Фокусирующий аэрогель поможет распознать частицы в будущих экспериментах
Ученые Института ядерной физики им Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) разработали проект системы идентификации частиц для экспериментов на будущем новосибирском коллайдере – Супер С-Тау фабрике. Это одна из ключевых систем будущей установки, она позволит с высокой надежностью определять типы рождающихся в эксперименте частиц. Эта и другие перспективные разработки для нового коллайдера будут обсуждаться международными экспертами 26-27 мая 2018 года в ИЯФ СО РАН на первом совещании международного Совета Супер С-тау фабрики.
Образец аэрогеля. Фото Светланы Ерыгиной
Проект Супер С-тау фабрики нацелен на проведение экспериментов в области энергии, где в результате столкновения пучков электронов и позитронов рождаются с-кварки и тау-лептоны. Светимость коллайдера (величина, определяющая число рождений частиц, происходящих в единицу времени) будет составлять 1035см-2с-1. Ожидается, что при таких параметрах будет происходить до 300 тысяч событий в секунду. Чтобы их зарегистрировать, нужен современный детектор – это сложное устройство, позволяющее измерять энергию, направление движения рождающихся в эксперименте частиц, определять их тип. Для решения последней задачи необходима система идентификации.
Перспективным способом идентификации частиц является метод ФАРИЧ (детектор черенковских колец на основе фокусирующего аэрогеля). Заряженная частица, проходя через аэрогель, производит вспышку черенковского излучения, то есть образует фотоны. Они излучаются под определенным углом к направлению движения частицы, который зависит от её скорости. Зная координаты зарегистрированных фотонов, можно установить скорость частицы, что позволяет определить ее тип.
Образец аэрогеля. Фото Натальи Купиной
Подобная методика сегодня используется в эксперименте Belle-II коллайдера SuperKEKb в Японии и разрабатывается для эксперимента PANDA на ускорителе FAIR в Германии. Уникальность решения, предлагаемого новосибирскими исследователями для Супер С-Тау фабрики – в использовании четырехслойного фокусирующего аэрогеля, который умеют производить только в Институте катализа им. Г. К. Борескова СО РАН.
«Система идентификации для Супер С-тау фабрики должна быть на порядок больше по площади, чем японский и немецкий детекторы, – пояснил кандидат физико-математических наук, научный сотрудник ИЯФ СО РАН Александр Барняков, – а по степени фокусировки черенковского света лучше в два раза, чтобы обеспечить требуемое в эксперименте разделение частиц. Возможности данного метода были продемонстрированы на прототипе, испытанном на тестовом пучке в ЦЕРН. В качестве детектора фотонов использовалась передовая разработка фирмы Philips. В эксперименте была показана возможность получить требуемое качество разделения мю- и пи-мезонов».
Создание такой системы площадью 15-20 м2 с более чем миллионом каналов современной быстрой оцифровывающей электроники является очень амбициозной задачей.
«Мы успешно испытали наш прототип, убедились, что он эффективно работает. Но разработка на этом не заканчивается – продолжается тестирование, выбор конкретных технических решений, оптимальной электроники и фотонных детекторов. На рабочем совещании 26-27 мая мы представим коллегам из ведущих научных центров вариант системы идентификации на основе ФАРИЧ, а также разработки по другим элементам детектора. Нам очень важно верифицировать наши предложения в среде авторитетных экспертов, услышать их предложения, активнее вовлечь их в работу над проектом Супер С-Тау фабрики» – прокомментировал директор ИЯФ СО РАН, академик РАН Павел Логачев.
В Совет входят представители 10 стран, их работа направлена на экспертную оценку проекта Супер С-Тау фабрики и совместную работу над его развитием. На совещании будут обсуждаться текущие результаты по разработке систем будущей установки. Эта встреча – один из шагов к созданию коллаборации будущего эксперимента.
Комментарий эксперта, члена Совета Супер С-тау фабрики доктора Люси Линссен, ЦЕРН:
– Физика кварков и тау-лептонов изучается в нескольких научных центрах, например, КЕК (Япония), IHEP (Китай), LNF-INFN (Италия), CERN (Швейцария). Эксперименты, которые там проводятся, имеют разные физические цели и проектные параметры. Таким образом, информация, полученная на этих установках, будет дополнять друг друга, а перекрестная проверка результатов является частью их физических программ. Супер С-тау фабрика в Институте им. Будкера хорошо вписывается в эту мозаику. Как следует из названия, Супер С-тау фабрика в Новосибирске может исследовать физику тау-лептона, самого тяжелого лептона, а также различные состояния, содержащие с-кварки. Возможность изменять энергию электрон-позитронных столкновений открывает большие возможности для изучения физики тау-лептона. При низких энергиях вблизи порога рождения пары тау-лептонов, число этих частиц не является самым большим, однако благодаря кинематическим особенностям реакции, количество фоновых событий тоже невелико. Это позволяет очень точно измерять редкие каналы распада тау-лептона. Например, осуществлять поиск процессов, идущих с нарушением лептонного числа, что является горячей темой после обнаружения на LHC намеков на существование таких процессов. При более высоких энергиях будет произведено до 10 миллиардов тау-лептонов, что обеспечит очень хорошую точность измерений благодаря такой высокой статистике.
Физика с-кварков, доступная для изучения на этом коллайдере, также очень богата. Например, при сканировании по энергии можно наблюдать многие резонансные состояния, которые появляются при определенном значении энергии сталкивающихся частиц, и детально их изучить. Также можно изучить чармоний, состоящий из с-кварка и анти-с- кварка, и многие другие частицы (мезоны, барионы), содержащие очарованные кварки. Таким образом, Супер С-тау фабрика в Новосибирске обеспечит богатую физическую программу на многие годы.
Для достижения хорошей точности важно построить коллайдер с использованием новейших технологий, так как это обеспечит высокую производительность и благоприятные условия для проведения эксперимента.
В 2011 году Правительственная комиссия отобрала шесть проектов класса мега-сайенс для реализации на территории Российской Федерации (PIK, NICA, IGNITOR, ИССИ-4, XCELS и Супер С-Тау фабрика). В 2017 году проект Супер С-Тау фабрики в числе других проектов включен в План реализации Стратегии научно-технологического развития России.
Супер С-Тау фабрика – это электрон-позитронный коллайдер, который планируется построить в ИЯФ СО РАН. Основная цель экспериментов на Супер С-Тау фабрике — изучение процессов рождения очарованных кварков и тау-лептонов, поиск новых физических эффектов, не описываемых Стандартной Моделью.
Периметр ускорителя – около 800 метров, он будет расположен под землей на глубине более 10 метров. Проект Супер С-тау фабрики базируется на полувековом опыте ИЯФ СО РАН как одной из ведущих лабораторий мира в области физики высоких энергий.
Соглашения о намерении участия в реализации проекта Супер С-Тау подписаны с двумя международными и четырьмя зарубежными организациями. Около двух десятков российских и зарубежных исследовательских организаций и вузов выражают намерение участвовать в программе экспериментов на будущей установке. Завершается формирование международного комитета советников Супер С-Тау фабрики.
Стоимость реализации проекта Супер С-тау составляет в текущих ценах около 40 млрд.руб. (ускорительная, детекторная и инфраструктурная часть), срок создания установки – 6 лет с момента начала финансирования работ, период сохранения уникальности (мирового приоритета) установки – не менее 10 лет.
Справка об аэрогеле
Аэрогель – это твердый материал с рекордно низкой плотностью. Он состоит из очень маленьких частиц диоксида кремния, которые соединены в хаотические цепочки, и образуют сеть мезопор. Основная его составляющая – до 99,8 % – воздух. Один кубический сантиметр аэрогеля на основе кремния может весить от 0, 3 миллиграмм и способен выдержать нагрузку, в 4000 раз превышающую собственный вес. Этот материал обладает очень низкой теплопроводностью, благодаря чему выдерживает экстремально низкие и высокие температуры.
Блоки новосибирского аэрогеля используются в детекторе КЕДР коллайдера ВЭПП-4М ИЯФ СО РАН, где этого материала насчитывается 1000 литров, а для детектора СНД коллайдера ВЭПП-2000 ИЯФ СО РАН новосибирские ученые создали особый сверхплотный аэрогель. В проектируемом в Институте ядерной физики СО РАН коллайдере Супер С-тау фабрика также предполагается использование этого материала для регистрации элементарных частиц.
Аэрогель Института ядерной физики СО РАН и Института катализа Сибирского отделения РАН использовался в эксперименте LHCb (ЦЕРН), а сейчас применяется в проекте DIRAC (ЦЕРН). На Международной космической станции установлен универсальный детектор AMS02, в составе которого также используется новосибирский аэрогель. Детектор предназначен для регистрации потоков протонов, антипротонов и ядер. Одной из его задач является приближение к ответу на вопрос – почему материи во Вселенной существенно больше, чем антиматерии?