Сибирские ученые впервые в мире создали многослойный аэрогель, который позволит с рекордной точностью измерять скорости элементарных частиц, например, в экспериментах на Большом адронном коллайдере
Об этом сообщил старший научный сотрудник Института ядерной физики имени Будкера СО РАН Евгений Кравченко.
Аэрогель - наименее плотный из всех твердых материалов. Он на 99,8% состоит из воздуха и на 0,2% - из наноразмерных волокон диоксида кремния. Оборудование с использованием аэрогеля работает как в ускорителях, так и в открытом космосе: на борту станции "Мир" аэрогель использовали для улавливания микрометеоритов, а американский зонд Stardust с его помощью "поймал" миллионы крошечных частиц из хвоста кометы Вильда (81P/Wild 2) и доставил эти образцы на Землю.
В программе BESS, которая проводилась в 2004 и 2007 годах в Антарктиде международной коллаборацией под эгидой НАСА, оборудование с радиатором из аэрогеля поднимали на стратостате в верхние слои атмосферы, чтобы регистрировать заряженные частицы из космоса.
"Когда заряженная частица - электрон, мюон, протон или ядро антивещества - проходит через аэрогель быстрее, чем скорость света в этом веществе, она производит в нем вспышку черенковского излучения, направленного под определенным углом от линии движения частицы. Направление излучения в сочетании с другими расчетными данными позволяет определить скорость частицы, на основании чего можно идентифицировать ее. Для проведения измерений за блоками аэрогеля установлена матрица из кремниевых фотоумножителей, а сами блоки играют роль радиатора, который излучает на эту матрицу фотоны. Чем больше фотонов, тем точнее информация", - пояснил Кравченко.
Заведующий группой аэрогелевых материалов Института катализа СО РАН Александр Данилюк объяснил, что производство аэрогеля очень дорого обходится, а его потребителями, в основном, являются научные организации. Поэтому массово его производят лишь две лаборатории в мире, которые смогли получить этот материал с лучшими оптическими параметрами - японская компания Matsushita и Институт катализа, лидирующий по прозрачности и размеру блоков аэрогеля. Технология производства многослойного аэрогеля - полностью сибирская разработка. Систему с его использованием назвали ФАРИЧ - фокусирующий аэрогелевый черенковский детектор частиц.
Каждый слой аэрогеля толщиной 5-7 миллиметров имеет свою плотность и показатель преломления света.
"Это нужно, чтобы все фотоны, рожденные от прошедшей сквозь аэрогель частицы, попадали в одну область на матрице кремниевого фотоумножителя и давали рекордную точность при измерении скорости, не увеличивая при этом ширину светового кольца, то есть не "размазывая" изображение по матрице", - пояснил Кравченко.
Он отметил, что при больших скоростях для определения типа частицы нужна очень высокая точность измерений. Например, если импульс мюона превышает 0,6 гигаэлектронвольт на скорость света в вакууме (ГэВ/с), то его нельзя отличить от пиона с помощью существовавших до сих пор методов.
"Многослойный аэрогель позволит "узнавать" частицы с импульсом до 1,6 ГэВ/с. Испуская фотоны в ту же область, каждый слой увеличивает точность измерений. Четыре слоя аэрогеля дают четырехкратное увеличение точности", - сказал ученый.
По словам Кравченко, детекторы ФАРИЧ предложены сотрудниками ИЯФ для проекта "супер чарм-тау фабрики" - это электрон-позитронный коллайдер, который позволит с высокой точностью измерять параметры частиц, рождающихся в области энергий от 1 до 2,5 ГэВ. В первую очередь, к ним относятся тау-лептон и "очарованный" (charm) кварк.
"Фабрика" вошла в число шести научных мегаустановок, которые получат поддержку государства при условии широкого международного участия.
Площадь аэрогелевого радиатора в нем составит 17 квадратных метров, а фотонного детектора - 21 квадратный метр, или миллион пикселей кремниевого фотоумножителя. Для сравнения масштабов: матрицы используемых сегодня фотоумножителей содержат десятки и сотни пикселей. Желание участвовать в создании супер чарм-тау фабрики в Новосибирске выразили такие крупные научные центры, как европейский ЦЕРН, японская лаборатория КЕК, итальянский Институт ядерной физики (INFN) и другие.
"Чтобы вывести такой поток информации, понадобится тысяча десятигигабитных оптических линков, а для ее обработки будет нужен мощный суперкомпьютерный центр, поэтому этот мегапроект даст мощный импульс развития технологий параллельного вычисления, передачи и хранения больших объемов данных и разработки узкоспециальных чипов и процессоров под наши задачи", - сказал Кравченко.
Вместе с группой физиков из Института ядерных исследований РАН (Москва) ИЯФ разработал проект системы ФАРИЧ для модернизации детектора ALICE на Большом адронном коллайдере в Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН). Эксперимент с четырехслойным аэрогелем в ЦЕРНе планируется провести в июне 2012 года.