Srovnání modelů hadronových spršek v GEANT4 s daty kalorimetrů s vysokou granularitou.

Příští generace leptonových vstřícných svazků jako je např. International Linear Collider (ILC) vyžaduje energetické rozlišení jetů v oblasti hmoty Z bozonu na úrovni 3-4%, aby bylo možné oddělit hadronové rozpady W a Z bozonů. Věří se, že toho lze dosáhnout technikou tzv. Particle Flow kalorimetrie (PFA). Hypotéza byla zatím ověřena na simulovaných datech. Hlavním požadavkem PFA je rozlišování jednotlivých částic uvnitř jetu a to vyžaduje budovat kalorimetry vysoce prostorově segmentované. Kolaborace CALICE se zabývá návrhy různých typů vysoce segmentovaných kalorimetrů s individuálním vyčítáním jednotlivých buněk.

Jemná segmentace vrstev kalorimetru v příčném a podélném směru dovoluje rekonstruovat prostorové vlastnosti hadronových spršek. V předložené publikaci je provedeno srovnáním dat s Monte Carlo simulacemi ve zmíněných směrech a zkoumány další energetické vlastnosti spršek. Jsou posouzeny vlastnosti několika modelů tzv. GEANT4 physics lists.

Prototypy kalorimetrů jsou od r. 2006 zkoumány ve svazcích v DESY, CERN a FNAL. Tato práce se soustřeďuje na data získaná v CERN v r. 2007. Experimentální souprava byla vytvořena kombinací křemíkového wolframového elektromagnetického kalorimetru (SiW-ECAL), hadronového vzorkovacího kalorimetru se scintilátorem a železem s analogovým vyčítáním dat a koncovým kalorimetrem TCMT na bázi scintilátor, železo, který detekoval zbytky hadronových spršek a miony. Tyto prototypy byly ozářeny na svazku v CERN SPS H6 piony o energiích 8 – 100 GeV.

Kalorimetr SiW-ECAL je tvořen 30 moduly každý s vrstvou wolframu a křemíku. Křemíková vrstva je složena s velkoplošných diod PIN o ploše 1 x 1 cm2, to dává dohromady 9700 vyčítaných buněk. Vzorkovací kalorimetr AHCAL se skládá ze 38 modulů, každý modul je tvořen železnou dekou absorbátoru silnou 2 cm a citlivou vrstvou se scintilátorovými destičkami silnými 0,5 cm. Celková hloubka prototypu 1,2 m dává 5,3 interakční délky. Příčné rozměry jsou 1 x 1 m2. Scintilační destičky mají rozměr 3 x 3 cm2 uprostřed, dále k okraji roviny se zvětšují na 6 x 6 až 12 x 12 cm2. Světlo ze scintilátoru se vyčítá pomocí vlákna posouvajícího vlnovou délku (WLS) křemíkovým fotonásobičem (SiPM). Detektor TCMT je umístěn za AHCAL a registruje zbytky spršek unikající z AHCAL.

Měření průměrné vážené hodnoty příčného rozměru spršky pro piony v AHCAL. Nahoře vlevo: data srovnaná s modelem FTFP_BERT. Nahoře napravo: podíl mezi Monte Carlo s FTFP_BERT a daty pro několik verzí FTFP_BERT modelem. Dole: podíl mezi Monte Carlo a daty pro několik různých modely.

Interakce hadronů s hmotou nelze modelovat z prvních principů; je potřeba užít fenomenologické modely, které pracují s různými druhy aproximací. Vytvářejí tzv. „physics list“ a jsou obsaženy v programu GEANT4. Kombinují aproximace účinných průřezů z různých energetických oblastí doplněné o volný výběr modelů aproximující přechodové oblasti.

Jemná segmentace kalorimetrů CALICE umožnila zkoumat vlastnosti spršek vytvářených piony především v podélném a příčném směru. Jako příklad citlivosti získaných uvádíme příčný profil spršky v přiloženém obrázku. Přesné modelování příčného profilu spršky je obzvláště důležité pro úspěšné vyvíjení PFA algoritmu, protože ovlivňuje, v jakém stupni se spršky překrývají a jak lze částice správně přiřadit odpovídající spršce.

V publikaci je vysloven závěr, že modely FTFP_BERT a CHIPS nejlépe souhlasí s měřenými výsledky. Souhlas mezi daty a simulací je většinou na úrovni ±2-6%. Vlastnosti spršek v příčném směru vykazují výraznější odchylky a to kolem 10% a souhlas se zhoršuje v nejnovějších verzích modelů. Výsledky testů se postupně uplatňují při simulaci.

Fyzici a inženýři z FZÚ byli zodpovědní za návrh, výrobu a testování křemíkových velkoplošných diod pro SiW-ECAL a kalibrační systém v AHCAL kalorimetru. Účastnili se nabírání dat, analýzy dat a prezentování výsledků na konferencích.

Publikace