HESR Day-One实验反冲粒子探测器的研制及其在COSY上开展的pp弹散实验

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(P)ANDA实验是反质子-重离子研究装置FAIR上的主要实验之一,它将利用动量在1.5至15 GeV/c范围内的高品质反质子束来开展广泛的物理研究。(P)ANDA亮度探测器的目标是测得绝对积分亮度的精度达到△L/L≤3%。对(P)ANDA实验束流亮度的刻度需要知道反质子-质子弹性散射微分参数σtot,ρ和b。然而,在(P)ANDA实验所用束流动量范围内,现有弹性散射微分参数的数据无法满足(P)ANDA束流亮度的高精度刻度。  HESR Day-One实验的目的是测量大范围反质子-质子弹性散射的|t|分布来确定弹性散射微分参数σtot,ρ和b,从而达到(P)ANDA实验所需的亮度刻度的精度要求。HESR Day-One实验将利用ANDA亮度探测器来测量前角区被散射的反质子,用反冲粒子探测器来测量反冲质子。一个反冲臂包括2个Si探测器和2个Ge探测器,覆盖的极角范围为θ∈[71°,91.5°]。 Si探测器将用来测量能量在12MeV以下的反冲质子,Ge探测器用来测量能量高至60 MeV的反冲质子。  一个反冲粒子探测器建造完成后,在实验室条件下用244Cm放射源对Si和Ge探测器进行了系统测试。确定了Ge探测器的优化工作温度为125 K,在该工作温度下Si和Ge探测器的能量分辨分别好于20 keV和30 keV。  对Si和Ge探测器的能量刻度进行了研究。得到Si和Ge探测器的刻度误差分别为0.33%和0.31%。同时确定了Ge探测器的死层厚度。  对束流动量为3.2 GeV/c时的质子-质子弹性散射进行了模拟研究。得到了探测器条的接收度分布,重建了经过探测器接收度修正后的微分计数随|t|的分布谱,对具有特征形状的|t|分布谱进行分析,得到了质子-质子弹性散射微分参数σtot,ρ和b及相应的系统误差。  (p)p和pp弹性散射具有相似的动力学过程和相同的反冲粒子,因此可以通过测量pp弹性散射来了解反冲粒子探测器在测量(p)p散射时的性能。将反冲粒子探测器安装在COSY环的ANKE靶室处开展质子-质子弹性散射实验。测试所用的束流动量分别为1.7,2.5,2.8和3.2 GeV/c。对束流动量为2.8 GeV/c和3.2 GeV/c的数据进行了分析,得到了不同束流动量时弹性散射微分参数以及束流-靶积分亮度。估算得到微分参数σtot和b的误差小于1%,ρ的误差约为2%,时间积分亮度L的测量精度亦达到了小于3%的目标。将本实验测得的质子-质子弹性散射参数与根据已有数据估算的值进行了比较,本实验中测得2.8 GeV/c和3.2 GeV/c时的反应总截面和ρ与估算值之间的差别小于1.5%,b比估算值大~20%。确定了束流动量为2.8 GeV/c和3.2 GeV/c时的微分截面dσ/dt随|t|的分布。在|t|∈[0.02,0.095](GeV/c)2范围内,2.8 GeV/c和3.2 GeV/c的微分截面与Plab=3.0 GeV/c时的微分截面在分布上符合得很好。测试结果表明,HESR Day-One实验方案是可行的,数据分析方法是可靠的。
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