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标准模型中预言的Higgs粒子可以用来解释粒子质量的起源。但是目前为止,Higgs粒子是唯一一个在标准模型里没有被直接证实存在的粒子。Higgs可能出现的衰变道都是多喷注态,显然Higgs的寻找和探测就需要具有优异喷注能量分辨率的探测器。在这种背景下,一种致力于提高喷注能量分辨率的粒子流算法PFA(Particle Flow Algorithm)被提了出来,但是如果使用模拟读出的话,将会大大增加电子学读出的负担及费用,除非我们使用数字读出,这种技术才有可能实现。
在本论文中首先在基于SiD和lcsim的模拟中,应用了PFA,其能量分辨率明显好于传统上测量能量的方法。这在一定程度上比较令人信服地说明了粒子流算法的可行性。当e+e-→qq(uds)对撞能量低于200GeV时,1cm×1cm的RPC读出单元的PFA性能已接近目标要求。但是,目前的模拟结果也表明,该算法仍然需要优化以达到30％/√E的喷注能量分辨率的目标,特别是在高能量点。
阻型板室(RPC)探测器是上世纪八十年代初由意大利人Santonico首先发明使用的。目前为止,这种探测器已经广泛地被应用于高能物理实验中,因为它具有这样的优点:结构简单,性价比高,特别适于建造大面积的探测器。这也是为什么RPC是数字强子量能器探测器技术的首选。
本论文后面部分主要是关于玻璃RPC数字强子量能器模型的研发。一个小型的这样的量能器模型已经建造好并且进行了宇宙线和束流测试。这个小模型采用20cm×20cm大小的RPC,同时基于PFA设计理念第一次采用1cm×1cm的读数方块来读取信号。分析后的实验数据显示了正电子和π介子不同的簇射行为,同时也研究了RPC效率在高粒子计数率下的行为。特别是模拟数据和实验数据的吻合,使得我们更加深刻地理解了这种量能器的行为,更重要的是在目前阶段验证了这种数字式设计的可行性。在这个阶段,我们测试了两种不同类型的RPC,一种是双层玻璃RPC,另一种是单层玻璃RPC。后者是美国阿贡国家实验室首次发明使用的,这种设计显示了其在读出多重度方面的巨大优势,给了我们进一步提高RPC探测器空间分辨率的可能。另外,使用这个小模型我们也研究了RPC性能对于环境变量的依赖性,其中也包括工作气体流速的影响。所有这些研究结果同时也加深了我们对于RPC工作原理的理解。这些RPC已经运行了两年半,而且我们连续监测达一年之久,到现在为止,我们没有发现任何明显的老化现象。
鉴于在小模型上的成功,一个立方米模型目前正在建造中。这个模型将有38层,每层1m×1m大小,共约400,000读出道。这个模型将有助于我们获取运行大RPC系统的经验,在更细的细节上测量强子簇射,甚至验证模拟中的强子模型。在本论文里,也介绍了关于这个模型建造的前期预研进展。