【摘要】：標(biāo)準(zhǔn)模型是科學(xué)家在二十世紀(jì)中葉提出的用以描述基本粒子和基本相互作用的理論,目前已經(jīng)統(tǒng)一了弱電相互作用和強相互作用。作為標(biāo)準(zhǔn)模型理論的重要組成,希格斯場和希格斯粒子是物質(zhì)形成慣性質(zhì)量的關(guān)鍵。自從2012年首次發(fā)現(xiàn)希格斯粒子以來,研究希格斯粒子的特性成為物理領(lǐng)域最前沿課題之一。由于希格斯粒子質(zhì)量較低(約為125GeV),因此輕子對撞是產(chǎn)生希格斯粒子的有效途徑。在這個背景下,中科院高能物理研究所于2013年提出了環(huán)形正負電子對撞機計劃(CEPC),該計劃旨在利用中國成熟的環(huán)形電子加速器技術(shù),在國內(nèi)建設(shè)一臺可作為希格斯粒子工廠的環(huán)形對撞機。希格斯粒子穩(wěn)定性極差,會迅速衰變?yōu)槠渌Ｗ�。為了在高亮度與高事例堆積情況下精確測量對撞產(chǎn)生的射流,以重建事例,CEPC采用了粒子流算法(PFA)。該算法基本原理是利用精確的位置測量來彌補能量測量的不足,利用PFA可以精確重建對撞頂點以及對撞產(chǎn)物�；诖怂惴�,CEPC提出了對于電磁量能器的需求——一臺具有高顆粒度與高分辨率的成像型電磁量能器。雖然近年來隨著高顆粒度電磁量能器發(fā)展,已經(jīng)有成像型電磁量能器樣機被制造出來,但這些樣機的應(yīng)用背景均為直線型對撞機,目前還沒有一臺可用于環(huán)形對撞機的電磁量能器。本論文參考了 CALICE合作組為國際直線對撞機(ILC)研制的電磁量能器樣機,針對CEPC電磁量能器中硅-鎢這一技術(shù)路線進行探索,提出了高顆粒度電磁量能器原理樣機方案并設(shè)計了相應(yīng)的讀出電子學(xué)系統(tǒng)。論文中首先介紹了 CEPC的項目背景與需求,CEPC要求電磁量能器對于入射電磁型粒子的能量的分辨率達到16%/(?),且能夠區(qū)分相鄰的入射粒子。論文結(jié)合探測器指標(biāo)對CEPC概念設(shè)計報告中的硅-鎢電磁量能器方案進行模擬分析,根據(jù)模擬結(jié)果優(yōu)化了各項參數(shù),并根據(jù)模擬與仿真提出了對于電子學(xué)各項指標(biāo)的具體需求。為了研究硅-鎢電磁量能器方案的可行性,論文在模擬分析的基礎(chǔ)上提出了量能器原型機的系統(tǒng)架構(gòu)。原型機包含38層靈敏層與84mm的鎢板總厚度,探測單元尺寸為5×5mm2,耗盡層厚度460μm,每層靈敏層由一個8×8的硅PIN探測器陣列組成,原型機探測器總通道數(shù)2432路。為了讀出探測器信號,本論文還提出并設(shè)計了一套可擴展的電子學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計,分為前端電子學(xué)和后端電子學(xué)兩部分。前端電子學(xué)分別包含了 38個前端板(FEB)與數(shù)據(jù)接口板(DIF),FEB負責(zé)搭載探測器陣列、讀出探測器信號并數(shù)字化,其核心是一款64通道的ASIC芯片SKIROC2a;DIF負責(zé)控制FEB工作,并將數(shù)字化的數(shù)據(jù)與擊中信號打包,通過光纖傳輸至后端電子學(xué)。后端電子學(xué)包含一塊數(shù)據(jù)采集模塊(DCM),此模塊負責(zé)匯總前端電子學(xué)的數(shù)據(jù)與擊中信息、將數(shù)據(jù)上傳至上位機并接收上位機控制以及向前端模塊發(fā)送觸發(fā)與時間信息。本論文對該電子學(xué)系統(tǒng)進行了基本性能測試,其電子學(xué)噪聲小于0.35fC、動態(tài)范圍3.2pC、積分非線性不高于0.2%、最低無誤觸發(fā)閾值可設(shè)為1.8fC并且此時各通道的閾值不一致性小于0.2fC、系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸誤碼率小于1×10-12。電子學(xué)指標(biāo)完全符合硅-鎢電磁量能器的需求。接著,本論文搭建了一個具有4層靈敏層的原型機小系統(tǒng),以研究其關(guān)鍵性能。系統(tǒng)總共有256個探測器單元,各單元的系統(tǒng)噪聲小于0.5fC,噪聲水平滿足需求。使用放射源241Am與系統(tǒng)聯(lián)測,其59keV的X射線沉積能量所對應(yīng)的電荷為2.89fC,能量分辨率14.3%,該試驗證明系統(tǒng)對于小信號有足夠的分辨能力。之后使用系統(tǒng)測量宇宙線能譜,得到其宇宙線最小電離粒子(MIP)的形狀與MPV值符合Geant4模擬預(yù)期,各通道MIP的信噪比均高于10,該試驗證明系統(tǒng)可有效的探測MIP信號。接下來進行了多層聯(lián)測,根據(jù)宇宙線在不同靈敏層的擊中位置重建了其入射軌跡。一系列測試證明該原型機的關(guān)鍵指標(biāo)均滿足設(shè)計需求。最后,本論文總結(jié)了 CEPC對于成像型電磁量能器的需求、優(yōu)化后的硅-鎢電磁量能器關(guān)鍵參數(shù)、原型機讀出電子學(xué)的架構(gòu),概括了電子學(xué)各模塊的設(shè)計方案及4層原型機小系統(tǒng)的性能表現(xiàn)。此外,論文提出了一些需要改進的關(guān)鍵點,為后續(xù)工作提出了意見指導(dǎo)。
【圖文】：

邐頂夸克融合逡逑圖１－２生成希格斯粒子的費曼圖［１８］逡逑如圖１－２所示，最常發(fā)生的生成希格斯粒子的反應(yīng)一般認為有以下四種：逡逑■膠子融合［２０］：在大型強子對撞機中，如果兩個質(zhì)子發(fā)生對撞，則有可能兩逡逑個膠子（５）碰撞在一起，，在其碰撞后，經(jīng)過虛夸克圈則可生成希格斯粒子。由于逡逑希格斯粒子與其他粒子的耦合跟粒子的質(zhì)量成正比，因此在ＬＨＣ這種強子對撞逡逑機中，這是主要的生成希格斯粒子反應(yīng)，其發(fā)生概率是其他反應(yīng)的十倍以上。逡逑■希格斯粒子幵致輻射［２１］：如果費米子（／）與反費米子（／）碰撞，例如電子與正逡逑３逡逑

矢量玻色子融合邐頂夸克融合逡逑圖１－２生成希格斯粒子的費曼圖［１８］逡逑如圖１－２所示，最常發(fā)生的生成希格斯粒子的反應(yīng)一般認為有以下四種：逡逑■膠子融合［２０］：在大型強子對撞機中，如果兩個質(zhì)子發(fā)生對撞，則有可能兩逡逑個膠子（５）碰撞在一起，在其碰撞后，經(jīng)過虛夸克圈則可生成希格斯粒子。由于逡逑希格斯粒子與其他粒子的耦合跟粒子的質(zhì)量成正比，因此在ＬＨＣ這種強子對撞逡逑機中，這是主要的生成希格斯粒子反應(yīng)，其發(fā)生概率是其他反應(yīng)的十倍以上。逡逑■希格斯粒子幵致輻射［２１］：如果費米子（／）與反費米子（／）碰撞，例如電子與正逡逑３逡逑
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TM936

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本文編號：2705579