11 мая 2016

В МИФИ разрабатывают детекторы переходного излучения, способные работать в рекордно высокой области энергий

НИЯУ МИФИ
Фото 1. Сотрудник Петербургского института ядерной физики (ПИЯФ) К. Егоров (слева) и профессор кафедры №40 НИЯУ МИФИ А.С. Романюк в самом центре установки ATLAS на БАК после монтажа центрального модуля детектора TRT (виден на заднем плане). ЦЕРН, 2006 г.

Переходное излучение (ПИ) – электромагнитное излучение релятивистской частицы, переходящей через границу двух сред с различными значениями диэлектрической проницаемости, было предсказано впервые в 1946 году В.Л. Гинзбургом и И.М. Франком. Экспериментально эффект обнаружили в Ереванском физическом институте в 1959 году.

Как сказал руководитель Центра «Фундаментальные исследования и физика частиц» С.Г. Рубин, использовать переходное излучение для детектирования частиц предложил бывший заведующий кафедрой №40 Б.А. Долгошеин. «Идея оказалась плодотворной и уже используется в детекторах, которые применяются в самых разных областях как в космосе, так и на Земле. В частности, детектор ПИ успешно работает в эксперименте ATLAS, находясь "в самом центре событий". Это один из детекторов, при помощи которых был открыт бозон Хиггса. Физическая идея переходного излучения перспективна и будет продолжать приводить к появлению новых детекторов еще многие десятки лет», – отметил Сергей Георгиевич.

Кафедра физики элементарных частиц НИЯУ МИФИ активно участвует в международных физических экспериментах, в том числе связанных с применением переходного излучения. Начиная с 1978 года, ученые приступили к разработке экспериментальной методики, использующей эффект переходного излучения, созданию научной аппаратуры, проведению экспериментов на пучке ускорителя SPS в CERN. В 1984-1989 годах для эксперимента NA34 (HELIOS) был создан полномасштабный детектор ПИ для идентификации электронов на уровне быстрого триггера. На его базе создавались разработки перспективных детекторов под будущий на тот момент времени Большой Адронный Коллайдер. Сотрудники кафедры №40 разработали уникальный комбинированный высокоскоростной трековый детектор переходного излучения для эксперимента ATLAS на БАК, который будет работать до 2023 года. 

«Технология детекторов ПИ была с успехом использована многими нашими коллегами. Так, нобелевский лауреат Сэмюэл Тинг в 2011 году отправил на Международную космическую станцию детектор космических лучей AMS-02. В его составе присутствует детектор ПИ, базирующийся на разработке научной группы кафедры физики элементарных частиц»,

– отметил ст. преподаватель кафедры №40 Смирнов Сергей Юрьевич.

Помимо эксперимента ATLAS в CERN, где непосредственно принимают участие ученые МИФИ, планируется новый эксперимент SAS (Small Angles Spectrometer). К его запуску на кафедре №40 под руководством профессора А.С. Романюка должны предложить новую и неожиданную конструкцию детектора ПИ. Предоставленный проект «Разработка детекторов переходного излучения для идентификации адронов в ТэВ-ной области энергий» был поддержан Российским научным фондом на получение гранта. Сотрудники МИФИ оказались первыми, кто решили разработать детекторы переходного излучения (ДПИ), способные разделять адроны (протоны, K-мезоны и пи-мезоны) в рекордно высокой области энергий от 1 до 6 ТэВ.

Фото 2. Один из модулей торцевой части детектора TRT в монтажном корпусе CERN. 2000 г.

Обычно ДПИ используются для отделения электронов от адронного фона, и их рабочая область ограничивается для адронов гамма-фактором ~500. При более высоких значениях гамма-факторов выход переходного излучения от адронов становится существенным, но практически он достигает насыщения при гамма-факторах ~ 3*10^3. Однако во многих экспериментах в космических лучах и на современных и перспективных ускорителях возникают проблемы идентификации частиц в области гамма-факторов вплоть до ~10^5. Это крайне трудная задача, и в настоящее время не существует детекторов, способных уверенно разделять частицы с единичным зарядом в этой области гамма-факторов.

Создание ДПИ для идентификации адронов в ТэВ-ной области энергий открыло бы возможности решения многих задач в экспериментах на ускорителях и в космических исследованиях. Например, разрабатываемая методика является ключевой в планируемом эксперименте по изучению образования адронов под малыми углами на Большом Адронном Коллайдере, где требуется разделение протонов, каонов и пионов в диапазоне энергий 1-6 ТэВ. Также изучение фундаментальных процессов квантовой хромодинамики под малыми углами (малыми переданными поперечными импульсами), как измерение состава адронов в экспериментах при энергиях БАК, является крайне актуальным для физики космических частиц. Они позволят существенно улучшить точность при детектировании частиц с энергиями вплоть до 10^17 эВ, где наблюдается изменение поведения спектра частиц.

Фото 3. Сотрудник Индианского университета (США) Дж. Каллаген на сборке центрального модуля детектора TRT в монтажном корпусе ЦЕРН

Свойства ДПИ в значительной мере определяются радиаторами переходного излучения. В ходе работы над проектом будут проведены теоретические исследования, направленные на изучение возможностей применения различных материалов и структур для радиаторов переходного излучения. Результатом работ будут предложения и рекомендации по созданию ДПИ для разделения адронов в области энергий 1-6 ТэВ, а также изготовлены рабочие прототипы такого детектора и проведены их тестовые испытания на пучках частиц.