Физики создали модель движения частиц в коллайдере Супер С-тау фабрика
- 19.09.2024
Супер С-тау фабрика – это будущий электрон-позитронный коллайдер, проект которого развивает Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН). Научная программа установки включает изучение частиц, содержащих очарованные кварки и тау-лептоны, и поиск новых физических эффектов, не описываемых Стандартной моделью. Концептуально проект уже разработан. Сегодня исследователи занимаются детальной проработкой технических решений для элементов установки и моделированием различных процессов эксперимента. Так, например, было проведено моделирование поведения электронов (их скорость, поперечная и продольная диффузия) в газовой смеси для внутренней трекинговой системы – части детектора, которая первая видит рожденные после столкновения электронов и позитронов частицы. Именно от выбора газовой смеси зависит качество измерения траектории полета детектируемых частиц.
Задача детектора коллайдера в том, чтобы восстановить картину рождения частиц, возникающих при аннигиляции электронов и позитронов, то есть зарегистрировать продукты соударения и измерить их параметры. Подзадач у подобного устройства много и все они должны решаться с высокой точностью, поэтому детектор состоит из различных систем, встроенных одна в другую, и напоминает матрешку. Внутренняя трекинговая система, или время-проекционная камера, представляет собой небольшой цилиндр высотой 60 см и диаметром 40 см, и именно она первая включается в работу, когда частицы долетают до детектора.
«Во время-проекционной камере, заполненной специальной газовой смесью, при помощи электродов создается однородное электрическое поле, – пояснил старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН, старший научный сотрудник Лаборатории космологии и физики элементарных частиц Физического факультета НГУ кандидат физико-математических наук Андрей Соколов. – Через камеру пролетает заряженная частица, оставляя в газовой смеси след, или трек, в виде ионизованных атомов газа. Ионы медленно дрейфуют в одну сторону, а электроны – быстро и в другую. Нас интересуют как раз электроны. Когда они добираются до торца камеры, в этой области их регистрирует микроструктурный газовый детектор, способный фиксировать одноэлектронные импульсы каждые 100 наносекунд. Эти высокочувствительные устройства создаются в ИЯФ СО РАН в лаборатории 3, под руководством доктора физико-математических наук Льва Исаевича Шехтмана. Если мы с высокой точностью можем измерить скорость дрейфа, то мы можем вычислить и место, откуда прилетела частица. Газовая смесь – это ключевой элемент данной системы. От нее зависит скорость дрейфа частиц, которая может отличаться в десять раз у разных смесей. Пространственное разрешение, то есть то, как точно мы сможем измерить траектории частиц, также зависит от нее».
3D модель время-проекционной камеры. Иллюстрация предоставлена А. Соколовым.
Перед прототипированием трекинговой системы специалисты провели моделирование, то есть рассчитали параметры различных газовых смесей для определения лучшей. Данные расчеты проводил аспирант НГУ Виджаянанд Куттикатту Вадакеппатту, приехавший в Новосибирск из Индии. Сотрудничество проходило в рамках программы 5-100 по развитию университетов России в образовательной, научной и инновационной сферах. Одним из направлений этой программы было привлечение иностранных студентов и аспирантов для обучения в НГУ.
«Основная цель нашего исследования состояла в выборе подходящей газовой смеси, которую мы будем использовать в качестве среды для дрейфа электронов в камере временной проекции, а также для уменьшения обратного потока ионов в ней, – прокомментировал аспирант Виджаянанд Вадакеппатту. – Конкретных правил для выбора газовой смеси не существует, но в основном он зависит от транспортных свойств, то есть поперечной и продольной диффузии электронов и скорости их дрейфа. Мы провели детальное имитационное исследование различных газовых смесей, чтобы оценить эти параметры. В качестве основного газа были выбраны аргон и неон. Наше исследование показало, что несмотря на то, что в неоновых смесях диффузия электронов и обратный поток ионов меньше, скорость дрейфа в них тоже меньше. Маленькая скорость дрейфа увеличивает риск перекрытия треков, что значительно усложняет их реконструкцию. Поэтому мы решили использовать газовые смеси на основе аргона и перешли к исследованиям их разрешающей способности».
Физики провели имитационные исследования для более чем 25-ти газовых аргоновых смесей и выбрали две: одну с содержанием 50% тетрафторида углерода и другую с содержанием 40% тетрафторида углерода и 15% метана. Исследование показало, что использование данных видов смесей в трекинговой системе позволит получить поперечное пространственное разрешение лучше 200 микрометров и малый, около 1%, обратный поток ионов – параметры, требуемые для экспериментов на коллайдере Супер С-тау фабрика.
«Для подтверждения полученных при моделировании результатов необходимо протестировать прототип время-проекционной камеры, разработка которого сейчас ведется в ИЯФ. После этого мы полностью завершим этот этап работы», – добавил Виджаянянд Вадакеппатту.
Супер С-тау фабрика – ускорительный комплекс, предназначенный для проведения экспериментов со встречными электрон-позитронными пучками с энергией от 2 до 5 ГэВ с беспрецедентной светимостью, на два порядка превышающей достигнутую сегодня в мире в этом диапазоне энергии. Концепция нового коллайдера базируется на новом методе повышения светимости — Crab Waist, предложенном и разработанном специалистами INFN (Национальный институт ядерной физики, Италия) и ИЯФ СО РАН. Физическая программа основывается на поиске Новой физики в редких или запрещенных Стандартной моделью распадах очарованных частиц и тау-лептона. Похожие задачи решаются с помощью крупнейших современных экспериментов в области физики элементарных частиц, прежде всего — эксперимента Belle II на коллайдере SuperKEKB в лаборатории КЕК (Исследовательская организация ускорителей высокой энергии, Япония) и эксперимента LHCb на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН (Швейцария).