ALICE 光子探测实验及中国组的研究进展

2005 年 6 月 28 － 29 周代翠高能核物理的大型国际合作与中国的机遇学术研讨会上海 1

ALICE 光子探测实验及中国组的研究进展周代翠华中师范大学粒子物理研究所

（ ALICE －中国组）中国原子能研究院 (CIAE)华中师范大学 (CCNU)华中科技大学 (HUST)内容提纲 1 引言 2 ALICE/PHOS 的物理目标与机遇 3 ALICE －中国组的研究进展 4 总结


ALICE 光子探测的重要性再散射的几率小，携带核－核碰撞初始阶段的信息；在重离子碰撞的各个阶段都有光子发射；光子产生速率和动量分布与 QGP 中或强子中的夸克、反夸克和胶子的动量分布有关；光子与双光子在 pt=1-5GeV/C 处产额增加－ QGP 信号与火球温度；提供手征对称性相关的信号；将 HBT 关联扩展到热光子和 0 -0关联 —研究火球的时空与低动量直接光子增强；－ Jets 和 jet quenching 的研究；硬过程（ PQCD ）光子谱 pt > ~ 5GeV：检验硬过程的碰撞标度－ Ncoll scaling— 光子探针是探寻 QGP 信号、研究 QGP 性质的重要手段


超高能重离子碰撞中各阶段产生光子Photons in A+A

Direct Photons Decay Photons

Non-thermal thermal Hard+thermal

Initial hardscattering

Pre-equili-brium photons

QGP Hadron gas

pQCD or prompt photons

Interaction of hard parton with QGP1) and 2) Medium induced photon bremsstrahlung

gqq QGPhard qgq QGPhard


光子测量中的问题高动量光子区分 0衰变光子；低的计数率低动量光子介子衰变光子比直接光子高 10 － 100 倍；高的粒子密度（ dN/dy) ： RHIC ： 1500 ， LHC ： 4000-6000 需要高粒度（晶体尺寸，到顶点距离和晶体 Molierer 半径）光子判别： CPV 、 TOF 和簇射形状分析介子谱的抽取：不变质量谱两光子关联函数


ALICE /PHOS 谱仪的测量范围能量范围能量范围光子： pt 0.5-100GeV/c 0: pt 1.0-100GeV/c ’: pt 2.0-100GeV/c覆盖范围覆盖范围 -0.12 0.12 -50 50


ALICE中心探测器的接收度

PHOSHMPID

TRD TOF

TPC

ITS tracking

ITS multiplicity

0

-1

1

-2

2

0 1 2 3

pt20

100


ALICE/PHOS 的组成CPV 多丝正比室，去除带电粒子电磁量能器（ EMC ）簇射形状判别时间信号（ TOF ）区分快慢粒子

CPVEMC


电磁量能器的组成17,920 路

CPV 多丝正比室钨酸铅晶体： 2222180mm3 ； 20辐射长度面积： 8 m2 体积： 1.5 m3 重量： 12.5 吨读出系统： APD + 前置放大器＋ FEE 电子学冷却恒温系统 -25ºC 0.3C


PHOS的能量分辨与位置分辨2

2

2

2

cEb

Ea

EE

a = 0.013 ± 0.007 GeVb = 0.036 ± 0.002 GeV1/2

c = 0.0112 ± 0.0003

Energy resolution Position resolution

(~ 1.5% @ 10 GeV) (~ 1.25mm @10 GeV)


中国与 CERN 关于 ALICE 的合作建议情况项目名称： CERN/ALICE 超高能重离子实验中的光子探测参加单位：中国原子能科学研究院，华中师范大学华中科技大学


项目历史 1993 年参加 ALICE合作组 1999 年 3月第 1次 ALICE/China合作研讨会 , 北京 2000 年 3月第 2次 ALICE/China合作研讨会，北京 2000 年 8月重大国际合作项目申请 2000 年 10月书面评审，北京 2001 年 12月项目评审会，北京 2003 年 10月第 3次 ALICE/China合作研讨会，武汉 2005 年 5月 ALICE/PHOS 合作与 FEE论证会，武汉 1999 年 11月北京会议，中国－ CERN 合作第一次研讨会 2003 年 10月威海会议，中国－ CERN 合作第二次研讨会 2005 年 5月北京会议，中国－ CERN合作第三次研讨会


完成的工作 PIN （ 17×17mm) 的研制与在线束流测试 FEE 的设计、 12块主板研制、在线束流测试 APD 前放设计与样机研制穿透效应 ,FEE 触发 (Trigger) 判选 PHOS 束流测试 ,数据获取系统 DAQ 研制 PHOS 机械系统的图纸设计 PHOS 粒子鉴别研究事件产生器研制 (PHOS 粒子辨别，双轻子产生， TRD系统， Geant4 ） QGP 信号与背景的研究 ALIROOT 模拟软件的安装、使用、研制与模拟青年科技骨干的培养（ CIAE 、 CCNU 、、 HUST）多次的国际学术交流活动 PHOS 第一个探测模块的前端电子学 130 块主板研制与在线测试计划于 2005年 11月由中国组完成（ 2005 年 5月 30－ 6月 2日 ALICE 光子探测国际合作会议 , 武汉，中国设计研制的 FEE 系统主板全部通过专家组论证）


建设备阶段中国组的投入 PIN研制： 80万元 (国家自然科学基金会 ) FEE电子学： 60万元 (华中师范大学、华中科技大学、原子能研究院 ) 实验探测模拟、数据分析方法、QGP信号与背景、QGP信号鉴别快速计算系统： 100万元 (教育部、以及华中师范大学 ) ALICE探测器安装（2003－ 2007） 5－ 7名技术工人和工程师：折合贡献约： 550万元 (CIAE 及中国组 )

PHOS是目前用于此类实验的性能最好的光子谱仪ALICE/PHOS 的前端电子学 FEE （ 560套）将由中国组研制和生产参加 ALICE后中国组有权分析 ALICE各种探测器的数据


中国研制的 PIN

17x17mm2 , high quantum efficiency, low current leakage


在中国研制用于 APD 的前放

使用国内市场元件完成研制


在 CERN 测试中国研制的前端电子学系统 FEE


DELL － 175026 nodes, Double CPUDELL － 26502.8GHZFiber: 15×146GBIDE:15x320GBRAID Capacity ： 7TB

建立在华中师范大学粒子物理研究所的计算机集群


ALICE 计算模拟分析及网格系统

ROOT

AliRootSTEER

Virtual MC

GEANT3 GEANT4 FLUKA

HIJING

MEVSIM

PYTHIA6

PDF

CRT

EMCAL ZDC

FMD

ITS

MUON

PHOSPMD TRD

TPC

TOF

STRUCT START

RICH

RALICE

EVGEN

HBTP

HBTAN

ISAJET

AliE

n


Topology

Trigger Efficiency Particle Identification

Dimuon Measurement Precision Punchthrough Effect


总结 ALICE物理是当代物理学重要前沿； ALICE实验在能量上，实验设备上优于现存实验，对于探测QGP信号、从根本上检验格点 QCD预言、研究高温高密物质性质，以及发现超高能区新物理现象有不可取代的作用；中国组参加建造的ALICE/PHOS是 ALICE 装置中最具特点的部分，可研究丰富的物理问题，PHOS电子学的研制科技含量高，为增强中国在ALICE中的地位,为 2007 年后开展物理研究的主动权 ,为培养高能核物理领域新一代科技人才都非常重要。


谢谢 !


PHOS Project-organization

Participating institutes - China, Beijing, China Institute of Atomic Energy (CIAE)- China, Wuhan, Huazhong Normal University, Institute of Particle Physics

(CCNU) - China, Wuhan, Huazhong University of Science and Technology (HUST)

- Czech Republic, Prague, Academy of Science of the Czech Republic, Institute of Physics

- Germany, Münster, Westfälische Wilhelms Universität, Institute für Kernphysik- France, Nantes, Laboratoire de Physique Subatomic et des Technologies

Associées - Japan, Hiroshima, Hiroshima University

- Norway, Bergen, University of Bergen, Department of Physics- Norway, Oslo, University of Oslo, Department of Physics- Poland, Warsaw, Soltan Institute for Nuclear Studies- Russia, Moscow, Russian Research Center ‘Kurchatov Institute’- Russia, Protvino, Institute for High Energy Physics- Russia, Sarov, Russian Federal Nuclear Center ‘VNIIEF’- Russia, Dubna, Joint Institute for Nuclear Reasearch


Photon Sources in A+A

Photons in A+A

Direct Photons Decay Photons

Non-thermal thermal Hard+thermal

Initial hardscattering

Pre-equili-brium photons

QGP Hadron gas

pQCD or prompt photons

Interaction of hard parton with QGP1) and 2) Medium induced photon bremsstrahlung

gqq QGPhard qgq QGPhard


PHOS Mechanics

Modular structure 5 independent modules each of 3584 crystal detector units:PWO crystal+ APD+ preamp.

PHOS moduleWorking temperature: -25 oC

PHOS Cradle

Crystal detector unit

Strip unit of 16 detector unitsDesign of PHOS module in SAROV, Production at METAX factory, Moscow

ALICE 光子探测实验及中国组的研究进展

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