Немецкие физики работают над детектором для коллайдера Супер С-тау фабрика

: 21.01.2021

Специалисты Гисенского университета имени Юстуса Либиха (Германия) участвуют в разработке одной из систем детектора для проекта электрон-позитронного коллайдера Супер С-тау фабрика Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН). Работа ведется в рамках программы CREMLINplus (Connecting Russian and European Measures for Large-scale Research Infrastructures), целью которой является развитие и укрепление научного сотрудничества России и Европейского союза в области исследовательской инфраструктуры. Специалисты из Германии занимаются разработкой одного из вариантов системы идентификации заряженных частиц, которая называется FDIRC (Focusing Detector of Internally Reflected Cherenkov light). Другой вариант системы идентификации, FARICH (Focusing Aerogel RICH), параллельно разрабатывается специалистами ИЯФ СО РАН.

«Система идентификации частиц, – пояснил научный сотрудник ИЯФ СО РАН Сергей Кононов, – является одной из важнейших систем детектора почти любого современного ускорительного эксперимента. Без такой системы изучение некоторых процессов, измерение их параметров с заданной точностью сложно, а в некоторых случаях и невозможно. Параллельная разработка двух вариантов системы идентификации создает здоровую конкуренцию, но прежде всего, синергию: это сотрудничество по общим задачам, обмен опытом, связями с экспертами и производителями, человеческими и материальными ресурсами. Все это позволяет быстрее и результативнее развивать проект».

Лучи лазера, сфокусированные с помощью DIRC. Фото предоставлено М. Дюреном.

Группа физиков из Гисенского университета присоединилась к проекту Супер С-Тау фабрики в 2018 году и более активно включилась в работу со стартом совместной российско-европейской программы CREMLINplus в начале 2020 года.

«На протяжении многих лет наша группа в Гисенском университете работала над детекторами Черенковского излучения для эксперимента PANDA Центра по исследованию ионов и антипротонов (FAIR), – отметил Микаэль Дюрен, профессор Гисенского университета имени Юстуса Либиха. – Для меня было естественно присоединиться к работе над коллайдером Супер С-тау фабрика, поскольку физические задачи этого проекта в некоторой степени похожи. Однако вызовы, которые ставит перед нами этот проект, гораздо более амбициозные, поскольку статистическая точность в Супер С-тау фабрике будет намного выше, чем в PANDA, а значит, технические требования к детектору также очень высокие».

Микаэль Дюрен (слева) с командой исследователей на испытаниях DIRC в ЦЕРН. Фото предоставлено М. Дюреном

Как отметил Сергей Кононов, оба варианта системы идентификации частиц являются детекторами черенковских колец (Ring Imaging Cherenkov counter – RICH), которые предназначены для измерения черенковского угла, рождаемого в прозрачной среде при прохождении в ней заряженной частицы. Черенковский угол зависит от скорости частицы и от показателя преломления среды. В детекторе типа RICH с помощью некоторых оптических схем формируется изображение кольца (или дуг кольца) из нескольких десятков зарегистрированных фотонов на частицу. По радиусу кольца (дуг) можно определить черенковский угол и, следовательно, скорость частицы. Измеряя скорость, а также импульс частицы в трековой системе детектора, можно определить массу и, следовательно, тип частицы. Поэтому детекторы RICH относятся к детекторам идентификации (заряженных) частиц.

«Основное отличие между вариантами FDIRC и FARICH – в материале, в котором регистрируется черенковское излучение, или радиаторе, – прокомментировал Сергей Кононов. – В случае FDIRC в качестве радиатора используется синтетический кварц, который имеет показатель преломления 1,47, как у обычного стекла. В детекторе типа FARICH радиатором является аэрогель диоксида кремния. Это высокопористое твердое прозрачное вещество с показателем преломления, варьирующимся от 1,006 до 1,13. Такой аэрогель с наилучшей в мире прозрачностью производят недалеко от ИЯФ, в Институте катализа СО РАН. Оба варианта, FDIRC и FARICH, обладают уникальными преимуществами. Быстрые заряженные частицы в аэрогеле производят черенковское излучение, более слабое и с меньшим черенковским углом, чем в синтетическом кварце. Зато разница в черенковских углах у разного типа частиц с одинаковым импульсом больше в аэрогеле, чем в кварце, и точность измерения черенковского угла (разрешение) выше в аэрогеле. По оценкам, качество разделения частиц в FARICH будет лучше, чем в FDIRC. Однако вариант FDIRC при худшей точности измерения скорости частиц все равно может быть более привлекательным, если его точности достаточно для идентификации частиц во всем диапазоне импульсов, наблюдаемых в эксперименте, так как он значительно дешевле и требует существенно меньше фотонных сенсоров, которые являются самыми дорогими компонентами таких детекторов».

Аэрогель. Фото - Светлана Ерыгина.

Как отметил старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН, кандидат физико-математических наук Александр Барняков, помимо Гисенского университета в рамках проекта CREMLINplus над детектором для Супер С-тау фабрики работают еще несколько европейских организаций. Разработкой опции внутреннего трекера занимаются итальянские физики из институтов LNF-INFN (г. Фраскати) и Ferrara-INFN (г. Феррара), опцией основного трекера – итальянские физики из институтов Lecce-INFN (г. Лече) и Bari-INFN (г. Бари). Европейский центр ядерных исследований (ЦЕРН) подключился к разработке программного обеспечения для описания и моделирования детектора, французские физики из IJCLab-Orsay (прежде LAL, г. Орсэ) участвуют в разработке некоторых элементов ускорителя.

«Каждое из перечисленных направлений, – отметил Александр Барняков, – предполагает плотное участие сотрудников ИЯФ, речь идет не о делегировании нашим партнерам ответственности, а о совместной работе, которая распределена между европейскими институтами и нами. Успешное выполнение задач проекта CREMLINplus предполагает регулярное общение ученых из разных стран и институтов, совместное планирование работ, проведение совместных испытаний. Помимо задач, решаемых в рамках программы CREMLINplus, в ИЯФ СО РАН на протяжении многих лет ведется самостоятельная работа над проектом».

Аэрогель. Фото предоставлено С. Кононовым ред

Аэрогель. Фото предоставлено С. Кононовым

Концепция детектора окончательно будет зафиксирована после создания полноценной коллаборации вокруг эксперимента, которая должна утвердить физическую программу проекта.

«Программа CREMLINplus имеет четкие временные рамки и цели, – прокомментировал Александр Барняков, – она началась в 2020 году и рассчитана на 4 года. По всем направлениям программы сегодня уже начато или вот-вот начнется производство прототипов (или их основных узлов). Этот задел поможет нам достичь хорошего уровня проработанности концепции детектора на момент принятия решения о сроках реализации и объемах финансирования всего проекта Супер С-Тау фабрика».

В 2011 г. Правительственная комиссия отобрала шесть проектов класса мегасайенс для реализации на территории Российской Федерации, среди которых был электрон-позитронный коллайдер Супер С-тау фабрика. В 2017 г. проект Супер С-тау фабрики был включен в План реализации Стратегии научно-технологического развития России, а в 2018 г. он вошел в число проектов, планируемых к реализации в рамках программы развития Новосибирского научного центра СО РАН «Академгородок 2.0». Основная цель экспериментов на Супер С-тау фабрике — изучение частиц, содержащих очарованные кварки и тау-лептоны, поиск новых физических эффектов, не описываемых Стандартной моделью.