводился экспериментпо измерению массы τ-лептона. Для определения массыизмеряется зависимость сечения реакции e+e−→ τ+τ− отэнергии встречных пучков вблизи порога реакции. Ввидумалости сечения, эксперимент требует набора большогоинтеграла светимости (набрано 15.2 пб−1 за ∼ 7 месяцев).
Николай Мучной (ИЯФ СО РАН) Комптоновское рассеяние... 9 июня 2011 г. 42 / 66
РОКК-1М: одно измерение вблизи порога τ
, keVγE0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
cou
nts
1
10
210
310
410
2007.01.02 | 23:55:29 -- 00:45:05 | 2007.01.03
, keVγE800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600
σta
il jo
in p
oin
t in
un
its
of
-1
0
1
2
3
4
5
6
Low Energy Tail
, keVγE600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600
, keV
tab
le-E
fit
E
-2
0
2
4
6
8
10
Nonlinearity
, keVγE5550 5600 5650 5700 5750
cou
nts
0
100
200
300
400
500
2007.01.02 | 23:55:29 -- 00:45:05 | 2007.01.03
, keVγE600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600
, keV
Eσ
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
Energy ResolutionZero = -0.02060 keV
Gain = 0.51005 keV/Ch 0.009±"Fano" = 0.271
0.023 keV±"Noise" = 2.500 0.184 keV± = 5642.816 edgeE
0.17 keV±= 4.26 edgeEσ
0.029 MeV± = 1776.703 beamE 26.8 keV±= 670.0
beamEσtime from: 23:55:29 / 2007.01.02 time upto: 00:45:05 / 2007.01.03
Николай Мучной (ИЯФ СО РАН) Комптоновское рассеяние... 9 июня 2011 г. 43 / 66
РОКК-1М: поведение энергии
Николай Мучной (ИЯФ СО РАН) Комптоновское рассеяние... 9 июня 2011 г. 44 / 66
РОКК-1М: сравнение ОКР и РД
Разброс σE '50 кэВ совпадает со стат. ошибкой измерений ОКРНиколай Мучной (ИЯФ СО РАН) Комптоновское рассеяние... 9 июня 2011 г. 45 / 66
РОКК-1М: сравнение ОКР и интерполяции РД
σE '60 кэВ – оценка суммарной систематической погрешностиНиколай Мучной (ИЯФ СО РАН) Комптоновское рассеяние... 9 июня 2011 г. 46 / 66
РОКК-1М: эксперименты КЕДР 2005 – 2010
К настоящему времени на детекторе КЕДР, с использованиемкомбинированной техники измерения пучка (РД + ОКР), полученыследующие результаты:
Предварительный результат 2009: mτ = 1776.81+0.17−0.19±0.15МэВ.
Измерено произведение электронной ширины J/ψ-мезона ивероятности его распада на e+e− пару.Измерены массы D0 и D+ мезонов.Измерена масса, полная и лептонная ширина ψ(3770).Произведён поиск узких резонансов в области энергий от1.85 ГэВ до 3.1 ГэВ в с.ц.м. и поставлен верхний предел на ихлептонную ширину.
Николай Мучной (ИЯФ СО РАН) Комптоновское рассеяние... 9 июня 2011 г. 47 / 66
1 Комптоновское рассеяние
2 Лазер
3 HPGe - детектор
4 Установка РОКК-1М, эксперименты ВЭПП-4М – КЕДР
5 ВЭПП-3, BEPC-II, ВЭПП-2000
6 Калибровка детекторных систем
7 Магнитный спектрометр с лазерной калибровкой
8 Заключение
Николай Мучной (ИЯФ СО РАН) Комптоновское рассеяние... 9 июня 2011 г. 48 / 66
ВЭПП-3: схемаНа накопителе ВЭПП-3 в 2009 году проводился эксперимент поизмерению зарядовой асимметрии в упругом рассеянииэлектронов и позитронов на газовой водородной мишени.Основным источником систематической погрешности измеренияотношения сечений рассеяния является неидентичность режимовмагнитной системы накопителя при работе с частицами разногознака заряда.
Николай Мучной (ИЯФ СО РАН) Комптоновское рассеяние... 9 июня 2011 г. 49 / 66
ВЭПП-3: результаты
Николай Мучной (ИЯФ СО РАН) Комптоновское рассеяние... 9 июня 2011 г. 50 / 66
BEPC-II: cτ фабрика в Китае
В 2009 году начался набор статистики детектором BESIII.Максимальная полученная светимость – 0.7 ·1033с−1см−2 наэнергии 2×1.89 ГэВ.
В 2008 году ИЯФ официально вступил в международнуюколлаборацию BESIII.
В рамках коллаборации было принято решение о созданиипрецизионной системы измерения энергии пучков наколлайдере BEPCII. Одной из важнейших задач, которуюпредполагается выполнить с использованием этой системы –новое точное измерение массы τ-лептона (∆mτ ∼ 50 кэВ).
Energy determination at BEPC-II. / N.Yu.Muchnoi, M.N.Achasov, V.E.Blinov et al.// Proceedings of the Tenth International Workshop on Tau Lepton Physics (2009)
Николай Мучной (ИЯФ СО РАН) Комптоновское рассеяние... 9 июня 2011 г. 51 / 66
Установка EMS на BEPC-II
Система измерения энергии пучков методом ОКР
HPGe
3.75
m
2.5m 3.25m
Lenses
6.0m
Laser
R2IAMB R1IAMB
positrons electrons
0.4m
Физический запуск системы состоялся в конце 2010 года
Николай Мучной (ИЯФ СО РАН) Комптоновское рассеяние... 9 июня 2011 г. 52 / 66
Край комптоновского спектра
, keVγE5800 5850 5900 5950 6000 6050 6100 6150
cou
nts
60
80
100
120
140
160
180
Electrons: 2010.12.01 | 21:35:23 -- 22:35:25 | 2010.12.01
Николай Мучной (ИЯФ СО РАН) Комптоновское рассеяние... 9 июня 2011 г. 53 / 66
Скан ψ ′ 2010 (Иван Николаев & КЕДР & BES-III)
W [MeV]3675 3680 3685 3690 3695
, nb
ob
sσ
020406080
100120140160180200220
=13.5/ (12 -4) =1.7(2S)ψ
2χ 0.06 MeV±=0.001 (2S)ψ M∆
0.03 MeV± = 1.58 Wσ)=0.102χP(
0.1 nb± = 5.0 bgσ
ПРЕДВАРИТЕЛЬНО
Николай Мучной (ИЯФ СО РАН) Комптоновское рассеяние... 9 июня 2011 г. 54 / 66
ВЭПП-2000: область взаимодействия в магните
σ0 = 0.5 мм σ0 = 0.05 мм
Николай Мучной (ИЯФ СО РАН) Комптоновское рассеяние... 9 июня 2011 г. 55 / 66
ВЭПП-2000: область взаимодействия в магните
Николай Мучной (ИЯФ СО РАН) Комптоновское рассеяние... 9 июня 2011 г. 56 / 66
1 Комптоновское рассеяние
2 Лазер
3 HPGe - детектор
4 Установка РОКК-1М, эксперименты ВЭПП-4М – КЕДР
5 ВЭПП-3, BEPC-II, ВЭПП-2000
6 Калибровка детекторных систем
7 Магнитный спектрометр с лазерной калибровкой
8 Заключение
Николай Мучной (ИЯФ СО РАН) Комптоновское рассеяние... 9 июня 2011 г. 57 / 66
Калибровка детекторных систем: СРРЭ
Система Регистрации Рассеянных Электронов детектора КЕДР
M1
TS2
S
TS1
16.5 m
L2
TS3 KEDR
i.p.
M2L1
TS4
Исследование переходов γγ →адроны является важной частьюэкспериментальной программы детектора КЕДР.
Для восстановления кинематических переменных γγ-системы всостав детектора КЕДР входит Система Регистрации РассеянныхЭлектронов (СРРЭ).
Николай Мучной (ИЯФ СО РАН) Комптоновское рассеяние... 9 июня 2011 г. 58 / 66
Калибровка детекторных систем: СРРЭ
Край спектра
0
20
40
60
80
100
60 80 100 120 140 160
Справа – энергетическоеразрешение
0
0.5
1
1.5
2
4000 5000
0
0.5
1
1.5
2
2000 3000 4000
σω/ω
,%σ
ω/ω
,%
ε, МэВ
ε, МэВНиколай Мучной (ИЯФ СО РАН) Комптоновское рассеяние... 9 июня 2011 г. 59 / 66
1 Комптоновское рассеяние
2 Лазер
3 HPGe - детектор
4 Установка РОКК-1М, эксперименты ВЭПП-4М – КЕДР
5 ВЭПП-3, BEPC-II, ВЭПП-2000
6 Калибровка детекторных систем
7 Магнитный спектрометр с лазерной калибровкой
8 Заключение
Николай Мучной (ИЯФ СО РАН) Комптоновское рассеяние... 9 июня 2011 г. 60 / 66
Магнитный спектрометр с ОКР-калибровкой
Рассмотренный выше метод измерения энергии электронногопучка прекрасно зарекомендовал себя как рабочий инструментпри проведении экспериментов на циклических ускорителях сэнергией пучка до 2 ГэВ.
Но:Продвижение вверх по диапазону измеряемой энергии пучкавесьма проблематично.Метод работает только для определения средней энергиипучка за довольно продолжительное время, в течениекоторого происходит набор энергетического спектрарассеянных фотонов.
Николай Мучной (ИЯФ СО РАН) Комптоновское рассеяние... 9 июня 2011 г. 61 / 66
Магнитный спектрометр с ОКР-калибровкой
ILC beam energy measurement by means of laser Comptonbackscattering / N.Muchnoi, H.J.Schreiber and M.Viti // NIM A 2009Vol.607 no.2 pp.340-366
X edge
X 0
X beam
x
edge electrons
electron beam
s
laser beam
Xbeam−X0 = B · (1/Ebeam)
Xegde−Xbeam = B · (4ω0/m2)⇒ Ebeam =
m2
4ω0·Xegde−XbeamXbeam−X0
Николай Мучной (ИЯФ СО РАН) Комптоновское рассеяние... 9 июня 2011 г. 62 / 66
Магнитный спектрометр с ОКР-калибровкой
Идея провести тестовый эксперимент, способныйпродемонстрировать работоспособность метода в целом, наколлайдере ВЭПП-4М, появилась из-за того, что на установкеРОКК-1М уже присутствуют почти все формально необходимыекомпоненты такой системы.
laser beam
Compton photons
BPMelectron beamT
S1
TS
2
TS
3scattered electrons detector
scattered photons detector
photon−electron interaction area
KEDR
KEDR
Николай Мучной (ИЯФ СО РАН) Комптоновское рассеяние... 9 июня 2011 г. 63 / 66
1 Комптоновское рассеяние
2 Лазер
3 HPGe - детектор
4 Установка РОКК-1М, эксперименты ВЭПП-4М – КЕДР
5 ВЭПП-3, BEPC-II, ВЭПП-2000
6 Калибровка детекторных систем
7 Магнитный спектрометр с лазерной калибровкой
8 Заключение
Николай Мучной (ИЯФ СО РАН) Комптоновское рассеяние... 9 июня 2011 г. 64 / 66
Положения, выносимые на защиту:
На коллайдере ВЭПП-4М создана установка РОКК-1М дляпроведения различных экспериментов с использованием обратногокомптоновского рассеяния лазерного излучения на электронномпучке.Исследовано влияние различных факторов, определяющих формукрая спектра ОКР в условиях реального эксперимента.Разработана методика измерений абсолютных энергий гаммаквантов с помощью HPGe детектора в диапазоне энергий 1–10 МэВ.Создана система прецизионной калибровки энергии электронногопучка ВЭПП-4М.Аналогичные системы запущены на накопителе ВЭПП-3 и коллайдереBEPC-II.Проведена калибровка энергетической шкалы СРРЭ детектора КЕДР,прототипов калориметров КЕДР и BELLE.Предложен новый метод измерения абсолютной энергии пучка дляпроекта ILC.
Николай Мучной (ИЯФ СО РАН) Комптоновское рассеяние... 9 июня 2011 г. 65 / 66
Нелинейность АЦП?
, keVγE1000 2000 3000 4000 5000 6000
, keV
tab
le-E
fit
E
-1.4
-1.2
-1.0
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
-0.0
0.2
0.4
0.6
/ ndf 2χ 100.0168 / 10Prob 0.0000p0 0.0000± 0.0275 p1 0.0000± 0.4901 p2 0.0193± -1.1083 p3 0.0000± 0.0011 p4 0.0000± -0.0012 p5 0.0000± -0.0007 p6 0.0001± -0.0007
/ ndf 2χ 100.0168 / 10Prob 0.0000p0 0.0000± 0.0275 p1 0.0000± 0.4901 p2 0.0193± -1.1083 p3 0.0000± 0.0011 p4 0.0000± -0.0012 p5 0.0000± -0.0007 p6 0.0001± -0.0007
Nonlinearity
Николай Мучной (ИЯФ СО РАН) Комптоновское рассеяние... 9 июня 2011 г. 66 / 66