Научная группа Томского политехнического университета принимает участие в апгрейде Большого адронного коллайдера (БАК), расположенного в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН). Задача политехников в работе по обновлению БАК — анализ имеющихся и создание более надежных алмазных детекторов нового поколения. Эти детекторы будут фиксировать столкновения элементарных частиц, разгоняющихся до скоростей, близких к скорости света. Такие столкновения происходят каждые 28 наносекунд.
«Энергии, которые возникают во время экспериментов на Большом адронном коллайдере — самые высокие в мире. Условия экспериментов тоже необычные — столкновения частиц происходят каждые 28 наносекунд. Соответственно, нужны надежные и максимально точные детекторы, которые дают быстрый отклик на эти столкновения и быстро восстанавливаются», — отмечает Павел Каратаев, профессор университета Роял Холлоуэй, заведующий лабораторией разработки источников электромагнитного излучения Центра RASA на базе ТПУ и один из организаторов работы научной группы политехников в ЦЕРНе.
В Европейском центре ядерных исследований группа ТПУ входит в состав проекта BRIL (Beam Radiation Instrumentation and Luminosity) по измерению характеристик пучка элементарных частиц. Этот проект реализуется на базе коллаборации CMS — одного из крупнейших международных научных объединений в ЦЕРНе.
В рамках проекта BRIL политехники работают над повышением надежности уже существующей системы алмазных датчиков BCML (Beam Condition Monitor Leakage), отвечающей за безопасность на Большом адронном коллайдере, а также тестируют собственные детекторы из синтетических алмазов, выращиваемых учеными Института физики высоких технологий ТПУ.
По словам Павла Каратаева, в ближайшем будущем, с целью продолжения экспериментов на Большом адронном коллайдере, ученые ЦЕРНа планируют увеличить интенсивность протонного пучка в десять раз. Если это сделать сейчас, не подготовленные к таким нагрузкам датчики, фиксирующие столкновения частиц и отвечающие за измерение светимости пучка в непосредственной близости к нему, попросту перестанут выполнять свою функцию.
«Те детекторы, которые установлены на БАК сейчас, ведут себя зачастую непредсказуемо, и физикам не всегда удается понять и определить причину различия в их рабочих характеристиках и времени наработки на отказ. Например, почему из двух датчиков, сделанных одним и тем же производителем, один быстро выходит из строя, а другой продолжает работать в тех же самых условиях много месяцев. Мы как раз стараемся сейчас выяснить, что происходит внутри таких алмазных детекторов, чтобы затем сделать их точнее и устойчивее к высоким энергиям усиленного пучка Большого адронного коллайдера», — рассказывает Виталий Охотников, инженер лаборатории №1 Института физики высоких технологий ТПУ, курирующий в ЦЕРНе проект BCML.
Микрофотография поликристаллической алмазной пленки, вид сверхуДля этого политехники провели измерение всех детекторов, которые установлены на сегодняшний день в ЦЕРНе.
«Сейчас мы облучаем их частицами. Облучать эти датчики нам предстоит в течение двух месяцев при разной нагрузке по напряжению и степени облучения, чтобы определить для каждого детектора свое индивидуальное рабочее напряжение, спрогнозировать скорость износа, примерное время работы этих датчиков при определенных мощностях и другие их характеристики, — поясняет Виталий Охотников. — Также мы ставим себе целью разработать детекторы на основе синтетических алмазов и изготавливать их уже на базе ТПУ. Они будут отличаться от аналогов более прогнозируемым качеством, износостойкостью, а главное, их рабочие параметры будут предсказуемы».
Кроме этого, ученые ТПУ принимают участие в модернизации системы безопасности BCML ЦЕРНа. Система автоматически отключает ускорители коллайдера при превышении уровня светимости и радиации, фиксируемых датчиками. После ее апгрейда, ученым будет легче работать над заменой не пригодных для дальнейшей работы датчиков и как можно меньше взаимодействовать с исходящими от них вредным излучением и радиацией.
Компактный мюонный соленоид (Compact Muon Solenoid, CMS) — один из двух больших универсальных детекторов элементарных частиц на Большом адронном коллайдере, благодаря которому учеными был получен бозон Хиггса. Коллаборация CMS — одно из крупнейших международных научных объединений в ЦЕРНе. Участие в эксперименте CMS принимают свыше 3000 ученых из 42 стран мира.