Эксперимент ПАНДА в проекте ФАИР

А.Н. Васильев – ГНЦ ИФВЭ Сессия РАН 17.11.2011

Эксперимент ПАНДА в проекте ФАИР

А.Н. Васильев

от имени Сотрудничества ПАНДА


Содержание доклада

1. Introduction: FAIR, HESR & PANDA

(FAIR – Facility for Antiproton and Ion Research)(HESR – High Energy Storage Ring)(PANDA– antiProton ANnihilation at DArmstadt)

2. Physics program of PANDA3. PANDA detector4. Schedule of PANDA 5. Conclusion


•HESR

•SIS 100/300

•SIS18

•

•RESR/CR

•30 GeV Protons•50 MeV

•p-Linac

•Cu Target107 p/s @ 3 GeV

•CollectingAccumulating

Precooling

•Accelerating

•Cooling

•100m

•PANDA

•pbar production :•proton Linac 50 MeV•accelerate p in SIS18/SIS100•produce pbar on target•collect pbar in CR,•cool in RESR (not in Start Version)•inject pbar into HESR


HESR - High Energy Storage Ring

Mode High Resolution High Luminosity

Momentum rangeStored antiprotonsLuminosityMom. Resol. (rms)Beam cooling

1.5 - 8.9 GeV/c 1010

2·1031 cm-2s-1

p/p ≤ 4·10-5

Electron ( ≤ 8.9 GeV/c)

1.5 – 15 GeV/c1011

2·1032 cm-2s-1 p/p = 1·10-4

Stochastic ( ≥ 3.8 GeV/c)

EXP

Injection of p at 3.7 GeV

Storage ring for internal target operation

Circumference 574 m


Эксперимент ПАНДА в проекте FAIR

• ПАНДА – это уникальный эксперимент по исследованию фундаментальных проблем адронной и ядерной физики через взаимодействия антивещества с веществом (антипротонов с нуклонами и ядрами).

• Исследования предполагается проводить на антипротонном пучке накопительного кольца со стохастическим и электронным охлаждением (HESR) c энергией до 15 ГэВ. Ожидается рекордная в мире интенсивность чистого антипротонного пучка, обеспечивающая до 2х107 взаимодействий на мишени в секунду.

• Помимо высокой интенсивности пучок антипротонов будет беспрецедентным по степени монохроматичности, ожидаемой на уровне p/p до 10-5 , что позволит проводить исследования сильного взаимодействия с высочайшей точностью.


•antiProton ANnihilation at DArmstadt

A very high intensity p beam with momentum from 1.5 GeV/c up to15 GeV/c on a proton fixed target (or nuclear target), average

interaction rate 20 MHz, s from 2.25 up to 5.46 GeV

Experiment performed at FAIR facility, near GSI, in Darmstadt, Germany

It will continue and extend the successful physics program performed in the past at facilities like LEAR at CERN and the antiproton accumulator ring at FNAL.


В антипротон-протонной аннигиляции прямо могут рождаться все частицы !!

В электрон-позитронной аннигиляции прямое рождение частиц возможно только для состояний с квантовыми числами фотона J(PC) = 1 (--) например, J/ψ.

Преимущество антипротон-протонной аннигиляции в отличие от е+е- аннигиляции в том, что нет ограничения по квантовым числам конечных состояний !!!


Физическая программа ПАНДА

Физическая программа нацелена на поиск новых форм материи во взаимодействиях антивещества с веществом :

- экзотических частиц, таких как глюболы и гибриды,

- спектроскопию состояний чармония выше порога образования пар D-анти-D- мезонов,

- исследования гипер-ядер (в том числе – двойных) и чарм-ядер, когда странная (одна или две) или очарованная частица «вживляется» в ядро вместо обычного нуклона-

- исследования форм-фактора протона- исследование влияния ядерной среды на

свойства элементарных частиц. - и др. задачи


1 fmc c

Dissociation energy

n = 1

n = 2

7

6

5

4

3

2

1

0

Singlet Triplet Triplet

Rel

ativ

e en

ergy

(eV

)

ψ’

χ1

χ2

η’c

ηc

ψ

DD threshold

χ0

Singlet Triplet Singlet Triplet

1000

900

800

700

600

500

400

300

200

100

0

–100

Rel

ativ

e en

ergy

(M

eV)

bo

un

d s

tate

s

L = 0

Singlet

L = 0 L = 1L = 1

ψ’’

0.1 nme+ e−

13S1

23S1

13S0

23S1

21P123P2

23P1

23P0

23P0

13S1

23S1

13S0

23S1

21P1

23P2

23P1

Positronium Charmonium

hc


The glueball spectrum from LQCD calculations


X(3872) Y(4260)Belle

X(3940)

e+e-DD*J/ψ

Belle

Y(4

008

)?

BaBar

M(ωJ/ψ

BaBar

X(4160)

Belle

Y(4350) & Y(4660)

Belle

Belle

X(3872)

CDF

X and Y mesons

BK ωJ/ψY(3940)

Belle

M(ωJ/ψ


Γ = (0.044+0.017 (stat)+0.030 (syst)) GeV

−M = (4.433 ± 0.004 (stat) ± 0.001 (syst)) GeV

Z+ (4430) - a new state of matter (tetraquark?) decaying into π+ψ’

7σ

PRL 100, 142001 (2008) arXiv:0708.1790 [hep-ex]

BELLE


PANDA: pp ➛ Z+(4430) + π−

↵ ψ(2S)π+ → J/ψ π+π−


Требования к детектору

• импульс антипротонов: от 1.5 до 15 GeV/c

• Lmax ~2 · 1032 cm-2s-1 , возможность работы с высокой интенсивностью : 2 · 107 взаимодействий в секунду.

• почти 4 телесный угол для PWA

• p±, K±, ±, e±, ±, идентификация

• определение смещенной вершины –

для D, KS, , (c = 317 m for D±)

• детектирование фотонов от 10 MeV до 10 GeV

• эффективный отбор событий и хорошее импульсное разрешение


Детектор ПАНДА

•Forward Spectrometer•Dipole Magnet

•Target Spectrometer


Сверхпроводящий соленоид

•Central field 2.0 T•Field homogeneity ≤2%•Norm. radial field integral ≤2 mm•Inner bore 1.9 m•Cold mass parameters•Length 2.7 m•Energy 20 MJ•Current 5000 A•Weight 4.5 t•Cable cross section 3.4 × 2 mm2

•Current density 59 A/mm•Yoke parameters•Length 4.9 m•Outer radius 2.30 m•Iron layers 13•Total weight 300 t


•Target

•Beam

•rmax = 150 mm

•1•2

•3•4

•1•2•3•4 •5 •6

•r / mm•135•95

•25•55

•20•40•70•100•160

•230

•-170•-230

•z / mm

6 disk layers 4 barrel layers Silicon detectors:

Hybrid pixel detectors (11 M channels)

Double-sided microstrip detectors (200k ch.)

Вершинный детектор


Центральная трековая система на основе дрейфовых трубок

4580 Straw tubesAl-mylar: d=27µm, =10mm, L=1500 mm 21-27 planar layers in 6 hexagonal sectors8 layers skewed (3D reconstruction)Time readout (isochrone radius)Amplitude readout (dE/dx)r ~ 150 m, z ~ 3.0 mm

p ~ 1-2% at B=2Tesla


Центральный электромагнитный калориметр

Barrel Calorimeter 11360 PWO CrystalsAPD readout, 2x1cm2

Forward Endcap 4000 PWO crystalsHigh occupancy in

center APD or VPT

Backward Endcap for hermeticity, 560 PWO crystals


Энергетическое разрешение прототипа 3x3 PWO с фотоумножителями

incident energy / GeV

ener

gy r

esol

utio

n

T = -25C – эторабочая температура калориметра ПАНДА

А.Н. Васильев – ГНЦ ИФВЭ Сессия РАН 17.11.2011•21

В ГНЦ ИФВЭ освоена технология создания опорных структур из углепластика, что необходимо для барреля ПАНДА (11 360 ячеек 18-ти типов).

Изготовление альвеол из углепластика в ГНЦ ИФВЭ


• 2Tm for particles scattered in 0 – 10o (5o vertical)

• Allows momentum resolution <1%

• Large aperture (1x3m) and short length (2.5m)

• Ramping capability due to lamination

Диполь с большой апертурой

•Field integral 2 Tm•Bending variation ≤ ±15%•Vertical Acceptance ±5°•Horizontal Acceptance ±10°•Ramp speed 1.25%/s•Total dissipated power 360 kW•Total Inductance 0.87 H•Stored energy 2.03 MJ•Weight 220 t•Dimensions (H × W × L) 3.88 × 5.3 × 2.5 m3

•Gap opening (H × W) 0.80 − 1.01 × 3.10 m2


Передняя трековая система

6 Tracking stations: 2 before,

2 inside and 2 after dipole magnet based on 1 cm pressure

stabilized straw tubes Each tracking station contains

four double-layers:

two with vertical straws

two tilted by ±5° Angular acceptance:

±5º vertically,

±10º horizontally

Momentum acceptance:

down to ~2% of pbeam

Momentum resolution: ~0.5%


Передний калориметр типа «шашлык»

• 380 layers of 0.3-mm lead and 1.5-mm scintillator, total length 680 mm

• Transverse size 55x55 mm2

• Light collection: 36 fibers BCF-91A (1.0 mm)

• PMT as a photodetector• LED for each module

as a light monitoring system

• Optical fiber for each cell for a precise PMT gain monitoring

Detector size: ~3,6m x 2,2 m(54x28 cells)


Зависимость энергетического разрешения от энергии

σE /E = a/E b/√E c [%], E in GeV

Experiment data and MC fit:

a = 3.5 ± 0.3 a = 3.3 ± 0.1

b = 2.8 ± 0.3 b = 3.1 ± 0.1

c = 1.3 ± 0.3 c = 1.2 ± 0.1

Good agreement with MC (with a residual momentum spread of 2.4% introduced to get linear term)


Другие детекторы установки ПАНДА

• Target spectrometer:

- barrel and forward DIRC

- barrel TOF (scintillator tiles)

- muon system (in solenoid)

• Forward spectrometer:

- TOF (scintillator strips)

- muon system (at the end of set-up)


•Collaboration

• At present a group of 460 physicists from 55 institutions of 17 countries

•Basel, Beijing, Bochum, BARC Bombay, IIT Bombay, Bonn, Brescia, IFIN Bucharest, IIT Chicago, AGH Krakow, IFJ PAN Krakow, JU Krakow,

Krakow UT, Edinburgh, Erlangen, Ferrara, Frankfurt, Genoa, Giessen, Glasgow, GSI, FZ Jülich, JINR Dubna, Katowice, KVI Groningen, Lanzhou,

LNF, LNL, Lund, Mainz, Minsk, ITEP Moscow, MPEI Moscow, TU München, Münster, Northwestern, BINP Novosibirsk, IPN Orsay, Pavia,

IHEP Protvino, PNPI St.Petersburg, KTH Stockholm, Stockholm, SUT, INFN Torino, Torino, Torino Politecnico, Trieste, TSL Uppsala, Tübingen,

Uppsala, Valencia, SINS Warsaw, TU Warsaw, SMI Wien

•Basel, Beijing, Bochum, BARC Bombay, IIT Bombay, Bonn, Brescia, IFIN Bucharest, IIT Chicago, AGH Krakow, IFJ PAN Krakow, JU Krakow,

Krakow UT, Edinburgh, Erlangen, Ferrara, Frankfurt, Genoa, Giessen, Glasgow, GSI, FZ Jülich, JINR Dubna, Katowice, KVI Groningen, Lanzhou,

LNF, LNL, Lund, Mainz, Minsk, ITEP Moscow, MPEI Moscow, TU München, Münster, Northwestern, BINP Novosibirsk, IPN Orsay, Pavia,

IHEP Protvino, PNPI St.Petersburg, KTH Stockholm, Stockholm, SUT, INFN Torino, Torino, Torino Politecnico, Trieste, TSL Uppsala, Tübingen,

Uppsala, Valencia, SINS Warsaw, TU Warsaw, SMI Wien

•Austria – Belarus- China - France - Germany – India - Italy – The Nederlands - Poland – Romania - Russia – Spain - Sweden – Switzerland - Thailand - U.K. – U.S.A..


2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019

•experiment

•commissioning

•installation at FAIR

•pre-assembly

•mass production

•R&D

•TDR

•FAIR

Schedule of


Заключение• PANDA experiment will have a great potential for discovery in

addition to the LHC at a relatively high-energy antiprotons and, at the same time, due to the energy scan mode will determine the width of the resonances with an accuracy of a linear collider.

• Studies will be performed at the antiproton beam storage ring with a stochastic and electron cooling (HESR) with energy up to 15 GeV. Expected to record in the world of pure intensity antiproton beam that provides up to 2х107 interactions on the target per second.

• In addition to high-intensity, beam of antiprotons would be unprecedented in the degree of monochromatic, the expected level of p/p down to 10-5 , which will allow the study of strong interactions with high precision.

• PANDA detector is created using the most modern technology and provides a registration and identification of neutral and charged particles to nearly the full solid angle and energy range up to 15 GeV.

• A commissioning of PANDA and the first data taking is planned for 2018.

Documents

Эксперимент ПАНДА в проекте ФАИР