Simulation of radiation environment for the large hadron electron collider detector

Abstract

CERN'de Büyük Hadron-Elektron Çarpıştırıcısı (BHeÇ), Büyük Hadron Çarpıştırıcısı'ndan (BHÇ) gelen 7 TeV' lik protonların/iyonların, enerji geri dönüşüm hızlandırıcısında (ERL) üretilecek olan 60 GeV'lik elektronlar ile çarpışmasını inceleyecek üzere önerilen bir programdır. Geniş fizik programına, özellikle leptonlar ve kuark-gluon ile alakalı fizik hedeflerine sahip olan BHeÇ, BHÇ için tamamlayıcı bir proje olarak planlanmıştır ki bu hedefleri gerçekleştirmek için BHeÇ çalışma grubu tarafından çok amaçlı ve maksimum verimli bir algıç tasarlanmıştır. Yüksek enerjili çarpışan demetler nedeniyle algıçta yüksek bir ışınlık ve dolayısıyla yüksek bir radyasyon oluşması beklenmektedir. Algıçtaki radyasyon ortamının simülasyonu, projenin ömrü ve algıç hasarını tahmin etmek için büyük önem taşımaktadır. Bu çalışmada FLUKA Monte Carlo kodunu kullanarak, LHeC algıcı için radyasyon ortamının benzetişimi yapılmıştır. Öncelikle, LHeC detektörünün geometrisi, BHeÇ'in kavramsal tasarım raporunda açıklandığı gibi, her alt algıç için gerekli radyasyon ve etkileşim uzunluğu değerleri dikkate alınarak FLUKA benzetişim programında tanımlanmıştır. Daha sonra ise, yeni benzetişim yapılan geometride, PYTHIA 6 olay üretim programı tarafından üretilen bir elektron-proton veri dosyası çalıştırılmıştır. LHeC algıcının tüm alt elemanlarında önemli radyasyon tahminleyicileri (parçacıkların dağılımı, Dose, NIEL vb.) öngörülmüştür. Sonuçlar iz sürücüde, özellikle ön bölgelerinde (forward regions), daha yoğun parçacık dağılımını göstermektedir. Ayrıca ön (forward) kalorimetrelerde (FEC ve FHC) 7 TeV'lik proton demetleri nedeniyle daha yüksek radyasyona maruz kalmaktadır. Bunun yanında, algıç cevabı daha iyi incelenmesi için, izotropik olarak gönderilen proton olaylarının davranışı algıçta incelenmiştir.

The Large Hadron electron Collider (LHeC), a future project proposed at CERN, is designed to collide 60-140 GeV electron/positron beam accelerated in an Energy Recovery Linac (ERL) with the 7 TeV Proton or massive ion beam from existing Large Hadron Collider (LHC) machine. This is planned to be a complementary project for the LHC presenting an expanded range of physics goals especially those associated with leptons and quark-gluon. To accomplish these goals, a multi-purpose 4 pi detector with large acceptance Deep inelastic scattering (DIS) has been designed by the LHeC study group. A high luminosity and therefore an extreme radiation background is expected in the detector due to the high energy colliding beams. The simulation of this radiation is of great importance for estimating the detector damage and predictions over the lifetime of the project. This study presents the preliminary simulations of radiation environment for the LHeC detector using FLUKA Monte Carlo code. Firstly, the geometry of the LHeC detector was constructed in FLUKA using the LHeC detector baseline layout reported in LHeC CDR. The required radiation length X_0 and interaction length for each sub-system were taken into account while defining the new composite materials. Secondly, an electron-proton event data obtained by PYTHIA 6 event generator was run in the newly-built virtual geometry. The essential radiation estimators (Particle Fluence, Dose, NIEL) were predicted in all sub-systems of the LHeC detector. More intense particles fluence is foreseen in the tracker system, particularly in the forward regions. Forward Calorimeters (FEC and FHC) are also exposed to a higher radiation due to 7 TeV proton beams. Besides, for a better understanding of the detector response, the behavior of isotropically sent proton events in the detector is explored.