Đồng Văn Thanh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HOC TỰ NHIÊN

Đồng Văn Thanh

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NEUTRON LÊN DETECTOR CDC TRONG THÍ NGHIỆM BELLE 2

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nôi - 2014

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HOC TỰ NHIÊN

Đồng Văn Thanh

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NEUTRON LÊN DETECTOR CDC TRONG THÍ NGHIỆM BELLE 2

Chuyên nghành: Vật lý nguyên tử Mã số: 60440106

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS.Trần Ngọc Tiềm

Hà Nội – 2014

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên em xin chân thành cảm ơn Thầy Trần Ngọc Tiềm đã tạo

điều kiện để em có cơ hội tham gia vào thí nghiệm Belle II và thực hiện đề

tài luận văn Thạc sĩ của mình. Và là người đã tận tình chỉ bảo và giúp đỡ

em trong suốt quá trình thực hiện luận văn.

Em xin gửi lời cảm ơn của mình đến Thầy Makoto Uchida, Thầy Shoji

Uno và Anh Hiroyuki Nakayama đã cho em cơ hội tham gia vào công việc

này và đã nhiệt tình giúp đở để em có thể hoàn thành đề tài của mình. Đặc

biệt là trong suốt thời gian em thực tập ở KEK.

Qua đây em cũng xin gửi lời cảm ơn đến Thầy Cô và các anh, chị và

các bạn đồng nghiệp trong Bộ môn Vật lý hạt nhân, Khoa Vật lý, Trường

Đại học Khoa học tự nhiên – ĐHQGHN đã tạo điều kiện về thời gian và

giúp đỡ em trong quá trình làm luận văn.

Hà Nội, Ngày 4 tháng 1 năm 2014

Sinh viên

Đồng Văn Thanh

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG BIỂU............................................................................ 3

DANH MỤC HÌNH VẼ................................................................................. 4

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT ...................................................................... 7

MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 8

Chương 1 - GIỚI THIỆU CHUNG .............................................................. 10

1.1 Mục đích của thí nghiệm Belle II ........................................................ 10

1.1.2 Vi phạm đối xứng CP và Vật lý B................................................ 13

1.1.2.1 Vi Phạm đối xứng C, P và CP................................................. 13

1.1.2.2 Vi pham đối xứng CP trong hệ Kaon ...................................... 15

1.1.2.3 Pha trộn quark và ma trận CKM ............................................. 17

1.1.2.4 Vi Phạm CP trong hệ B .......................................................... 20

1.2 Máy gia tốc SuperKEKB..................................................................... 24

1.2.1 Máy gia tốc SuperKEKB ............................................................. 24

1.2.2 Luminosity của máy gia tốc SuperKEKB..................................... 26

1.3 Detector Belle II.................................................................................. 28

Chương 2 - PHÔNG DO CHÙM TIA GÂY RA TRONG THÍ NGHIỆM

BELLE II ..................................................................................................... 36

2.1 Các loại phông do chùm tia gây ra. ..................................................... 36

2.2 Bức xạ Synchroton.............................................................................. 37

2.3 Hiệu ứng Touschek ............................................................................. 37

2.3.1 Định nghĩa. .................................................................................. 37

2.3.2 Tốc độ của hiệu ứng Touschek..................................................... 39

2.4 Tán xạ Bhabha .................................................................................... 41

2.4.1. Tán xạ Bhabha ............................................................................ 41

2.4.2 Tiết diện tán xạ Bhabha................................................................ 42

2.5 Tán xạ với không khí. ......................................................................... 42

Nghiên cứu ảnh hưởng của phông neutron lên detector CDC trong thí nghiệm Belle II

Đồng Văn Thanh - 2 –

2.5.1 Tán xạ Coulomb........................................................................... 43

2.5.2 Phát bức xạ hãm........................................................................... 43

2.5.3. Tốc độ tán xạ chùm tia không khí ............................................... 44

Chương 3 - ẢNH HƯỞNG CỦA PHÔNG DO CHÙM TIA GÂY RA LÊN

DETECTOR CDC........................................................................................ 46

3.1 Mô phỏng phông do chùm tia gây ra ................................................... 46

3.2 Ảnh hưởng của phông lên detector CDC............................................. 51

3.2.1 Phông do các hạt tích điện gây ra trong detector .......................... 51

3.2.2 Hệ bảng mạch của detector CDC (Front-End Electronics) ........... 53

3.2.2.1 Ảnh hưởng của tia gamma và hạt mang điện .......................... 54

3.2.2.2 Ảnh hưởng của neutron .......................................................... 57

Chương 4 – XÁC ĐỊNH CÁC VỊ TRÍ SINH NEUTRON VÀ THIẾT KẾ

CHE CHẮN ................................................................................................. 63

4.1 Xác định nguồn gốc của các neutron trên hệ bảng mạch. .................... 63

4.2 Che chắn neutron ................................................................................ 68

KẾT LUẬN.................................................................................................. 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................ 75

PHỤ LỤC .................................................................................................... 77



DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Các kênh có thể quan sát trên thí nghiệm Belle và Belle II, sai số và

so sánh với LHCb [1]………………………………………… 10

Bảng 1.2 Các nghiên cứu về vật lý Bs và Vật lý quark Charm trên Belle II, so

sánh với Belle và LHCb [1]………………………………….. 11

Bảng 1.3 Các thông số chùm tia và Luminosity của máy gia tốc KEKB và

SuperKEKB…………………………………………………… 27

Bảng 4.1 Thông số các loại vật liệu sử dụng che chắn neutron…………... 69



DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Tam giác unitary db ....................................................................... 20

Hình 1.2 Giản đồ Feynman cho sự pha trộn Bd, Bs ....................................... 21

Hình 1.3 Dao động của meson trung hòa 00ss BB ......................................... 23

Hình 1.4 Xác định bất đối xứng A(t) trong thí nghiệm Belle II[12] .............. 24

Hình 1.5 Sơ đồ hệ thống máy gia tốc SuperKEKB ....................................... 25

Hình 1.6 Sơ đồ gia tốc electron và positron trước khi chúng được đưa vào các

vòng lưu trữ.................................................................................................. 26

Hình 1.7 Hình học và chạm của 2 chùm tia, Với góc Φ = 41 mrad. .............. 27

Hình 1.8 Sản phẩm tạo thành sau va chạm e+/e-............................................ 29

Hình 1.9 Detector Belle II ............................................................................ 29

Hình 1.10a Hình ảnh detector Vertex; b, nguyên lý xác định vị trí phân rã của

B meson. ...................................................................................................... 30

Hình 1.11 Detector Pixel .............................................................................. 30

Hình 1.12 Detector DSSD. a, Hình dạng của detector; b, Nguyên lý của

detector DSSD ............................................................................................. 31

Hình 1.13 Detector CDC .............................................................................. 32

Hình 1.14 Bảng mạch của Detector CDC; 1.9a là sơ đồ nguyên lý. 1.9b là một

bảng mạch đã được chế tạo. ......................................................................... 33

Hình 1.15 Detector PID................................................................................ 34

Hình 1.16 Detector ECL............................................................................... 34

Hình 1.17 Detector KLM ............................................................................. 35

Hình 2.1 Các loại phông do chùm tia gây ra. ................................................ 36

Hình 2.2 Bức xạ synchrotron........................................................................ 37

Hình 2.3 Hiệu ứng Touschek........................................................................ 38

Hình 2.4 Kết quả mô phỏng hiệu ứng touchek (3 sự kiện)............................ 38



Hình 2.5 Sự phụ thuộc thời gian sống của chùm tia vào bề rộng của bó hạt. 40

Hình 2.6 Sự phụ thuộc thời gian sống của chùm tia vào chiều dài của bó hạt.

..................................................................................................................... 40

Hình 2.7 Sự phụ thuộc thời gian sống của chùm tia vào năng lượng của chùm

tia. ................................................................................................................ 40

Hình 2.8 Một sự kiện tán xạ Bhabha ............................................................ 41

Hình 2.9 Giãn đồ Feynman cho tán xạ Coulomb (bên trái) và phát bức xạ hãm

(bên phải) ..................................................................................................... 42

Hình 2.10 Electron (positron) phát bức xạ hãm và giảm năng lượng ............ 43

Hình 3.1 Xử lý dữ liệu bằng một chuỗi các module trong Basf2 .................. 46

Hình 3.2 Các vị trí chùm tia bị lệch va vào thành ống nhiều nhất ................. 48

Hình 3.3 Kiến trúc cơ bản của chương trình xây dựng hình học ................... 50

Hình 3.4 Phông do chùm tia gây ra trong detector CDC ở thí nghiệm Belle và

thiết lập cho Belle II với hệ số 20 [15].......................................................... 52

Hình 3.5 Tốc độ đếm phông trong detector CDC ......................................... 53

Hình 3.6 Sơ đồ bố trị hệ bảng mạch của detector CDC................................. 54

Hình 3.7 Hiệu ứng bẫy điện tích trong CMOS làm tăng thế ngưỡng[16] ...... 55

Hình 3.8 Tổng liều chiếu lên hệ bản mạch trong 1 năm................................ 56

Hình 3.9 Sự phụ thuộc của D(E)/Dn(95MeVmb) vào năng lượng [11]

(Displacement damage function) .................................................................. 58

Hình 3.10 Chiếu xạ neutron theo các phương khác nhau lên FPGA và tổng số

sự kiện hư hại không có khả năng phục hồi quan sát được[10]. .................... 59

Hình 3.11 Thông lượng neutron trên các bảng mạch; 3.11a, ảnh hưởng từ

vùng xa và 3.10b, ảnh hưởng từ vùng gần. ................................................... 61

Hình 3.12 Tổng thông lượng neutron trên bảng mạch điện của detector CDC

..................................................................................................................... 61

Hình 4.1 Các điểm sinh neutron trên toàn detector Belle II [9] ..................... 63



Hình 4.2 Minh họa việc lưu dữ liệu trong quá trình mô phỏng ..................... 65

Hình 4.3 Sơ đồ minh họa việc sử dụng RelationIndex để kết nối các mảng dữ

liệu và truy nhập vào các mảng dữ liệu......................................................... 65

Hình 4.4 Sơ đồ xử lý dữ liệu sử dụng module CDCBKg .............................. 66

Hình 4.5 Nguồn gốc của neutron ảnh hưởng đến bảng mạch của detector CDC

..................................................................................................................... 68

Hình 4.6 Sơ đồ detector Belle II. .................................................................. 69

Hình 4.6 Hình học che chắn cho hệ các bảng mạch. ..................................... 70

Hình 4.7 Kết quả thông lượng neutron trên các bảng mạch sau khi che chắn

bằng các vật liệu khác nhau. ......................................................................... 71



DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

Viết tắt Giải thích

Basf2 Belle II Analysis FrameWork: Phần mềm dùng

cho thí nghiệm Belle II.

CDC Central Drift Chamber : Buồng trôi trung tâm,

hay còn gọi là Detector CDC

CDC hit rate Tốc độ đếm phông trong detector CDC

DSSD Double-side Silicon Strip Detector: là detector

Silcon, gồm nhiều dải điện cực ở hai mặt.

ECL ElectroMagnetic Calorimeter : Là Calorimeter

điện từ

HER High Energy Ring : Vòng lưu trữ năng lượng cao,

dành cho chùm positron, E = 7GeV

KLM K-Long and Muyon Detector: là detector dùng để

đo K-long và Muyon.

LER Low Energy Ring : Vòng lưu trữ năng lượng thấp,

dành cho chùm electron, E=4GeV

Luminosity Độ sáng.

PID Particle Identify Detector: là Deetector dùng để

phân biệt hạt.

RBB Radiation Bhabha: Bức xạ Bhabha

SuperKEKB Máy gia tốc SuperKEKB

Touschek Là hiệu ứng Touschek



MỞ ĐẦU

Các quy luật chính của vũ trụ là gì? Quy luật nào chi phối tương tác giữa

chúng? Đó là các câu hỏi mà các nhà vật lý lý thuyết và thực nghiệm về vật lý

hạt cơ bản đã và đang miệt mài nghiên cứu để tìm câu trả lời trong suốt thế kỷ

qua, và trong khoảng 30 năm qua họ đã xây dựng nên mô hình chuẩn của các

hạt nguyên tố[11]. Tuy nhiên vẫn còn nhiều điều mà mô hình chuẩn chưa

hoàn toàn thỏa mãn. Vì thế hiện nay các nhà vật lý thực nghiệm vẫn đang

ngày đêm miệt mài thực hiện các thí nghiệm trong lĩnh vực hạt cơ bản để tìm

ra các bí ẩn chưa được phát hiện và kiểm chứng một số lý thuyết trong mô

hình chuẩn.

Trong số những thí nghiệm tiên phong của vật lý hạt cơ bản ta phải kể

đến thí nghiệm Belle ở trung tâm nghiên cứu vật lý năng lượng cao nhật bản

(KEK). Thí nghiệm này được thực hiện bởi hơn 400 nhà khoa học và kĩ sư

đến từ nhiều quốc gia khác nhau. Mục đích chính của thí nghiệm Belle là

nghiên cứu vi phạm đối xứng CP và các quá trình vật lý liên quan đến meson

B. Thí nghiệm Belle kết thúc năm 2010 để nâng cấp lên thành thí nghiệm

Belle II với Luminosity cao hơn 40 lần với mục tiêu nghiên cứu các quá trình

vật lý cần thống kê lớn như là các phân rã hiếm.

Thí nghiệm Belle II với Luminosity cao sẽ dẫn đến phông do chùm tia

gây ra sẽ cao hơn thí nghiệm Belle 10 đến 20 lần. Việc nghiên cứu và thiết lập

ảnh hưởng của phông lên từng detector trong hệ detector là hết sức cần thiết

trước khi thí nghiệm đi vào hoạt động năm 2015. Trong thí nghiệm này nhóm

Vật lý năng lượng cao của Việt Nam sẽ góp phần trong việc xây dựng

detector CDC. Vì thế tôi chọn đề tài nghiên cứu của mình là “Nghiên cứu

ảnh hưởng của neutron lên detector CDC trong thí nghiệm Belle II”.



Luận văn có mục đích là nghiên cứu ảnh hưởng của phông do chùm tia

gây ra lên detector CDC, đặc biệt là ảnh hưởng của neutron lên hệ điện tử xử

lý tín hiệu. Luận văn được trình bày với bố cục như sau:

Chương 1: Giới thiệu về thí nghiệm Belle II

Chương 2: Các loại phông do chùm tia gây ra.

Chương 3: Các tính toán về ảnh hưởng của phông do chùm tia gây ra lên

detector CDC.

Chương 4: Xác định nguồn gốc các neutron trên hệ điện tử và thiết kế

che chắn.



Chương 1 - GIỚI THIỆU CHUNG

Thí nghiệm Belle II được nâng cấp từ thí nghiệm Belle là một trong

nhưng thí nghiệm tiên phong trong lĩnh vực Vật lý năng lượng cao trên thế

giới.

1.1 Mục đích của thí nghiệm Belle II

Mô hình chuẩn của các hạt nguyên tố (Standard Model) được hình thành

từ những năm 70 của thế kỷ XX, là lý thuyết mô tả các hạt cơ bản và tương

tác giữa chúng. Trải qua hơn 40 năm mô hình chuẩn đã được chứng minh

bằng nhiều kết quả thực nghiệm chính xác. Tuy nhiên vẫn còn một vài lý do

khiến cho mô hình chuẩn vẫn chưa hoàn toàn thỏa mãn để trở thành lý thuyết

của các hạt cơ bản. Đầu tiên là nó chứa quá nhiều tham số tự do, ví dụ như là

khối lượng và sự pha trộn giữa các quark và lepton đều không biết. Thứ bậc

khối lượng của các quark và lepton, ma trận của sự pha trộn giữa các quark

(flavor mixing matrices) cái mà được cho là có các cơ chế ẩn xuất hiện ở

thang năng lượng cao bao trùm các thành phần của chúng. Thứ hai là sự bất

đối xứng về vật chất - phản vật chất trong vũ trụ không thể giải thích duy

nhất bằng vi phạm đối xứng CP trong mô hình chuẩn. Những lý do này khiến

cho các nhà vật lý tin rằng vẫn còn các hiện tượng vật lý chưa được khám phá

ở thang năng lượng ~TeV [11].

Cách trực tiếp nhất để khám phá các yếu tố vật lý mới này là xây dựng

các máy gia tốc năng lượng cao (~ TeV) như máy gia tốc LHC (Large Hardon

Collider) ở trung tâm nghiên cứu hạt nhân châu Âu (CERN) hay là máy gia

tốc tương lai ILC (International Linear Collider). Thực hiện các va chạm ở

năng lượng cỡ TeV, các hạt có khối lượng lớn sẽ được tạo thành. Tuy nhiên

đây không phải là cách duy nhất để tìm kiếm các hiện tượng vật lý mới, trên

thực tế trước khi tìm ra quark Charm sự tồn tại của nó đã được đề xuất để giải



thích sự thay đổi số lạ của các dòng trung hòa (cơ chế GIM Glashow-

Illiopolous-Maiani). Thế hệ quark thứ ba được dự đoán bởi Kobayashi và

Maskawa để giải thích vi phạm nhỏ đối xứng CP đã tìm thấy trong sự pha

trộn Kaon trung hòa[11]. Vì thế hiện nay ngoài việc xây dựng các máy gia tốc

lớn thì hướng nghiên cứu khác là nghiên cứu các phân rã hiếm (các phân rã

với xác suất cực nhỏ) sau đó so sánh các kết quả thực nghiệm với các dự đoán

trong mô hình chuẩn (SM) để tìm kiếm sự sai lệch. Vì các quá trình của các

phân rã hiếm thường rất nhạy với các hiện tượng, quy luật vật lý mới, và các

sự sai lệch với mô hình chuẩn có thể giúp cho chúng ta giới hạn các tham số

trong một lý thuyết mới. Các hướng nghiên cứu của các phân rã hiếm là các

meson nặng như B0, D0, …hay là các baryon nặng, thông thường là các meson

nặng bởi vì việc tiến hành thực nghiệm và tính toán lý thuyết dễ dàng hơn.

Thí nghiệm Belle được thực hiện với mục đích chính là nghiên cứu vi

phạm đối xứng CP trong phân rã của meson B. Điều này đã đạt được vào năm

2001 (cùng lúc với thì nghiệm BaBar) bằng việc đo sự bất đối xứng CP phụ

thuộc thời gian trong phân rã 000 /)( sKJBB [11]. thí nghiệm đã chứng minh

cơ chế Kobayashi-Maskawa là chính xác, và nó đã trở thành một phần của mô

hình chuẩn.

Thí nghiệm Belle cũng chứng minh khả năng có thể quan sát một số

kênh phân rả của meson B và chính xác hóa các yếu tố của ma trận CKM

(Cabbibo-Kobayashi-Maskawa) và các quan sát khác. Ví dụ như là đo chính

xác góc Φ1 của tam giác unitarity ở mức 10% qua phân rã bất đối xứng phụ

thuộc thời gian 00 / sKJB ; bất đối xứng CP cũng được quan sát trong phân

rã 0B ,từ đó có thể chính xác góc Φ2 ; và góc Φ3

cũng có thể được đo

qua quá trình DKB và D ; quá trình bán lepton FCNC lKlB ,

llKB * và thậm chí với cả quá trình llXB s cũng được quan sát. Hơn

nữa gần đây sự không thống nhất khi quan sát góc Φ1 trong quá trình penguin



Bảng 1.1 : Các kênh có thể quan sát trên thí nghiệm Belle và Belle II, sai

số và so sánh với LHCb[4]

0sKB và giá trị chính xác trong 00 / sKJB dẫn đến đề xuất tồn tại quá

trình vật lý mới trong phân rã qsqb [10]. Bằng cách tập trung thêm nhiều

quan sát nữa để tìm ra các quá trình mới, và một khi sự tồn tại của nó được

chứng minh thì các phép đo sẽ xác định các tính chất của nó. Đây là một trong



những lý do mà KEKB được nâng cấp thành superKEKB với luminosity cao

hơn 40 lần và Belle thành Belle II. Bảng 2.1 là tóm tắt những kênh nghiên có

khả năng nghiên cứu trên ở Belle II.

Bảng 1.2: Các nghiên cứu về vật lý Bs và vật lý quark Charm trên Belle

II, so sánh với Belle và LHCb[10].

1.1.2 Vi phạm đối xứng CP và Vật lý B

1.1.2.1 Vi Phạm đối xứng C, P và CP

Đối xứng P: (Parity) là đối xứng chẵn lẻ hay là phản xạ không gian. Qua

phép biến đổi này thì vector tọa độ của hạt bị đổi chiều, khi tác dụng lên hàm

sóng của hạt thì ta có Pψ(x,t)= paψ(-x,t), trong đó pa là trị riêng của tóa tử cho

hạt a. Giá trị khả dĩ của pa là -1,+1.

Đối xứng P được chứng mình là bảo toàn trong tương tác điện từ và

trong tương tác mạnh, nhưng đến những năm 50 của thế kỉ 20, khi người ta



tìm thấy hai hạt lạ θ và τ (không phải là lepton τ ngày nay) có khối lượng và

thời gian sống gần như nhau mà sau này ta biết đó là hạt kaon, hai hạt lạ này

phân rã theo hai kênh khác. Hạt θ phân rã thành 2π có chẵn lẻ là P(2 π) = (-1)2

và hạt τ phân rã thành 3 π, có chẵn lẽ là P(3π)=(-1)3 (vì P(π)=-1). Nếu hai hạt

này là một thì quá trình trên sẽ vi phạm đối xứng P. Nếu hai hạt này khác

nhau và có chẵn lẽ tương ứng là +1,-1 thì quá trình trên bảo toàn đối xứng P.

Đến năm 1956 Lý Chính Đạo và Dương Chấn Ninh nhận xét rằng đối

xứng P đã được thực nghiệm chứng minh bảo toàn trong tương tác mạnh và

tương tác điện từ nhưng vẫn chưa được chứng minh cho tương tác yếu. Vì thế

hai ông đã đề xuất nghiên cứu các quá trình tương tác yếu để chứng tỏ vi

phạm P có thể xãy ra hay không. Và thí nghiệm đã được thực hiện bởi Chien-

Shiung Wu cùng năm đó tại đại học Columbia. Trong thí nghiệm này bà Wu

đã quan sát thấy sự bất đối xứng trong phân bố góc bay ra của electron từ

nguồn Cobalt, electron phát ra theo phương phân cực của Colbalt nhiều hơn

[14]. Nghĩa là giá trị trung bình của tích moment của electron và spin hạt nhân

Cobalt <JCo.Pe> khác không. Nhưng với toán tử P ta có

P(JCo.Pe) = - JCo.Pe. (1.1)

Ta thấy rằng P chỉ bất biến khi <JCo.Pe> bằng không. Vì vậy mà đối

xứng P bị vi phạm.

Liên hợp điện tích C: Phép lấy liên hợp điện tích (Charge Conjunction).

Qua phép biến đổi C thì hạt sẽ biến thành phản hạt và ngược lại và giử

nguyên các đại lượng động học như xung lượng, spin còn các đại lượng như

điện tích Q, số lạ S, số lepton L, và số baryon B sẽ bị biến đổi. Nếu trạng thái

được viết |A,p,s…> thì ta có ...,,...,, spAspAC , A là liên hợp của A.

Đối xứng liên hợp điện tích (C) được chứng minh bảo toàn trong tương

tác điện từ và trong tương tác mạnh nhưng lại bị vi pham trong tương tác yếu.



Khi xem xét phép lấy liên hợp điện tích lên neutrino quay trái ta được phản

neutrino quay trái. Tuy nhiên trạng thái này lại không tồn tại trong tự nhiên.

LLC (1.2)

Tuy đối xứng C và đối xứng P bị vi phạm riêng rẽ nhưng khi tác dụng

đồng thời C và P lên hệ trên ta lại có được một hệ đúng.

RLCP (1.3)

Đối xứng CP còn liên quan trực tiếp đến sự bất đối xứng về vật chất và

phản vật chất trong vũ trụ. Các nhà khoa học đã kỳ vọng đây là một đối xứng

hoàn hảo nhưng đến năm 1964 lần đầu tiên các nhà khoa học J.H. Chrisrenson,

J.W.Cronin, V.LFitch và R.Turlay đã phát hiện ra đối xứng CP bị vi phạm

trong phân rã của Kaon trung hòa[12].

1.1.2.2 Vi pham đối xứng CP trong hệ Kaon

Meson K0 và phản hạt của nó 0K có số lạ tương ứng là S =1 và S=-1, với

cấu trúc quark sdK 0 và sdK 0 (quark s có số lạ Ss =1). Kaon là hạt không

bền nhưng do chúng là những meson nhẹ nhất nên không thể phân rã thông

qua tương tác mạnh bảo toàn số lạ mà chỉ có thể phân rã thông qua tương tác

yếu trong đó số lạ không bảo toàn. Người ta quan sát thấy một số kênh phân

rã chung của hai hạt này như:

0

0

K

K Và

000

000

K

K (1.4)

Trạng thái riêng CP của K10 và K2

0

Cho đến khi phát hiện ra vi pham CP sau này thì tương tác yếu vi phạm

đối xứng chẵn lẻ và liên hợp điện tích nhưng vẫn bất biến trong phép biến đổi

CP. Vì vậy ta giả thiết rằng tương tác yếu là trạng thái riêng của CP, không

phải là trạng thái riêng của số lạ. Meson K0 và phản hạt của nó 0K là trạng



thái riêng của số lạ nhưng không phải là trạng thái riêng của CP. Ta có thể

thấy như sau:

00 KKCP và 00 KKCP (1.5)

Nhưng hai tổ hợp của chúng lại là trạng thái riêng của CP

000

12

1KKK

và

000

22

1KKK (1.6)

Nghĩa là : 01

01 KKCP và 0

202 KKCP

Khi khảo sát phân rã của hai trạng thái riêng này theo kênh 2π và 3π ta

thấy CP(π,π) =+1 và CP(π,π,π) = -1 như vậy trong phân rã tương tác yếu bảo

toàn CP thì trạng thái riêng K10 phải phân rã thành 2π và trạng thái riêng K0

2

phải phân rã thành 3π. Vì giá trị Q phân rã cho trạng thái 2π lớn hơn trạng thái

3π nên không gian pha sẽ nhiều hơn, Vì thế tốc độ phân rã của K1 → 2π lớn

hơn tốc độ phân rã của K2 thành 3π.

Trong quá trình thực nghiệm nghiên cứu sự phân rã của K0 và 0K , người

ta thấy tồn tại hai trạng thái kaon trung hòa có khối lượng như nhau nhưng

thời gian sống hoàn toàn khác nhau. Hạt thứ nhất mạng tên 0sK (Kaon zero

short) có thời gian sống ngắn cở 10-10s và phân rã thành 2π và hạt thứ hai 0LK

có thời gian sống dài hơn cở 10-8s và phân rã thành 3 π hoặc bán lepton.

Như đã nói ở trên các hạt K1 và hạt K2 sẽ có kiểu phân rã khác nhau, tuy

nhiên trong thí nghiệm được thực hiện năm 1964[12] khi quan sát việc phân

rã của chùm Kaon trung hòa, với detector được đặt cách vị trí tạo ra chùm tia

một khoảng xa đủ để các hạt K1 thời gian sống ngắn phân rã hết, người ta đã

quan sát thấy một số hạt K2 phân rã thành 2pion như hạt K1, để giải thích hiện

tượng này người ta đưa ra giả thuyết các hạt Ks và KL là sự pha trộn của K1 và

K2.



02

01

2

0

1

1KKK s

và 0

201

2

0

1

1KKK L

(1.7)

Với là tham số phức rất nhỏ, xác định mức độ vi phạm đối xứng CP

sinh ra bởi pha trộn trạng thái Kaon. Vi phạm CP được biểu diễn theo tỉ số

biên độ như sau [12]:

)exp(0

0

iKT

KT

s

L

và )exp( 0000000

000

00 iKT

KT

s

L

(1.8)

Các giá trị của , 00 , và , 00 đều đã được xác định.

Thành phần K1 trong KL sẽ phân rã thành 2π theo xác suất:

2

2

2

1

(1.9)

Giá trị thực nghiệm cho thấy 310)014.0284.2( .

Vi phạm đối xứng CP cũng được phát hiện trong hệ Kaon ở kênh phân rã

bán lepton theo hai kênh phân rã có CP khác nhau như sau:

e

eL

e

eK (1.10)

1.1.2.3 Pha trộn quark và ma trận CKM

Vật chất được cấu tạo từ 6 lepton và 6 quark, chúng được ghép thành các

cặp theo từng thế hệ như sau :

Lepton

e

e

Quark

d

u

s

c

b

t

Trong đó các lepton chỉ tham gia tương tác yếu, còn quark thì tham cả

tương tác yếu và tương tác mạnh. Đối với quark thì trạng thái riêng tương tác

yếu không đồng nhất với trạng thái riêng tương tác mạnh. Năm 1963 Cabibo

đã đề xuất rằng trạng thái riêng của tương tác yếu là tổ hợp của các trạng thái



riêng của tương tác mạnh. Vì vậy trong tương tác yếu trạng thái riêng của các

quark (d,s,b) được thay bằng (d’,s’,b’). Trong đó (d’,s’,b’) là tổ hợp của các

quark d,s,b.

Khi đề xuất ra ý tưởng này ở giai đoạn đầu thì các nhà khoa học chỉ mới

phát hiện được 3 quark là u,d,s. Trong trạng thái riêng tương tác yếu thì chúng

được tổ hợp từ hai trạng thái riêng tương tác mạnh là d và s, và ghép chúng

vào một bộ đôi :

CC sd

u

d

u

sincos'

Góc θC được gọi là góc Cabibbo.

Đến năm 1970 Glashow, Iliopoulos và Maiami đề xuất đưa thêm một

quark mới là quark Charm. Vì thế chúng ta có hai cặp là

CC sd

u

d

u

sincos' và

CC ds

c

s

c

sincos'

Và chúng được viết dưới dạng mà trận như sau :

s

d

s

d

CC

CC

cossin

sincos'

'

Bởi vì vi phạm đối xứng CP chỉ xảy ra khi ma trận pha trộn là phức.

Điều này hoàn toàn không thể với mà trận 2x2 ở trên. Các phần tử đều là thực.

vì thế đến năm 1973 Kobayashi và Maskawa đã đề xuất đưa thêm một thế hệ

quark thứ 3 vào. Ma trận pha trộn quark được biểu diễn như sau :

b

s

d

VVV

VVV

VVV

b

sd

tbtstd

cbcscd

ubusud

'

'

'

Trong đó các phần tử ma trận thể hiện liên kết giữa các quark. Ví dụ Vud

(=cosθC) thể hiện liên kết quark u và d trong chuyễn dời Wud được

tính dựa vào việc so sánh tốc độ phân rã beta của hạt nhân và của muyon. Vus



được xác định từ phân rã bán lepton của hạt lạ (Kaon và Hyperon), chính là

sinθC. Vub có được đo từ phân rã bán lepton của meson B,.... Sự chuyển dịch

gây bởi tương tác yếu giữa các quark trong một thế hệ có vai trò quan trọng

hơn sự chuyển dịch giữa các thế hệ khác nhau.

Các giá trị của ma trận V đều không được dự đoán hay tinh toán mà phải

đo từ thực nghiệm. Để thuận lợi người ta tham số hóa ma trận V, có nhiều

cách số tham số hóa ma trận CKM, nhưng có một cách hay được sử dụng là

phương pháp được Wolfenstein. Theo phương pháp tham số hóa này số lượng

tham số tự do được giảm xuống chỉ phụ thuộc vào 3 tham số nữa là: η, ρ và

A. Ma trận được biểu diễn như khai triển theo hàm đa thức của tham số λ như

sau đến gần đúng bậc )( 4 :

)(

11

2/1

2/14

23

22

32

AiA

A

iA

V

Trong đó : λ = sinθc = 0.224±0.012

Muốn chứng minh CP bị vi phạm thì phải chứng minh rằng ma trận

CKM là ma trận phức. Như ta thấy trong cách tham số hóa ở trên với gần

đúng bậc 4 thì chỉ có hai thừa số phức. Vì vậy ta phải tìm chúng.

Chúng ta sử dụng tính chất Unitary của ma trận V, nghĩa là V+V=1. Tích

hai ma trận trên cho ta 9 phương trình trong đó có 6 phương trình có vế phải

bằng 0. Vì mỗi phương trình là một phương trình phức có 3 thừa số nên sẽ tạo

thành một tam giác. Nếu tam giác này không bị suy biến thành một đoạn

thẳng thì nghĩa là các hệ số của V là phức. Trong 6 tam giác này có hai tam

giác db và ut là các cạnh có cùng bậc độ dài nên thường được sử dụng để

kiểm tra vi phạm đối xứng CP. 4 tam giác còn lại có một cạnh dài hơn rất

nhiều hai cạnh kia nên rất khó quan sát trong thực tế. Tam giác ut liên quan

đến sự chuyển dời từ quark t và quark u về các quark khác. Mà thực nghiệm



về quark t hiện nay vân còn rất khó khăn, dữ liệu tạo ra còn rất ít nên tam giác

db được quan tâm nhiều hơn cả. Tam giác db liên quan đến các quá trình

chuyển dời của quark b và d, và có phương trình như sau :

0*** tbtdcbcdubud VVVVVV (db)

Hình 1.1 Tam giác unitary db

1.1.2.4 Vi Phạm CP trong hệ B

Như đã nói ở trên tam giác unitary db liên quan đến các dịch chuyển của

các quark d và b về các quark khác. Vì thế việc nghiện cứu vi phạm CP trong

hệ B meson (được cấu tạo từ quark b) là vô cùng quan trọng.

Meson B được phát hiện năm 1980 ở CESR (USA) [12]. Meson B được

cấu tạo từ quark b (quark bottom) và một quark khác như u, d, b, s, t, c. Tuy

nhiên lượng meson tạo bởi quark b và t (top) được tạo ra còn rất ít, có hai loại

meson B là meson B trung hòa gồm: )(0 bsBs và )(0 bdBd . Meson B tích điện

như : )( buB và )( bcBc .

Meson B trong thực nghiệm được tạo ra bằng cách tạo ra hạt upsilon

Υ(4s), sau đó hạt này sẽ phân rã thành meson B và phản hạt của nó B , B

meson có thời gian sống rất ngắn ~ps nên phân rã rất nhanh.

Khác với kaon các trạng thái riêng khối lượng của meson B có thời gian

sống gần như nhau, khác nhau rất ít. Trong khi đó đối với kaon thì hai trạng

thái này có thời gian sống khác nhau đến 3 bậc (10-8 và 10-11) vì thế trong thực



nghiệm người ta để cho trạng thái thời gian sống ngắn phân rã hết sau đó

nghiên cứu phân rã của trạng thái sau về hai trạng thái có CP khác nhau

( 0K và 0K ). Còn đối với meson B thì vi pham CP được

nghiên cứu dựa vào sự khác nhau trong tốc độ phân rã của hai trạng thái về

cùng một trạng thái :

fBRfBR 00

Từ sự khác biệt này ta có thể xác định được mức độ vi phạm CP và qua

đó ta xác định một số đặc trưng của tam giác unitary db.

Hệ Meson B trung hòa và dao động 00 BB

Việc biến đổi của một meson trung hòa thành phản hạt của nó và ngược

lại được gọi là sự dao động hay là sự pha trộn. Dao động của meson trung hòa

lần đầu tiên được đề xuất bởi Gell-Mann và Pais vào năm 1955 cho hệ kaon

trung hòa, 00 KK [5]. Ngay sau đó hai trạng thái riêng của tương tác yếu là

Ks và KL đã được tìm thấy bởi Ledermann và các đồng nghiệp[5].

Năm 1987 sự pha trộn của meson Bd đã được quan sát ở thí nghiệm

ARGUS ở DESY [12]. Hình 1.2 là giản đồ Feynman cho sự pha trộn của

meson B0d,s.

Hình 1.2 Giản đồ Feynman cho sự pha trộn Bd, Bs

Một cặp B0 và

0B ban đầu được tạo ra trong trạng thái riêng flavor (trạng

thái riêng của khối lượng), tiến triển vào một sự chồng chập của B0 và

0B .

Việc biến đổi của hệ theo thời gian được đưa ra bằng phương trình

Schrodinger như sau:



0

0

0

0

2 B

BiM

B

B

dt

di

Trong đó M và Γ là các ma trận toán tử Hermit độc lập thời gian. Bởi vì

theo nguyên lý bất biến CPT thì:

M=M11=M22 và Γ=Γ11=Γ22

Nghĩa là B0 và phản hạt của nó có cùng khối lượng và thời gian phân rã.

Nhưng các phần tử không thuộc đường chéo thì không bằng không, trạng thái

riêng của tương tác yếu và trạng thái riêng của khối lượng thì khác nhau. Các

trạng thái riêng của khối lượng là chồng chập của các trạng thái riêng tương

tác yếu như sau:

00 BqBpBL

00 BqBpBH

Trong đo BL là trạng thái nhẹ hơn còn BH là trạng thái nặng hơn. Và

122 qp . Trạng thái riêng khối lượng phụ thuộc thời gian có dạng như sau:

LLLL BtiMtB 2/exp)(

HLLH BtiMtB 2/exp)(

Ta có thể viết lại cho trạng thái riêng của tương tác yếu như sau :

HHHLLL BtiMBtiMp

tB 2/exp2/exp2

1)(0

HHHLLL BtiMBtiMp

tB 2/exp2/exp2

1)(

0

Sử dụng hàm:

)2/exp()exp()2/exp()exp(2

1)( ttiMttiMtg HHLL

Và khối lượng trung bình, thời gian sống trung bình, sự khác nhau về

khối lượng, sự khác nhau về thời gian sống sau:



112

MMM

m LH

và 112

LH

LH MMm và LH

Các trạng thái riêng khối lượng có thể biểu diễn trong các trạng thái riêng

flavor như sau:

000 )()()( Btgp

qBtgtB

000)()()( BtgBtg

q

ptB

Tìm các trị riêng dẫn đến

2/

2/

12

*12

*2

12

12

iM

iM

p

q

Nếu CP được bảo toàn thì mối quan hệ của các pha giữa M12 và Γ12 sẽ

biến mất và tỉ số |q/p|=1. Còn nếu CP bị vi pham thì nó sẽ khác 1. Tỉ số |p/q|

có thể đo trực tiếp qua bất đối xứng

Tần số dao động được xác định từ việc đo sự phát triển theo thời gian của

số sự kiện giao động và số hạt không dao động như sau:

)cos()()(

)()()( mt

tNtN

tNtNtA

ôscilnonôscil

ôscilnonôscil

Trong đó Noscil(t) là số hạt dao động, chuyển từ 00 BB , 00

BB và

Nnon-osci(t) là số hạt không dao động 00 BB và 00

BB . Hình 1.3 minh họa

sự dao động của Bs .

Hình 1.3 Dao động của meson trung hòa 00ss BB



Trên thực tế chúng ta không thể đo được số hạt dao động và số hạt không

dao động mà ta quan sát được các kênh phân rã của chúng, đặc biệt khi

nghiên cứu vi phạm CP chúng ra xác định tốc độ phân rã của chúng về một

kênh chung là sKJ / . Quá trình pha trộn sẽ mang hai lần pha của phần tử ma

trận Vtd vào biên độ phân rã. Ta có 2arg2 * tbtdVV ; β chính là một trong 3 góc

của tam giác unitary db. Và được xác định như sau [12]:

)sin()2sin(/)(/)(

/)(/)()(

00

00

tmKJtBKJtB

KJtBKJtBtA d

ss

ss

Kết quả thu được từ thực nghiệm cho thấy sin(2β)=0.678±0.026. Điều

này có nghĩa là tam giác unita db không bị suy biến. Hình 1.4 là kết quả thu

được từ thí nghiêm Belle[12].

Hình 1.4 Xác định bất đối xứng A(t) trong thí nghiệm Belle II[12]

1.2 Máy gia tốc SuperKEKB.

1.2.1 Máy gia tốc SuperKEKB

Máy gia tốc SuperKEKB hay còn gọi là nhà máy B (B-Factory), là hệ

thống máy gia tốc ở KEK dùng để tạo ra meson B cho thí nghiệm Belle II. B

meson được tao ra bằng cách cho va chạm đối đầu hai chum electron và

positron ở năng lượng vùng cộng hưởng khối lượng 4s của hạt upsilon Y ( bb ).

Trong thí nghiệm chùm electron và positron được gia tốc trong hệ thống máy



gia tốc Linac sau đó được đưa và các vòng lưu trữ (Storage Ring) rồi cho và

chạm với nhau. Vòng lưu trữ cho chùm electron với năng lượng (7GeV) (lớn

hơn năng lượng Positron) được gọi là vòng năng lượng cao (High Energy

Ring), được viết tắt là HER, và Vòng lưu trữ cho positron với năng lượng

thấp hơn electron (4GeV) được gọi là vòng năng lượng thấp (Low Energy

Ring) thường được viết tắt là LER. Hình 1.5 là sơ đồ hệ thống máy gia tốc

SuperKEKB.

Hình 1.5 Sơ đồ hệ thống máy gia tốc SuperKEKB [10]

Hình 1.6 là cơ chế tạo ra và gia tốc chùm electron và positron trước khi 2

chùm tia này được đưa vào các vòng lưu trữ. Chùm electron được phát ra từ

một súng phóng electron sau đó được gia tốc trong hệ thống mấy gia tốc A, B

và C, ở máy gia tốc 1, chùm electron được lái đi vòng để tránh bia positron

sau đó tiếp tục được gia tốc trong các máy gia tốc 2, 3, 4 và 5 để đạt năng

lượng 7 GeV sau đó được đưa vào vòng lưu trữ năng lượng cao HER (High

Energy Ring). Chùm positron cũng được tạo ra trên hệ thống trên bằng cách



sau khi electron được gia tốc ở máy gia tốc A,B và C thì chùm electron người

ta cho bắn phá vào một bia Wolfram để tạo ra positron, sau đó positron được

thu gom lại và cho đi vào hệ thống Damping ring để giảm kích thước của

chùm tia sau chúng được đưa vào gia tốc trên hệ thống máy gia tốc linac 1, 2,

3, 4 và 5 để đạt năng lượng 4Gev rồi được đưa vào vòng lưu trữ năng lượng

thấp LER (Low Energy Ring). Chùm electron và positron sau đó được cho va

chạm với nhau.

Hình 1.6 Sơ đồ gia tốc electron và positron trước khi chúng được đưa vào các

vòng lưu trữ [10]

1.2.2 Luminosity của máy gia tốc SuperKEKB

Trong thí nghiệm vật lý hạt cơ bản, các hạt thường được tạo ra bằng cách

cho va chạm đối đầu hai chùm tia với nhau. Xác suất tạo ra sản phẩm của quá

trình va chạm phụ thuộc vào tiết diện vi phân, cường độ, kích thước của chùm

tia, và hình học va chạm. Ngoại trừ tiết diện vi phân thì các tham số còn lại

được gộp chung vào và được gọi là Luminosity vì vậy suất ra của phản ứng sẽ

là:

P = L .σ (1.2.1)



Trong đó P là suất ra của phản ứng, L là Luminosity và σ là tiết diện vi

phân của phản ứng.

Trong thí nghiệm Belle II chùm tia được cho va chạm chéo từng bó với

nhau theo hình học như hình 1.7.

Hình 1.7 Hình học và chạm của 2 chùm tia, Với góc Φ = 41 mrad.

Với hình học như thế này thì Luminosity được tính theo công thức sau:

y

L

y

y

e R

RI

erL

*2

(1.2.2)

Trong đó γ, e, re là hệ số Lorentz, điện tích và bán kính cổ điển của

electron. Kí hiệu ± để chỉ positron (+) hay electron (-). Các tham số RL và Rξy

là hệ số suy giảm của Luminosity và kích thước bề ngang của 2 chùm tia khì

lồng vào nhau, nó tăng theo góc vao chạm. Tỉ số của các tham số này thì

thường không đồng nhất. Vì vậy Luminosity chủ yếu được xác định bằng 3

tham số chính là cườn độ dòng (I (A)), bề rộng 2 chùm tia khi va chạm ξy và

giá trị của hàm beta tại điểm tương tác (β*y). Giá trị của 3 tham số này, năng

lượng của chùm tia và Luminosity được đưa ra ở bảng 1.3 cung với máy gia

tốc hiện tại KEKB. Đối với giá trị ξy ở KEKB là 0.9 thì giá trị này ở

SuperKEKB nhỏ hơn 20 lần, Cùng với cường độ dòng tăng gấp đôi so với

KEKB thì Luminosity của SuperKEKB là, 8.0 x 1035cm-2s-1.



Bảng 1.3 : Các thông số chùm tia và Luminosity của máy gia tốc KEKB

và SuperKEKB.

KEKB SuperKEKB

Energy (GeV) LER/HER 3.5/8.0 4.0/7.0

ξy 0.129/0.090 0.090/0.088

β*y (mm) 5.9/5.9 0.27/0.41

I(A) 1.64/1.19 3.6/2.62

Luminosity (1034cm-2s-1) 2.11 80

Sau khi nâng cấp Luminosity thiết kế của máy gia tốc SuperKEKB ước

tính tăng khoảng 40 lần so với máy gia tốc hiện tại KEKB. Lượng B meson

được tạo ra vì thế cũng sẽ tăng lên 40 lần.

1.3 Detector Belle II

Khi electron và positron va chạm với nhau, hạt upsilon Y( bb ) được tạo

thành, hạt này có thời gian sống ngắn ~1.21×10−20 s, phân rã ngay lập tức

thành cặp thành meson B và meson B ( là phản hạt của B ). Các meson B ( B )

có thời gian sống ngắn cỡ pico giây (10-12s), Sau đó phân rã thành các hạt

khác như π (pion), Κ(kaon) μ(muyon)… Detector Belle II được thiết kế để

ghi nhận các hạt này sau đó xây dựng lại hạt B và B . Đặc biệt vì B và B

meson có thời gian phân rã ngắn nên khoảng cách từ điểm tương tác đến điếm

nó phân rã rât ngắn, ở thí nghiệm Belle II là khoảng 500μm. Độ phân giải

giữa hạt và phản hạt chỉ khoảng 200 μm, xem hình 1.8. Nên Detector được

thiết kế để xác định chính xác các điểm phân rã này đến độ phân giả cở μm.



Hình 1.8 Sản phẩm tạo thành sau va chạm e+/e-

Hình 1.9 Detector Belle II

Hình 1.9 là detector Belle II. Detector có cấu hình 4π bao bọc xung

quanh vùng xảy ra va chạm để có thể ghi nhận các hạt. Ở vùng này đường

ống gia tốc được thiết kết nhỏ, đường kính 1cm, và làm bằng Beryllium để

tránh hấp thụ một số hạt năng lượng thấp. Chi tiết các detector như sau:



a. Detector Vertex.

Detector Vertex nằm ở trong cùng, có nhiệm vụ xác định chính xác tọa

độ điểm phân rã của meson B. Nó bao gồm 6 lớp detector (hình 1.10.a), bán

kính lớp trong cùng là 1.4cm và ngoài cùng là 14cm, gồm 2 lớp detector pixe

trong cùng và 4 lớp detector Double Silicon Strip.

(b)

Hình 1.10a Hình ảnh detector Vertex; b, nguyên lý xác định vị trí phân rã

của B meson.

Detector Pixel gồm nhiều tấm bao quanh ống gia tốc tại điểm va chạm.

Mỗi tấm gồm nhiều điểm (hình 1.10), mỗi điểm như là 1 detector (hình 1.11b)

với bề dày vùng nhạy khoảng 50μm, được chế tạo theo công nghệ DEPFET,

đó là cấy lên trên detector một transitor MOSFET với một cổng trong

(internal gate), thay vì tín hiệu ra được lấy trên cực (+) của detector như bình

thường thì tín hiệu được khuếch đại qua transitor trường này rồi mới đưa ra

Hình 1.11 Detector Pixel

Pixel detector (lớp 1,2)

Si strip detector (4 lớp ngoài cung)

(a)



Detector DSSD (Double-side Silicon Strip Detector)

Mỗi tấm detector DSSD bao gồm vùng nhạy và 2 lớp điện cực trên và

dưới, 2 lớp này được chia thành các dãi nhỏ theo 2 phương khác nhau. Khi

hạt tích điện đi qua vùng nhạy electron đi về phía cực (+) và lỗ trống đi về

cực (-) như hình 1.12b. Từ các cực này ta có thể xác định tọa độ của hạt.

Hình 1.12 Detector DSSD. a, Hình dạng của detector; b, Nguyên lý của

detector DSSD

c. Detector CDC (Central Drift Chamber)

Detector CDC là detector chứa khí, hoạt động ở vùng ống đếm tỉ lệ. CDC

nằm ở phía ngoài của detector Vertex và phía trong detector PID. Ở thí

nghiệm Belle II dùng hỗn hợp khí He(50%) và C2H6(50%). CDC được cấu

tạo bao gồm nhiều dây anode và được bao quanh bởi các dây cathode. Vị trí

của hạt được xác định chính xác bằng các đo thời gian khuếch tán của điện tử

về anode, là khoảng thời gian khi mà hạt mang điện gây ion hóa chất khí và

thời gian tín hiệu xuất hiện trên anode.

Nhiệm vụ của detector CDC

+ Xây dựng quỹ đạo của hạt tích điện và đo chính xác momen động

lượng của chúng

+ Cung cấp thông tin để phân biệt hạt dựa vào sự suy giảm năng lượng

trong chất khí. Với các hạt có năng lượng thấp mà không bay tới được



detector PID (là detector dùng để phân biệt hạt) thì có thể nhận dạng hạt mà

chỉ sử dụng detector CDC.

+ Cung cấp tín hiệu trigger đối với hạt mang điện cho các detector khác.

Cấu tạo của detector CDC

1.13a Detector CDC (hình dạng, kích thước)

(b) (c)

Hình 1.13 Detector CDC

Hình 1.13 là hình dạng của detector CDC, hình 1.13 a là mặt cắt theo mặt

phẳng zx, và hình 1.13b là nhìn theo mặt phẳng xy. CDC được cấu tạo từ

14336 dây anode (sense wire) ~ 14336 kênh tín hiệu, mỗi dây dây anode được

bao quanh bởi 6 dây cathode (field wire), tổng cộng số dây là 51456 dây. Dây

được sắp xếp thành 56 lớp (Layer) và 8 siêu lớp (SuperLayer) như trong hình

1.13c. Để xác định phương z của tọa độ của hạt thì detector được thiết kế gồm

2 loại dây là song song với trục z và lệch một góc nhỏ, các SuperLayer song



song với trục z kí hiệu là A (Axial), các SuperLayer lệch một góc gọi là U

hoặc V (Stereo). 9 siêu lớp được sắp xếp theo thứ tự AUAVAUAVA .

Hệ điện tử

(a)

(b)

Hình 1.14 Bảng mạch của Detector CDC; 1.9a là sơ đồ nguyên lý. 1.9b là một

bảng mạch đã được chế tạo.

Hệ điện tử của detector CDC có nhiệm vụ xử lý tín hiệu từ anode và số

hóa sau đó truyền ra ngoài. Chúng được đặt ngay phía sau detector, bao gồm

nhiều bản mạch, mỗi bảng mạch bao gồm 48 kênh. Hoạt động theo sơ đồ

nguyên lý như ở hình 1.9a. Hình 1.9b là hình vẽ một bản mạch đã chế tạo:

c. Detector PID (Particle Identify Detector )

PID nằm ở phía ngoài của detector CDC có nhiệm vụ là phân biệt các

hạt tích điện dựa vào việc đo góc phát ra của bức xạ Cherenkov khi hạt tích

điện bay qua detector. Tương ứng với mỗi hạt tích điện khi bay qua detector

sẽ phát ra bức xạ Cherenkov ở những góc khác nhau.

Trong thí nghiệm Belle II detector PID có hai loại. Ở khu vực đầu cuối

(End-Cap) là RICH (Ring Imagine Cherenkov) như ở trong hình 1.15b, ảnh

Cherenkov của bức xạ được thu trên hệ các photon detector. Loại thứ hai nằm

song song với trục z và bao quanh CDC là TOP (Time Of Propagation), với

loại này thì bức xạ Cherenkov được thu ở đầu cuối của tấm bức xạ như ở

trong hình 1.10c. Sau đó góc Cherenkov được xây dựng lại dựa vào vị trí thu



ánh sáng ở đầu cuối và thời gian bay về photon detector của các tia phản xạ

theo các phương khác nhau.

(a)

(b)

(c)

Hình 1.15 Detector PID

d. Detector ECal (Electromagnetic Calorimeter Detector)

Detector ECal hay còn gọi là Calorimeter điện từ, nằm phía ngoài

detector PID, có nhiệm vụ là đo năng lượng của bức xạ điện từ, electron,

positron và phân biệt chúng. ECal là detector nhấp nháy, sử dụng tinh thể

CsI(Tl). Trong thí nghiệm Belle 2 sử dụng 8736 tinh thể CsI(Tl) có tổng khối

lượng là 43 tấn,

Hình 1.16 Detector ECal



e. Detector KLM (K-Long and Muyon Detector)

Detector KLM dùng để xác định và phân biệt KL0 và μ, là detector nằm

ngoài cùng của hệ detector. Nó bao gồm nhiều tấm thép dày xen kẻ với các

detector. Vì KL0 là hạt trung hòa về điện nên không ghi nhận được bằng các

detector phía trong mà phải dùng các tấm thép dày xen kẻ với các tấm

detector. Khi đi qua các tấm thép này K0L sẽ tương tác với tấm thép và tạo ra

một loạt các hạt tích điện. Các hạt tích điện này sẽ được ghi nhận trong các

detector. Sau đó xây dựng lại hạt K0L và xác định được hướng bay của hạt

này. KLM sử dụng hai loại detector để ghi nhận các hạt tích điện. Detector ở

xung quanh là detector RPT (Resistive Plate Chamber) và ở đầu cuối là

Detector nhấp nháy có dạng các dãi nhỏ và được sắp xếp theo 2 phương khác

nhau, ánh sáng được dẫn ra bằng các sợi cáp quang.

Hình 1.17 Detector KLM



Chương 2 - PHÔNG DO CHÙM TIA GÂY RA TRONG

THÍ NGHIỆM BELLE II

Máy gia tốc KEKB sau khi nâng cấp thành SuperKEKB thì kích thước

của chùm tia nhỏ lại, cường độ chùm tia tăng lên, điều này làm cho phông bức

xạ do chùm tia gây ra tăng lên rất nhanh. Nó có gây ra nhiều ảnh hưởng đến

hệ detector.

2.1 Các loại phông do chùm tia gây ra.

Chùm tia phát ra bức xạ synchrotron khi mà quỹ đạo của chúng bị uốn

cong bởi các nam châm. Các hạt trong chùm tia tán xạ với các nguyên tử khí

dư trong đường ống gọi là tán xạ beam-gas, hay là chúng va chạm với nhau

trong một bó gọi là hiệu ứng Touschek. Các hạt tán xạ bị lệch khỏi chùm tia,

rồi va chạm vào thành ống hoặc là các nam châm tạo thành một loạt các hạt

thứ cấp (make shower), các hạt thứ cấp này sẽ ảnh hưởng đến các detector.

Hơn nữa khi electron và positron va chạm với nhau ngoài việc tạo ra hạt Y

(Upsilon) thì còn có một hiệu ứng có tiết diện tương đối lớn là tán xạ Bhabha.

Hình 2.1 mô tả các loại phông do chùm tia gây ra. Màu da cam là bức xạ

synchrotron, màu đỏ là electron và positron trong tán xạ bhabha, màu xanh là

các hạt bị lệch do tán xạ (Touschek và Beam-gas).

Hình 2.1 Các loại phông do chùm tia gây ra [7].



2.2 Bức xạ Synchroton

Là hiệu ứng mà các hạt tích điện chuyển động với vận tốc nhanh khi quỹ

đạo bị uốn cong chúng sẽ phát ra sóng điện từ về phía trước. vì thế hiệu ứng

này phụ thuộc nhiều vào năng lượng và quang học của chùm tia (vị trí nam

châm, cường độ từ trường, quỹ đạo của chùm tia, hình học vùng tương tác).

Máy gia tốc SuperKEKB không sử dụng chung các nam châm để hội tụ chùm

tia khi đi vào và đi ra nên làm hiệu ứng này giảm đáng kể. Vùng tương tác

được thiết kế để tránh ảnh hưởng trực tiếp của bức xạ từ chùm tia năng lượng

cao. Ở gần vùng tương tác người ta gắn thêm một lớp kim loại nặng che chắn

cho detector phía trong như pixel detector.

Hình 2.2 Bức xạ synchrotron

2.3 Hiệu ứng Touschek

2.3.1 Định nghĩa.

Các hạt chuyển động trong ống gia tốc tạo thành các nhóm, được gọi là

các bó hạt, mỗi bó bao gồm khoảng ~1011-12 hạt. Trong quá trình chuyển động

các hạt dao động theo phương vuông góc với phương chuyển động gọi là dao

động betatron, khi các hạt trong bó va chạm với nhau, momen động lượng

theo phương vuông góc sẽ chuyển thành momen động lượng theo phương

song song với phương chuyển động, vì vậy năng lượng của các hạt này bị

thay đổi. Mỗi va chạm thường làm cho 1 hạt tăng năng lượng và một hạt bị

giảm năng lượng. Khi quỹ đạo của chùm tia được thay đổi trong từ trường



những hạt này sẽ bị lệch ra khỏi chùm tia. Chúng va vào thành ống hoặc

thành nam châm tạo ra các hạt thứ cấp, những sản phẩm này ảnh hưởng đến

các detector.

Hình 2.3 Hiệu ứng Touschek

Ta có thể thấy trong hình 2.4 là 3 sự kiên của hiệu ứng touschek có

nguồn gốc từ chùm năng lượng cao (Touschek HER). Khi 3 electron bị lệch

khỏi chùm tia bị va vào thành ống và tạo thành rất nhiều các tia gamma (màu

vàng), electron (màu xanh), positron(màu đỏ) và neutron(màu xanh lá cây).

(trong hình chỉ hiển thị những hạt có năng lượng lớn hơn 1MeV). Chỉ có 3

electron từ chùm tia mà có rất nhiều các hạt thứ cấp được tạo thành, sau khi

được sinh ra những hạt này tán xạ và bay đi khắp nơi trong detector.

Hình 2.4 Kết quả mô phỏng hiệu ứng Touchek (3 sự kiện)

bunch



2.3.2 Tốc độ của hiệu ứng Touschek.

Tốc độ của hiệu ứng Touschek tính cho một bó hạt được tính theo công

thức sau [7]:

1)(

1ln

14

2

1111

1

12

8

20

2

2242

22

1 BIe

dNcr

R

B

m

m

m

pzyx

phyxp

Tousm

(2.1)

Trong đó rP là bán kính của hạt, βx,y là cặp hai tham số của hàm beta theo

phương x và y. NP là số hạt trong một bó, σx,y là kích thước chùm tia theo

phương x và y, σp và σz theo thứ tự là độ thăng giáng của momen động lượng

và chiều dài của bó chùm tia, γ là hệ số Lorentz. I0 là bổ chính hàm Bessel.

Các tham số σh, m , B1, và B2 được tính như sau:

Trong đó Dx,y là độ tán sắc, δm là giới hạn an toàn của sự mở rộng năng

lượng ΔE/E [3].

Ta thấy rằng hiệu Touschek tỉ lệ thuận với NP2 và tỉ lệ nghịch với σx, σy,

σz . Điều này có nghĩa là nó tỉ lệ với mật độ của hạt trong một bó. Hay là hiệu

ứng touschek tăng lên khi mà số hạt trong một bó tăng lên và kích thước của

bó giảm xuống.



Để thay thế cho đại lượng tốc độ của hiệu ứng Touschek người ta dùng

đại lượng thời gian sống của chùm tia do hiệu ứng touschek như sau:

Tous

e

R

NPhút

(2.2)

Trong đó eN là số hạt e± có trên vòng lưu trữ. RTous

như đã được định

nghĩa ở trên.

Hình 2.5 và 2.6 chỉ ra mối quan hệ giữa thời gian sống và kích thước của

chùm tia.

Hình 2.5 Sự phụ thuộc thời gian sống

của chùm tia vào bề rộng của bó hạt.

Hình 2.6 Sự phụ thuộc thời gian sống

của chùm tia vào chiều dài của bó hạt.

Không những tỉ lệ với kích thước chùm tia mà tốc độ của hiệu ứng

Touschek còn tỉ lệ nghịch với γ, là hệ số Lorentz. điều này có nghĩa là nó tỉ lệ

nghich với năng lượng của chùm tia. Sự phụ thuộc của hiệu ứng Touschek

vào năng lượng của chùm tia được đưa ra ở hình 3.6 :

Hình 2.7 Sự phụ thuộc thời gian sống của chùm tia vào năng lượng của chùm tia.



2.4 Tán xạ Bhabha

2.4.1. Tán xạ Bhabha

Khi 2 chùm electron và positron va chạm với nhau ngoài việc xảy ra các

tương tác được kì vọng để tạo thành B meson thì một hiệu ứng khác có tiết

diện vi phân tương đối lớn là tán xạ Bhabha. Nó là tán xạ giữa electron và

positron, tán xạ này bao gồm 2 kênh :

Kênh 1 : e+ + e- → e+ + e-

Kênh 2 : e+ + e-→ e+ + e- + γ

Sau tán xạ Bhabha electron/positron bị lệch khỏi chùm tia rồi va chạm

với thành ống hoặc thành nam châm sinh ra một loạt các hạt thứ cấp, các hạt

thứ cấp này sẽ anh hưởng tới các detector, đặc biệt là tia gamma từ tán xạ

Bhabha được gọi là bức xạ Bhabha, tia này có năng lượng lớn nên thường gây

ra phản ứng (γ,n). Neutron sinh ra từ phản ứng này sẽ ảnh hưởng tới detector .

Tán xạ Bhabha là tán xạ giữa electron và positron nên nó sẽ tỉ lệ với

luminosity của máy gia tốc, đó là lí do mà tia gamma từ tán xạ này được dùng

để xác định Luminosity của máy gia tốc. Thí nghiệm Belle II với Luminosity

cao hơn 40 lần nên ảnh hưởng của hiệu ứng này sẽ rất lớn. Hình 2.8 minh họa

một sự kiện tán xạ Bhabha ở góc nhỏ, sau đó cả electron và positron đều bị

lệch rồi va vào thành ống. Tia gamma trong tán xạ cũng bay ra ở góc nhỏ sau

đó va vào thành ống.

Hình 2.8 Một sự kiện tán xạ bhabha



2.4.2 Tiết diện tán xạ Bhabha

Tiết diện vi phân theo góc của tán xạ Bhabha được tính toán dựa trên lý

thuyết QED như sau :

2

2

4

4

4

2

cos12

1

2sin

2cos2

2sin

2cos1

2sd

d (2.3)

Trong đó α là hằng số cấu trúc tinh tế và empps 21

Qua tiết diện vi phân ta có thể thấy rằng tán xạ này có chiếm ưu thế ở

những góc nhỏ hay là các góc về phía trước. Điều này thuận tiện cho việc đo

các tia gamma từ tán xạ này.

2.5 Tán xạ với không khí.

Trong các ống gia tốc con người đều cố gắng để đạt được chân không

cao, nhưng với công nghệ hiện tại và giá cả thì chân không tuyệt đối là điều

không thể. Đối với hệ thống máy gia tốc SuperKEKB, giá trị áp suất là 10-7 Pa.

Nên trong ống gia tốc vẫn còn khí dư không được hút ra hết. Thành phần chủ

yếu là khí H2 và CO. Khi các hạt trong chùm tia tán xạ với khí dư này hướng

của hạt bị thay đổi (tán xạ coulomb) hay là năng lượng của nó bị giảm do phát

xạ photon ( bức xạ hãm).

Hình 2.9 Giãn đồ Feynman cho tán xạ Coulomb (bên trái) và phát bức xạ hãm

(bên phải)



2.5.1 Tán xạ Coulomb

Tán xạ coulomb là tán xạ đàn hồi giữa electron (hoặc Positron) với hạt

nhân nguyên tử của chất khí. Năng lượng của electron được bảo toàn trong

khi hướng của nó bị thay đổi. Tiết diện vi phân của tán xạ như sau :

2sin16 42

0

422

E

eZk (2.4)

Trong đó Z là điện tích của hạt nhân nguyên tử khí. k là hằng số điện từ.

E0 là năng lượng của hạt, θ là góc tán xạ.

2.5.2 Phát bức xạ hãm.

Bằng cách phát ra bức xạ hãm, electron (hoặc positron) sẽ bị giảm năng

lượng xuống, sau đó nó sẽ bị lệch khỏi chùm tia.

Hình 2.10 Electron (positron) phát bức xạ hãm và giảm năng lượng

Tiết diện vi phân của loại tương tác này là :

)(13

2)(11 21

22

0 ZFZFZZZr

d

d brem

(2.5)

Trong đó, E

E là một phần năng lượng của hạt bị mang đi bởi photon,

E là năng lượng của electorn, positron, Z là số nguyên tử, r0 là bán kính cổ

điển của electron, 21 ,,, F và δ được xác định như sau :

1

1363/1 EZ

me

2

1

21

086.0930.1209.20

625.0242.3867.20

đối với 1



)952.0ln(184.412.2121 đối với 1

cfZZF 4)ln(3/4)( với E ≥0.05GeV.

)ln(3/4)( ZZF với E <0.05GeV.

)()/183ln(

)/1440ln()(

3/1

3/2

ZfZ

ZZ

c

32 )0.002(Z - )0.0083(Z 0.0369Z - 0.20206 Z1

1 Z fc(Z)

2.5.3. Tốc độ tán xạ chùm tia không khí

Tốc độ tán xạ của chùm tia với khí dư được xác định như sau :

nucbeamgas NNR (2.6)

Với σgas là tổng tiết diện vi phân của tán xạ, σgas=σcoul +σbrem. Nbeam là số

lượng electron (positron) có trong vòng lưu trữ. Và Ngas là số nguyên tử khí

trên 1 đơn vị diện tích trên 1s (vì hạt chuyển động với vận tốc ~ vân tốc ánh

sáng). Ngas và Nbeam được tính như sau :

c

L

e

INbeam (2.7 )

Trong đó I là cường độ của chùm tia, L là chu vi KEKB, và c là vận tốc

ánh sáng.

Ngas được tính như sau :

TK

PVN

B

gas (2.8)

Trong đó P là áp suất [Pa], V là thể tích [m3], KB là hằng số Boltzmann.

T là nhiệt độ.

Vậy số hạt trên một đơn vị thể tích là ][ 3 mTK

PN

B

gas



Vì các phân tử khí chủ yếu là CO, H2 đều có 2 nguyên tử nên số hạt nhân

gấp đôi. Chùm tia chuyển động với vận tốc ánh sáng nên số hạt nhân được

tính cho một đơn vị thể tích, trong 1s.

Vậy ][102 1128 sbarn

TK

cPN

B

gas (2.9)



Chương 3 - ẢNH HƯỞNG CỦA PHÔNG DO CHÙM TIA

GÂY RA LÊN DETECTOR CDC

3.1 Mô phỏng phông do chùm tia gây ra

Để xác định ảnh hưởng của phông do chùm tia gây ra lên từng detector

nói riêng và hệ detector nói chung, trước khi đưa thí nghiệm vào hoạt động

chúng ta cần mô phỏng để thiết lập sự ảnh hưởng của nó.

Chương trình máy tính để mô phỏng, ghi nhận và xử lý số liệu được sử

dụng trong thí nghiệm Belle II là Basf2 (Belle II analysis framework). Trong

Basf2 nhiều loại khác nhau của phần mềm được viết dưới dạng các module

của hệ thống phần mềm (framework), mỗi module có một số chức năng nhất

định, và chúng được đưa vào sử dụng trong hệ phần mềm tùy theo nhu cầu.

một Module có cấu trúc như được mô tả trong phụ lục 1.

Các chương trình ứng dụng được sử dụng trong thí nghiệm Belle II như

là xây dựng hạt, lựa chọn các sự kiện, và sử các code phân tích dữ liệu, chúng

được thực hiện bằng cách kết hợp các module lại. Chương trình xử lý số liệu

sẽ đọc dữ liệu một sự kiện đã lưu trước đó trong một file, sau đó xử lý nó

bằng cách đưa qua dãy module và cuối cùng lưu dữ liệu vào file kết quả. Hình

3.1 mô tả quá trình xử lý dữ liệu bằng Basf2.

Hình 3.1 Xử lý dữ liệu bằng một chuỗi các module trong Basf2



Việc thực thi các module có thể thay đổi nhiều tùy thuộc vào từng mục

đích cụ thể. Để điều khiển việc thực thi các module và thuận tiện trong việc

sử dụng các công cụ phân tích dữ liệu có sẳn như Root, Basf2 sử dụng Python

như là ngôn ngữ thông dịch để viết chương trình điều khiển các module.

Trong vật lý năng lượng cao khi nói đến mô phỏng ta thường có ba bước

như sau: Tạo sự kiện ban đầu (event generation), mô phỏng quá trình đi qua

detector của hạt, và số hóa tín hiệu. Bước đầu tiên liên quan đến việc tạo các

sự kiện ban đầu cho các nghiên cứu vật lý khác nhau, ví dụ như nghiên cứu sự

phân rã của meson B hay là mô phỏng phông do chùm tia gây ra. Bước thứ

hai là tiến hành mô phỏng tương tác của các hạt riêng rẻ khi đi qua detector,

các detector được mô tả bằng các hình học và vật liệu khác nhau, và ghi lại

giá trị năng lượng mà hạt để lại trong các vùng nhạy của detector. Thứ ba là

mô phỏng sự đáp ứng của các phần khác nhau của vùng nhạy của detector,

liên quan đến các quá trình xử lý vật lý của việc tạo ra tín hiệu, các hiệu ứng

điện tử, và cuối cùng là tạo ra tín hiệu.

Tạo sự kiện ban đầu: Đối với việc mô phỏng phông do chùm tia gây ra

ảnh hưởng đển detector, các thông tin ban đầu (điểm sinh, moment động

lượng, loại hạt,…) của hạt được đọc từ dữ liệu các chương trình mô phỏng

quá trình của hạt trong máy gia tốc, mỗi loại phông có một cách mô phỏng

tương tứng như sau:

+ Bức xạ Bhabha được mô phỏng bằng chương trình BBBrem [7] – là

chương trình mô phỏng bức xạ hãm trong tán xạ Bhabha, e+ e- → e+ e- γ.

+ Hiệu ứng Touschek và hiệu ứng tán xạ của chùm tia với khí dư trong

ống, chủ yếu là tán xạ coulomb thì được mô phỏng bằng chương trình SAD

(Stratergic Accelerator Design). Thông tin của các hạt bị lệch ra khỏi chùm tia

(mômen động lượng, vị trí) sẽ được ghi lại vào file SAD.



Hình 3.2 chỉ ra các vị trí mà chùm tia bị lệch gần vùng detector va vào

thành ống nhiều nhất. Đó chính là kết quả từ các chương trình mô phỏng SAD

và BBBrem

Hình 3.2 Các vị trí chùm tia bị lệch va vào thành ống nhiều nhất

Chương trình mô phỏng detector được viết bằng C++, và dựa vào công

cụ mô phỏng Geant4. Được điều khiển bằng chương trình điều khiển

(Steering file), trong đó các tham số mô phỏng được định nghĩa bởi người

dùng. Đầu vào chính của chương trình mô phỏng là mô tả hình học detector

và thông tin các hạt ban đầu. Ý tưởng cơ bản của Geant4 có thể mô tả như sau.

Đơn vị chính của một lần chạy được biểu diễn bởi G4 Run là một sự kiên G4

Event và gồm có một tập hợp các hạt chính tạo ra trong một tương tác và sự

đáp ứng của detector đối với các hạt này. Trước khi mỗi sự kiện được xử lý,

nó chỉ chứa các điểm sinh của hạt ban đầu (hạt chính) và các hạt này được

định nghĩa trong file điều khiển, hoặc được cung cấp từ bên ngoài. Sau khi sự

kiện được xử lý, nó sẽ tăng lên trong các tương tác. Các tương tác trong vùng



nhạy của detector sẽ được ghi lại. Trong Basf2 chúng được ghi lại bởi các

dataobject riêng rẽ.

Số hóa tín hiệu: Chương trình số hóa tín hiệu sẽ tiến hành mô phỏng chi

tiết quá trình vật lý trong detector cùng với các hiệu ứng điện tử, thêm vào đó

các ảnh hưởng hình học detector, từ trường. Bằng cách này nó sẽ chuyển một

hoặc nhiều tương tác riêng lẻ khi mô phỏng bằng Geant4 thành tín hiệu số đo

bằng detector. Kết quả là số liệu mô phỏng sẽ có dạng giống với số liệu thực

đo bằng detector.

Trong phần mềm Basf2 các quá trình mô phỏng trên được thực hiện bằng

cách kết hợp các module theo thứ tự như ở trong hình 3.3.

Trong đó các module có chức năng như sau:

Module EvtMetaGen được sử dụng để tạo thông tin cho các sự kiện mô

phỏng như thí nghiệm, số sự kiện, số lần chạy. Nó là phương tiện được sử

dụng trong trường hợp khi mà không có module nào tạo ra thông tin này.

EvtMetaGen

GearBox

SADInput

Geometry

FullSim

Progress

RootOutput

……… # Create main path for Bkg simulation main = create_path() main.add_module(evtmetagen) main.add_module(gearbox) main.add_module(sadinput) main.add_module(geometry) main.add_module(fullsim) main.add_module(progress) main.add_module(rootoutput) process(main)

Hình 3.3 Sơ đồ mô phỏng phông do

chùm tia gây ra sử dụng Basf2



Module Gearbox và module Geometry có nhiệm vụ đọc các tham số của

detector từ các file dữ liệu XML và sử dụng các chương trình xây dựng hình

học của các detector để tạo ra hình học cho detector Belle II. Như trong hình

3.4 ta có thể thấy kiến trúc cơ bản của chương trình tạo ra hình học cho

detector Belle II. Trong đo XML file lưu giữ thông tin về các tham số của các

detector thứ cấp (CDC,PXD,..), Mỗi detector thứ cấp đều có chương trình mô

tả bằng ngôn ngữ C++, những chương trình này sẽ yêu cầu giá trị các tham số

từ các XML file để xây dựng nên hình học cho mỗi detector thứ cấp. Những

hình học này sẽ được đưa vào tập hợp lại thành một đối tượng mới đó là toàn

thể detector Belle II. Thứ tự các đối tượng hình học và mối quan hệ giữa

chúng được quy định bằng cách sử dụng đối tượng ROOT TGeo.

Hình 3.3 Kiến trúc cơ bản của chương trình xây dựng hình học [10]

Module SADInput sẽ đọc dữ liệu từ file SAD, Những file này được tạo ra

từ các chương trình mô phỏng như BBBrem, SAD. Các thông tin này chính là

các dữ liệu ban đầu để mô phỏng các quá trình của hạt bằng module Fullsim.

Module FullSim là module thực các mô phỏng bằng Geant4 cho

framework (Basf2). Trước hết, nó sẽ khởi tạo Geant4, gọi và chuyển các dữ

liệu về thể tích, loại vật liệu từ ROOT TGeo thành các dữ liệu thích hợp cho

Geant4, khởi tạo các quá trình vật lý và các chương trình tương tác của người



dùng (User Action). Module này yêu cầu hình học của detector được xây

dựng trước vì thế mà hai module Geometry và Gearbox được sử dụng trước

đó để tạo ra hình học Detector.

Module Progress dùng để in dử liệu debug ra log file trong quá trình mô

phỏng, sử dụng module này log file sẽ in ra các dử kiện theo thứ tự loga,

nghĩa là in các sự kiện 1, 2, …10, 100, 1000, …

Module RootOutput dùng để lưu dữ liệu lại mà các dataobject đã tạo ra

trong quá trình mô phỏng.

3.2 Ảnh hưởng của phông lên detector CDC

Sau khi mô phỏng phông do chùm tia gây ra thì việc xác định sự ảnh

hưởng của phông lên từng detector là việc cần thiết. Đối với detector CDC ta

cần thiết lập sự ảnh hưởng của các hạt tích điện gây ra phông ảnh hưởng đến

tín hiệu, và sự ảnh hưởng của bức xạ đến bảng mạch nằm ở phía sau detector.

3.2.1 Phông do các hạt tích điện gây ra trong detector

Các hạt bị lệch khỏi chùm tia gây ra một loạt phản ứng thứ cấp sinh ra

nhiều loại hạt khác nhau, trong đó có các hạt mang điện như electron, positron

và proton. Các hạt này khi đi vào vùng nhạy của detector cũng sẽ làm ion hóa

chất khí và tạo thành tín hiệu phông trong detector. Phông do các hạt này sẽ

gây ra nhiễu dẫn đến khó khăn cho việc phân tích số liệu và còn gây ra thời

gian chết cho detector.

Thí nghiệm Belle II, Luminosity cao hơn 40 lần so với thí nghiệm Belle

nên tốc độ đếm phông trong detector CDC sẽ tăng lên rất nhanh. Hình 3.4 so

sánh phông ở thí nghiệm Belle và dự đoán ở thí nghiệm Belle II. Ta thấy ở thí

nghiệm Belle II phông sẽ rất cao, điều này sẽ làm cho việc xác định quỹ đạo

của hạt gặp khó khăn. Giới hạn để detector có thể hoạt động hiệu quả là tốc

độ đếm phông tại mỗi kênh (mỗi dây tín hiệu) phải nhỏ hơn 200KHz.



Hình 3.4 Phông do chùm tia gây ra trong detector CDC ở thí nghiệm

Belle và thiết lập cho Belle II với hệ số 20 [14]

Vì thế việc tính toán tốc độ đếm phông ở trong detector CDC là hết sức

cần thiết. Tốc độ đếm phông được đánh giá dựa trên số liệu Monte Carlo. Để

xác định tốc độ đếm trung bình của từng kênh ở mỗi lớp ta chỉ cần tính tổng

tất cả các số đếm ở mỗi lớp sau đó chia cho thời gian tương đương và số kênh

trên lớp đó. Tuy nhiên trên thực tế bởi vì cửa sổ thời gian (time window) của

hệ điện tử được đặt là 0.5 μs nên lúc hoạt động thực tế sẽ không có hai tín

hiệu được ghi nhận cùng lúc trên cùng một kênh trong khoảng thời gian 0.5μs.

Trong khi đó thì các tín hiệu mô phỏng sẽ được ghi nhận tất cả khi chúng

tương tác trong vùng nhạy. Nên ta chia khoảng thời gian tương đương với

thời gian thực thành các khoảng có độ rộng tương ứng với cửa sổ thời gian.

Sau đó sắp xếp tín hiệu vào, nếu có hai tín hiệu cùng xuất hiện một lúc thì

cũng chỉ có một tín hiệu được ghi.

Sau khi phân tích cho dữ liệu Monte Carlo lần thứ 6. Tốc độ đếm phông

trong detector CDC được thiết lập như ở đồ thị ở hình 3.5

MC+BGx20 MC +BGx1



Hình 3.5 Tốc độ đếm phông trong detector CDC

Ta thấy rằng ảnh hưởng chủ yếu vào cdc hit rate là bức xạ Bhabha từ cả

chùm năng lượng cao (màu đỏ) và năng lượng thấp (mầu xanh ngọc). Hiệu

ứng Touchek và hiệu ứng tán xạ coulomb đóng góp một phần nhỏ. Tốc độ

ảnh hưởng lớn nhất là ở lớp trong cùng, khoảng 120KHz/kênh. Giá trị này ở

dưới ngưỡng cho phép là 200kHz/kênh. Giá trị ở các lớp khác ở khoảng

30kHz/kênh.

3.2.2 Hệ bảng mạch của detector CDC (Front-End Electronics)

Trong thí nghiệm Belle II, tín hiệu sau detector được xử lý và số hóa ở hệ

điện tử đặt ngay sau detector. Ngoại trừ detector Pixel, thì tín hiệu sau khi

được số hóa sẽ được thu lại nhờ chip FPGA nằm ở ngay trong bảng mạch đó

và được truyền ra ngoài bằng cáp mạng (Ethernet). Đối với detector CDC hệ

các bảng mạch này được đặt ở đầu cuối của detector CDC (Backward), hướng



chùm positron bay đến. Hệ điện tử sử dụng 302 bảng mạch và được chia

thành 19 lớp từ trong như ở hình 3.6.

Hình 3.6 Sơ đồ bố trị hệ bảng mạch của detector CDC

Các linh kiện bán dẫn trong các bản mạch rất dễ bị sai hỏng khi bị chiếu

xạ, đặc biệt đối với các chip như là FPGA. Kết quả của việc chiếu xạ là có thể

làm thay đổi các thông số kỹ thuật của thiết bị, làm suy giảm các đặc tính và

cuối cùng dẫn đến sai hỏng về chức năng của các bộ phận hoặc toàn hệ thống.

Các hạt bức xạ tương tác và làm hư hại chúng chủ yếu do hiệu ứng ion hóa và

làm lệch vị trí của nguyên tử trong tinh thể (displacement), làm thay đổi cấu

trúc tinh thể. Hiệu ứng ion hóa chủ yếu gây ra bởi bức xạ điện từ và các hạt

tích điện còn hiệu ứng làm thay đổi cấu trúc tinh thể chủ yếu do tương tác của

neutron.

3.2.2.1 Ảnh hưởng của tia gamma và hạt mang điện

Các hạt tích điện và bức xạ điện từ chủ yếu gây ra hiệu ứng ion hóa trong

linh kiện bán dẫn. Hình 3.7 trình bày sự ảnh hưởng của bức xạ lên một

transistor. Oxide và oxide-silicon bẫy điện tích trong PMOS transistor. Ta

thấy rằng thế ngưỡng của transistor trôi dần theo sự tăng của liều chiếu[4].



Hình 3.7 Hiệu ứng bẫy điện tích trong CMOS làm tăng thế ngưỡng[4]

Ngoài ra, khi bị chiếu xạ các linh kiện rất dễ thay đổi một số thông số

như là độ dẫn điện, làm tăng dòng dò, giảm thế đánh thủng giữa cực máng và

cực nguồn, làm giảm sự linh động bề mặt ....

Cường độ bức xạ ion hóa ảnh hưởng đến hệ bảng mạch được đánh giá

thông qua liều hấp thụ, là năng lượng mà hạt để lại trên một đơn vị thể tích

trong bản mạch trong một đơn vị thời gian. Vì thế tổng liều trong một năm

được tính theo công thức sau:

yeartVdensity

siteEnergyDepoDose *

**

(3.1)

Trong đó :

- Dose là liều hấp thụ và được tính theo đơn vị Gy/year

- V là thể tích, [cm3]

- t là thời gian chiếu [s],

- EnergyDeposite là năng lượng mà hạt bức xạ để lại trong bản mạch, và

được tính theo đơn vị J.

- density là mật độ, đơn vị là kg/cm3

Liều hấp thụ cực đại mà bản mạch detector có thể hoạt động hiệu quả và

bền vững trong suốt thời gian thí nghiệm là 100Gy/năm. Giá trị này được thiết

lập dựa vào các số liệu ở thí nghiệm Belle và kết quả thực nghiệm bằng cách



chiếu chùm gamma lên bảng mạch được thực hiện ở Đại học Tổng hợp Tokyo

[15]

/******************************************************** if(pdg != 2112) { for(int j = 0; j<19; j++) { if(pos>rmin[j] && pos<rmax[j]) { tmp[j] += energyDeposite; } } }

for(int k = 0; k<19; ++k) {

Dose[k]= tmp[k]*year*1000*MevJ/density/vol[k]/intTime; // 1000 --> Gev to Mev // MevJ = 1.602176e-13

: To convert Mev to Jun } /***********************************************

Phân tích dữ liệu mô phỏng Monter Carlo ta có được tổng liều chiếu lên

các bảng mạch trong một năm như biểu đồ ở hình 3.8.

Hình 3.8 Tổng liều chiếu lên hệ bản mạch trong 1 năm



Ta thấy rằng hệ bảng mạch chủ yếu bị ảnh hưởng của bức xạ từ hiệu ứng

Bhabha của chùm năng lượng thấp (phần mầu đỏ) vì vị trí của các bảng mạch

nằm ở ngay phía đi ra của chùm positron. Các lớp trong cùng chịu ảnh hưởng

lớn nhất và ảnh hưởng giảm dần theo bán kính. Liều hấp thụ cực đại ở lớp thứ

nhất khoảng 21Gy/year. Trong khi đó liều cực đại mà hệ bản mạch có thể

chịu được là nhỏ hơn 100Gy/year. Vì vậy với liều hấp thụ hiện nay, hệ bản

mạch có thể hoạt động bền vững suốt thời gian làm thí nghiệm.

3.2.2.2 Ảnh hưởng của neutron

Mức độ ảnh hưởng của các hạt tích điện và của bức xạ điện từ được xác

định bằng liều hấp thụ. Một hiệu ứng ảnh hưởng rất lớn đến hệ điện tử là hiệu

ứng làm thay đổi vị trí của nguyên tử trong mạng tinh thể dẫn đến hư hại

mạng tinh thể của linh kiện bán dẫn. Hiệu ứng này chủ yếu là do sự tương tác

(tán xạ) của neutron với các nguyên tử trong tinh thể như Silic. Vì thế việc

đánh giá thông lượng neutron trên các bản mạch là vô cùng quan trọng.

Các hư hỏng được tạo thành khi neutron va chạm với hạt nhân nguyên tử

Si và truyền cho hạt nhân này một năng lượng lớn hơn năng lượng ngưỡng

khoảng ER = 20eV, làm bật một nguyên tử Si ra khỏi tinh thể. Với hiệu ứng

này thì một chỗ khuyết và một khoảng trống được tạo ra (Frenkel pair). Nếu

năng lượng được truyền cho nguyên tử này đủ lớn thì nó có thể làm cho các

nguyên tử Silic khác bị bật ra, và hiệu ứng thác lũ được hình thành, đến lúc

kết thúc quá trình thác lũ này thì mật độ chỗ khuyết và lỗ trống được tạo ra rất

cao. Hiện tượng tái hợp có thể xảy ra nếu khoảng cách giữa khoảng trống và

nguyên tử silic này bé hơn hằng số cấu trúc tinh thể. Các lỗ trống và các vị trí

khuyết mà không được tái hợp thì sẽ di chuyển trong tinh thể và có thể gây ra

phản ứng với các tạp chất trong tinh thể. Các hiệu ứng này sẽ làm thay đổi các

thông số của thiết bị [16].



Mức độ hư hại của tinh thể phụ thuộc vào năng lượng của neutron. Đại

lượng đặc trưng cho sự phụ thuộc này gọi là tiết diện làm hư hỏng tinh thể D

(Displacement damage cross-section). Đại lượng này tương đương với mức

độ mất năng lượng không phải do ion hóa NIEL (Non Ionizing Energy Loss).

Vì thế có một sự tỉ lệ giữa D và mức độ hư hại tinh thể. Đơn vị của D là

[MeVmb] trong khi đó đơn vị của NIEL là [keVcm2.g]. Đối với Silicon

A=28.086 g/mol thì mối quan hệ giữa D và NIEL là 100MeVmb =

2.144keVcm2/g. Các giá trị của D và NIEL phụ thuộc vào kiểu hạt và năng

lượng của chúng. Với neutron có năng lượng 1 MeV thì giá trị là của D là:

Dn(1MeV) = 95MeVmb. Để tiện lợi cho việc kiểm chứng và so sánh với thực

nghiệm thì người ta đưa ra một hằng số độ cứng k (hardness factor) để chuẩn

hóa các năng lượng khác trở về tương đương với neutron có năng lượng 1

MeV, k=D(E)/Dn(1MeV). K còn gọi là hệ số của neutron (neutron weight)

[11]. Sự phụ thuộc của k vào năng lượng neutron được đưa ra trong đồ thị ở

hình 3.9.

Hình 3.9 Sự phụ thuộc của D(E)/Dn(95MeVmb) vào năng lượng [16]

(Displacement damage function)



Vì thế kết quả tính toán cho thông lượng neutron chính là thông lượng

của neutron có năng lượng 1 MeV. Việc sử dụng sự tương đương này để đơn

giản hóa việc kiểm tra bằng thực nghiệm.

Thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của neutron lên các bảng mạch này

được thực hiện ở Đại học Tổng hợp Tokyo[15] còn thấy rằng mức độ ảnh

hưởng của neutron lên bảng mạch còn phụ thuộc vào góc chiếu xạ. Khi

neutron bay đến theo phương vuông góc với bảng mạch thì mức độ ảnh

hưởng ít hơn là khi neutron bay đến theo từ phía biên. Hình 3.10 minh họa

các góc chiếu neutron và kết quả tổng số các sự kiện hư hại không có khả

năng phục hồi khi chiếu neutron lên chíp FPGA một liều tương đương với 90

phút.

Hình 3.10 Chiếu xạ neutron theo các phương khác nhau lên FPGA và tổng số

sự kiện hư hại không có khả năng phục hồi quan sát được[15].



Vì thế trong quá trình tính toán chúng ta phải tính đến phương của

neutron lên hệ bảng mạch. Và được tính như sau:

22

2

)sin(

1_

yx pp

pwmom

(3.2)

Trong đó: θ là góc giữa phương bay của neutron và mặt phẳng chứa bảng

mạch (góc giửa phương bay và trục z). Góc ở đây được quy ước khác với góc

khi chiếu xạ ở trên. Cụ thể là góc 0o và 180o ở trên tương đương với góc θ =

900 ở đây (vuông góc với bảng mạch) và góc 900 ở trên tương đương với góc

0o và 180o (song song với trục z). p, px và py là momen động lượng toàn phần

và momen động lượng theo phương x và y.

Vì thế thông lượng neutron được tính bằng công thức:

yearst

wmomki *

*

_

(3.3)

Trong đó:

- i là thông lượng neutron ở lớp thứ i, có đơn vị neutron/cm2/năm.

- t là thời gian mô phỏng tương đương với thời gian thực, đơn vị giây

- year = 365*24*3600 (s)

- s là tổng diện tích tất cả các bảng mạch tạo thành lớp thứ i

Kết quả thực nghiệm[3] cũng đã thiết lập giá trị thông lượng neutron

tương đương với neutron năng lượnng 1MeV để thí nghiệm có thể hoạt động

bền vững là 1011 neutron/cm2/năm.

Sử dụng dữ liệu mô phỏng với thời gian tương đương thời gian thực

t=100μs cho vùng gần detector và 10μs cho vùng xa detector và tính toán

thông lượng neutron theo công thức 3.3 ta thu được thông lượng neutron như

ở hình 3.11. Hình 3.11a là thông lượng neutron trên hệ các bảng mạch do ảnh

hưởng từ xa, do các hạt của chùm tia bị lệch trong khoảng trong khoảng

4m<|z|<28m và hình 3.11b là thông lượng neutron do ảnh hưởng gần với



|z|≤4m. Ta thấy rằng ảnh hưởng từ vùng xa đến hệ bảng mạch là không đáng

kể, rất bé so với ảnh hưởng từ vùng gần detector. Vì thế nên thông lượng

neutron tổng cộng trên hệ bảng mạch không quá khác so với thông lượng

neutron do ảnh hưởng từ vùng |z|<4m. như ở trong hình 3.12.

(a)

(b)

Hình 3.11 Thông lượng neutron trên các bảng mạch; 3.11a, ảnh hưởng từ

vùng xa và 3.10b, ảnh hưởng từ vùng gần.

Hình 3.12 Tổng thông lượng neutron trên bảng mạch điện của detector CDC

Với |z|<28m.

Ta thấy rằng thông lượng neutron trên hệ bảng mạch chủ yếu do hiệu

ứng Bhabha và hiệu ứng Coulomb từ chùm năng lượng thấp gây ra. Thông



lượng neutron cực đại 2.2*1011 neutron/cm2/năm ở các bảng mạch của lớp

trong cùng và giảm dần theo bán kính, trong khi đó giá trị cực đại để mà nó

vẫn có thể hoạt động bền vững suốt thời gian làm thí nghiệm là 1011

neutron/cm2/năm. Như vậy thông lượng neutron quá cao so với mức giới hạn.



Chương 4 – XÁC ĐỊNH CÁC VỊ TRÍ SINH NEUTRON VÀ

THIẾT KẾ CHE CHẮN

Từ các kết quả tính toán ở trong chương 3 ta thấy rằng tốc độ đếm phông

và tổng liều hấp thụ trong một năm thấp hơn so với giới hạn. Nhưng thông

lượng neutron thì cao hơn rất nhiều so với giới hạn chịu đựng của bảng mạch.

Để cho thí nghiệm có thể hoạt động tốt và kéo dài như dự kiến (khoảng hơn

10 năm) thì việc che chắn để giảm thông lượng neutron là một điều hết sức

quan trọng.

4.1 Xác định nguồn gốc của các neutron trên hệ bảng mạch.

Hình 4.1 Các điểm sinh neutron trên toàn detector Belle II [9]

Các hạt trong chùm tia sau khị bị lệch sẽ va vào thành ống hoặc thành

nam châm. Các hạt này ở năng lượng rất cao ~ GeV, vì thế chúng sẽ tạo ra

một loạt các hạt sơ cấp khác có năng lượng tương đối lớn. Các hạt này lại tiếp

tục tương tác và sinh ra các hạt khác, một chuỗi các quá trình như vậy sẽ xảy



ra đến khi các hạt không thể gây ra phản ứng được nữa. Trong các sản phẩm

này sẽ có một phần là neutron. Thế nên neutron sinh ra khắp nơi trong vùng

detector như trong hình 4.1. Vì vậy ta cần xác định các neutron trên hệ các

bảng mạch có nguồn gốc từ đâu, vùng nào đóng góp nhiều nhất để có thể thiết

kế che chắn thích hợp nhất, nhằm giảm thông lượng neutron xuống dưới giới

hạn càng thấp càng tốt.

Quá trình mô phỏng được thực hiện như mô tả ở trong mục 3.1, ta thấy

những hạt nào tương tác trong vùng nhạy của detector (Sensitive Detector) sẽ

được ghi lại và số hóa vì thế số liệu ta thu được có dạng như là số liệu thu

được từ thực nghiệm (chúng ta có thông tin về neutron đó như năng lượng,

moment động lượng,..) nhưng chúng ta không biết nó bay từ đâu tới. Trong

Basf2, các dữ liệu này được lưu bởi các dataobject trong quá trình mô phỏng.

Mỗi mảng dữ liệu có tên riêng của nó như: MCParticle lưu giử thông tin về

Monte Carlo. BeamBackHit lưu giữ các thông tin về phông do chùm tia. Để

thuận tiện cho việc tính toán sau này thì trong quá trình lưu dữ liệu ở các

detector ta lưu lại tất cả thông tin về chuổi tương tác của hạt đó trong mảng

dữ liệu MCParticle. Trong quá trình lưu dữ liệu này ta tạo ra một mối quan hệ

giữa các mảng dữ liệu bằng lớp các hàm tạo mối quan hệ giữa hai mảng như:

RelationIndex, RelationInterface, RelationArray, ….

Thông tin về phông do chùm tia gây ra được lưu lại nhờ dataobject

BeamBackHits. Khi lưu dữ liệu này ta phải đánh dấu mối quan hệ giữa mảng

dữ liệu này với mảng dữ liệu MCParticle. Có thể minh họa như ở hình 4.2. ta

có hai hình hộp ở trong là hai detector mà ta sẽ ghi nhận các hạt tương tác

trong đó, phần xung quanh là các giá đỡ hay là phần che chắn. Khi có một hạt

bay vào, va chạm với phần xung quanh sẽ tạo ra các hạt mới, các hạt này sẽ

bay vào detector, những điểm tương tác trong detector sẽ được ghi lại bởi

dataobject BeamBackHits, còn tất cả các quá trình của hạt từ khi bay vào, tất



cả các điểm tương tác (tất cả các thông tin về phần đường màu xanh) được ghi

lại trong tập tin MCParticle. Thường để tiết kiệm bộ nhớ nên không phải tất

cả thông tin về MCParticle sẽ được lưu lại mà muốn lưu lại tất cả các thông

tin này ta phải thay đổi mặc định trong quá trình mô phỏng trong module

FullSim.

Hình 4.2 Minh họa việc lưu dữ liệu trong quá trình mô phỏng

Sau khi quá trình mô phỏng ta viết module xử lý số liệu bằng Basf2 để

tìm các điểm sinh neutron. Ý tưởng của module này được mô tả như trong

hình 4.3. đầu tiên ta kết nối 2 mảng với nhau sử dụng hàm RelationIndex. Sau

đó ta tìm hạt sinh ra neutron và điểm sinh của nó bằng cách truy nhập dữ liệu

trong mảng MCParticle từ mảng BeamBackHits.

Hình 4.3 Sơ đồ minh họa việc sử dụng RelationIndex để kết nối các mảng dữ

liệu và truy nhập vào các mảng dữ liệu



Từ ý tưởng trên ta viết module để xác định các điểm sinh neutron.

Module này có tên là CDCBkg. Nhiệm vụ chính là nối các 2 mảng dữ liệu

MCParticle và BeamBackHit lại với nhau và tìm kiếm trong mảng dữ liệu

MCParticle thông tin về các neutron tương tác trên hệ các bảng mạch. Module

được viết bằng ngôn ngữ C++, có cấu trúc tuân theo cấu trúc của một module

trong chương trình Basf2 như đã nêu ở mục 3.1

Sau khi có module xử lý dữ liệu ta sẽ sử dụng module này để xác định

các điểm sinh neutron. Các module trong Basf2 được sử dụng bằng cách gọi

vào từ một chương trình điều khiển khác (gọi là Steering file) viết bằng

python. Cấu trúc chương trình mô phỏng sử dụng module CDCBkg như ở

hình vẽ 4.4. Đầu tiên module RootInput sẽ đọc dữ liệu từ các file dữ liệu mô

phỏng trước đó. Sau đó module CDCBkg sẽ gọi các mảng dữ liệu trong đó và

xử lý. Kết quả xử lý sẽ cho ta thông tin về điểm sinh neutron, năng lượng của

neutron khi sinh ra và phản ứng đã sinh neutron. Các kết quả này được lưu lại

trong file root bằng chính module này.

Hình 4.4 Sơ đồ xử lý dữ liệu sử dụng module CDCBKg

Sau khi phân tích dữ liệu Monte Carlo ta có kết quả về nguồn gốc của

neutron trên hệ các bảng mạch của detector CDC như ở trong đồ thị hình 4.4.

Hình 4.4.a là các đồ thì phân bố của các điểm sinh theo trục z và x, hình 4.4.b

là các điểm sinh neutron theo trục z và y, và đồ thị hình 4.4.c là phân bố các

điểm sinh neutron theo trục z.



4.5a Phân bố các điểm sinh neutron theo phương z-x

4.5b Phân bố các điểm sinh theo phương z-y

Vùng có nhiều neutron được sinh ra và ảnh hưởng đến EBs

Vùng có nhiều neutron được sinh ra và ảnh hưởng đến EBs



4.5c Phân bố theo trục z

Hình 4.5 Nguồn gốc của neutron ảnh hưởng đến bảng mạch của detector CDC

Từ các phân bố trong hình 4.5.c ta thấy rằng neutron trên hệ các bảng

mạch đóng góp chủ yếu là do neutron từ vùng có tọa độ z từ khoảng 80cm

đến 150 cm, và từ phân bố ở hình 4.5.a và 4.5.b ta thấy rằng các các điểm sinh

neutron chủ yếu trong vùng ống của chùm tia, khi electron hoặc positron bị

lệch khỏi chùm tia, va vào thành ống, vì ở đây có mật độ vật chất cao nên hầu

hết các phản ứng đều sinh xãy ra ở đây. Các hạt gây ra phản ứng sinh ra

neutron chủ yếu là loại gamma và electron hoặc positron.

4.2 Che chắn neutron

Sau khi tìm được các điểm sinh neutron như trên chúng ta tiến hành che

chắn để giảm thông lượng neutron trên hệ các bẳng mạch xuống. Vì trong

vùng detector gần như các không gian đều đã được thiết kết để sử dụng cho

các mục đích khác nên việc che chắn cần phải thực hiện ở một vùng không

gian cho phép, và các tấm che chắn không làm ảnh hưởng đến thí nghiệm.



Hình 4.6 Sơ đồ detector Belle II.

Dựa vào các điểm sinh neutron và cấu trúc của detector ta thấy chỉ có

một vùng có thể đặt các tấm che chắn, đó là vùng nằm ngay phía trên hệ các

điểm sinh neutron và ngay sau hệ các bảng mạch, như được chỉ ra ở trong

hình 4.6. Vì không gian hạn chế nên không thể che chắn hết neutron bay đến

hệ các bảng mạch mà ta hi vọng có thể giảm đến mức thấp nhất có thể. Do đó

phần che chắn được thiết kế như ở trong hình 4.7. Hình học che chắn được sử

dụng là hình trụ tròn bao quanh đường ống.

4.7a Che chắn neutron

Không gian dùng cho dây tín hiệu từ detector Vertex

Vị trí neutron được sinh ra nhiều nhất

Vùng không gian trống

Phần che chắn được thiết kế



(b)

(c)

Hình 4.7 Hình học che chắn cho hệ các bảng mạch.

Ngoài việc thiết kế che chắn tối ưu thì chọn vật liệu che chắn cũng là một

yếu tố rất quan trọng để có thể đạt hiệu quả cao. Chúng tôi đã thử một số vật

liệu che chắn thường dùng như Polyethylene (C2H4), 5%, 30%

BoratePolyethylene (B+C2H4). Thông số các loại vật liệu này được đưa ra

trong bảng 4 [17]. Sau khi thiết kế hình học chúng tôi tiến hành mô phỏng và

phân tích dữ liệu đối với các trường hợp khác nhau sử dụng các loại vật liệu

che chắn khác nhau. Kết quả thu được khi sử dụng các vật liệu che chắn khác

nhau, với hình học như ở hình vẽ trên được đưa ra ở trong hình 4.7.

Bảng 4.1 Thông số Vật liệu sử dụng trong che chắn

TT Tên Cấu tạo Mật độ (g/cm3)

1 PolyEthylene C2H4 0.94

2 30% BoratedPolyEthylene Boron+C2H4 (30%B) 1.19

3 5% BoratedPolyEthylene Boron+C2H4 (5%B) 1.08



a, sử dụng Polyethylen

b, sử dụng Boron+C2H4 (5%)

c, sử dụng Boron+C2H4 (30%)

Hình 4.7 Kết quả thông lượng neutron trên các bảng mạch sau khi che chắn

bằng các vật liệu khác nhau.



Như vậy, theo các kết quả trên ta thấy rằng sau khi che chắn thì thông

lượng neutron đã giảm đi một nửa. Vì che chắn được đặt ở vùng có nhiều

neutron do bức xạ Bhabha do chùm năng lượng thấp và tán xạ Coulomb ở

vùng năng lượng thấp nên thông lượng neutron do hai phần này đóng góp

giảm đi nhiều, còn phần tán xạ Bhabha từ chùm năng lượng cao thì không đổi

vì neutron từ hiệu ứng này chủ yếu bay đến từ vùng không được che chắn.

Với các vật liệu khác nhau thì kết quả không quá thay đổi nhiều, như ta

thấy ở trong hình vẽ thì giá trị cực đại ở khoảng 95*109 neutron/cm2/năm đối

với vật liệu chứa nhiều PolyEthylene, khi lượng Boron tăng lên, lượng

PolyEthylen giảm xuống thì thông lượng neutron có xu hướng tăng, giá trị

cực đại đối với 30%boratedPolythylene là 105*109 neutron/cm2/năm. Vì thế

để thuận tiện ta sẽ dùng PolyEthylene để che chắn làm giảm thông lượng

neutron trên hệ các bảng mạch.



KẾT LUẬN

Trong luận văn này chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của

phông do chùm tia gây ra lên detector CDC bằng cách tiến hành mô phỏng

phỏng Monte Carlo, qua đó đã thiết lập được mức ảnh hưởng của phông lên

detector CDC như là tốc độ phông do hạt tích điện gây ra. Mức độ ảnh hưởng

của bức xạ lên hệ các bảng mạch điện tử xử lý tín hiệu của detector.

Từ các kết quả về mức độ ảnh hưởng của phông do chùm tia gây ra

chúng tôi thấy rằng tốc độ đếm phông và tổng liều chiếu do các hạt tích điện

và tia gamma gây ra trên hệ các bảng mạch thấp hơn giới hạn của detector.

Tuy nhiên, thông lượng neutron trên hệ các bảng mạch khoảng 220*109

neutron/cm2/năm. Giá trị này cao hơn gấp đôi so với giới hạn chịu đựng của

hệ các bảng mạch để cho detector có thể hoạt động bền vững lâu dài trong

suốt thời gian làm thí nghiệm (hơn 10 năm). Vì thế chúng tôi đã tiến hành xác

định nguồn gốc của các neutron trên hệ các bảng mạch để từ đó tiến hành che

chắn thích hợp. Kết quả xác định nguồn gốc neutron cho thấy neutron trên hệ

bảng mạch được sinh ra từ mọi nơi, nhiều nhất là vùng nằm trong đường ống

của chùm tia, ngay phía trong hệ các bảng mạch (-150cm<z < -90).

Sau khi xác định vùng cần phải che chắn chúng tối đã nghiên cứu và tiến

hành che chắn neutron ở vùng này. Vùng không gian được sử dụng để che

chắn là vùng trống nằm ngay phía sau hệ các bảng mạch. Sau khi thiết kế hình

học chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu hiệu quả che chắn của ba loại vật liệu

là PolyEthylene, 5%BoratedPolyEthylene, 30%BoratedPolyEthylene. Kết quả

đánh giá che chắn với 3 loại vật liệu này cho thấy thông lượng neutron giảm

đi hơn một nữa, chỉ còn khoảng 95*109 neutron/cm2/năm. Hiệu quả nhất là

PolyEthylene, 5%BoratedPolyEthylene, tuy nhiên hai vật liệu này cho hiệu



quả che chắn như nhau, nên chúng ta chọn PolyEthylene để làm vật liệu che

chắn cho hệ các bảng mạch.



TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. A.xiao, M.Borland (2007), “Touschek effect calculation and its application

to a transport line”, Proceedings of PAC07, Albuquerque, New Mexico,

USA

2. A. Piwinski (1999), The Touschek effect in strong focusing storage rings.

3. Clement Ng (2010), Simulation study of beam induce background at the

SuperKEKB interaction region, Master thesis University of Tokyo.

4. Dariusz Makowski (2006), The Impact of radiation on the electronic

devices with the special consideration of neutron and gamma radiation

monitoring, Ph.D Dissertation Technical University of Lodz

5. Donald H. Perkins (2001), Introduction to High Energy Physics,

Cambridge University Press.

6. H.Nakano (2011), “Beam background simulation for superkekb / belle-II”,

Proceedings of IPAC2011, San Sebastián, Spain

7. H.Nakano (2011), A simulation of beam background at KEKB and

SuperKEKB colider, Master thesis, Tohoku university

8. H.Nakayama (2011), Beam background, Belle II focus review Nov.11.

9. H.Bhabha (1936), “The Scattering of Positrons by Electrons with Exchange

on Dirac’s Theory of the Positron”, Proc. Roy. Soc., A154, p. 195

10. KEK (2010), Belle II technical design report ,

http://b2comp.kek.jp/~twiki/pub/Organization/B2TDR/B2TDR.pdf.

11. KEK (2010). Physics at super b factory, http://belle2.kek.jp/physics.html.

12. L.Widhalm (2005), CP violation in B decay, Lecture at 2005 school of

high energy physics, Australia



13. R.Kliess, H. Burkhardt. (1994), “BBBREM - Monte Carlo simulation of

radiative Bhabha scattering in the very forward direction”, arXiv:hep-

ph/9401333v1

14. S.Uno(2003), “Drift Chamber for Super B-Factory”, Super B Factory

Workshop in Hawaii University.

15. T. Higuchia, M. Nakaoa and E. Nakanob (2011), “Radiation tolerance of

readout electronics for Belle II”, Topical workshop on electronics for

particle physics.

16. Vorgelegt von(2007), Radiontion damage in silicon, Thesis University

Hamburg.

17. http://www.deqtech.com/Shieldwerx/Products/swx201hd.htm



PHỤ LỤC

Phụ lục 1 - Cấu trúc của một Module trong Basf2

#ifndef TEMPLATEMODULE_H #define TEMPLATEMODULE_H #include <framework/core/Module.h> namespace Belle2 { /** A module template. * * A detailed description of your module. */ class TemplateModule : public Module { public: /** Constructor, for setting module description and parameters. */ TemplateModule(); /** Use to clean up anything you created in the constructor. */ virtual ~TemplateModule(); /** Use this to initialize resources or memory your module needs. * * Also register any outputs of your module (StoreArrays, RelationArrays, * StoreObjPtrs) here, see the respective class documentation for details. */ virtual void initialize(); /** Called once before a new run begins. * * This method gives you the chance to change run dependent constants like alignment parameters, etc. */ virtual void beginRun(); /** Called once for each event. * * This is most likely where your module will actually do anything. */ virtual void event(); /** Called once when a run ends. * * Use this method to save run information, which you aggregated over the last run.



*/ virtual void endRun(); /** Clean up anything you created in initialize(). */ virtual void terminate(); private: //define your own data members here }; } #endif

Đồng Văn Thanh

Documents

Transcript of Đồng Văn Thanh