На одном из крупнейших детекторов Большого адронного коллайдера — CMS — на днях прошла замена системы мониторинга радиационного фона и параметров сталкивающихся пучков. Одна из важных частей системы — система аварийного сброса пучка BCML, необходимая для защиты отдельных узлов CMS и их электроники от критических радиационных повреждений. Для нее ученые Томского политехнического университета установили восемь новых алмазных датчиков — это главная часть системы. Планируется, что новые детекторы прослужат от трех до пяти лет, до следующего обновления детектора. Стабильная работа системы позволит ученым получить новые данные об устройстве материи на элементарном уровне.
Большой адронный коллайдер — это самый крупный и самый мощный на сегодняшний день ускоритель заряженных частиц. В нем пучки адронов — класс частиц, в который входят, в том числе, протоны, — ускоряются и сталкиваются. Здесь ученые из десятков стран мира изучают, что происходит в результате этих столкновений.
Вокруг точек столкновения пучков установлены большие детекторы. Один из четырех основных детекторов — это Компактный мюонный соленоид CMS. Диаметр «компактного» CMS составляет 16 м, а его длина достигает 25 м. Он считается детектором общего назначения и предназначен как для исследования и проверки предсказаний «Стандартной модели элементарных частиц» (в том числе свойств бозона Хиггса), так и для поиска «нестандартной физики», дополнительных измерений и темной материи.
Ученые и инженеры Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов Томского политеха работают в эксперименте CMS в научной группе BRIL, совместно с коллегами из ЦЕРН, DESY, Принстонского университета (США), университета Кентербери (Новая Зеландия) и других организаций. Здесь томские политехники отвечают за разработку, модернизацию и обслуживание системы «медленного мониторинга» столкновения протонов и тяжелых ядер и аварийного сброса пучка.
Эта система позволяет ученым измерять радиационный фон от столкновений протонов, анализировать его изменения как за короткие времена, соответствующие случайным отклонениям отдельных частиц, так и фиксировать долговременные изменения. Они могут быть связаны с отклонениями в движении пучка или, например, потерей вакуума в канале транспортировки. При критических отклонениях пучок необходимо остановить, то есть принудительно сбросить. Иначе долговременное воздействие пучка, движущегося с колоссальной энергией, может привести к необратимым повреждениям сложных и дорогостоящих систем детектора и коллайдера. Каждый аварийный или ложный сброс пучка — это настоящий инцидент, подлежащий расследованию.
Система, с которой работают ученые ТПУ, — сложная и многокомпонентная. Но самая важная ее часть — это набор алмазных сенсоров, находящихся в самом сердце детектора вблизи точки столкновения протонов. Алмаз — самый устойчивый к радиационному воздействию материал, но даже он постепенно теряет свои свойства из-за сверхвысоких доз радиации и его необходимо менять.
Алмазные детекторы представляют собой пластины искусственных алмазов высочайшего качества с нанесенными на них металлическими контактами из хрома и золота. Металлизированные кристаллы припаиваются к специальным платам, также покрытым золотом. Во время работы датчика на него подается напряжение порядка 500 Вольт. Когда сквозь сенсор пролетает частица, в нем появляется электрический ток, который можно измерить. Если величина тока за определенный интервал превышает установленный порог, система дает сигнал на сброс пучка.
«Последний раз в системе «медленного мониторинга» сенсоры меняли в 2015 году. Сейчас мы заменили восемь сенсоров, которые прослужат еще около пяти лет. Подготовка к установке, включающей полную инспекцию системы и поверку новых сенсоров, потребовали несколько месяцев напряженной работы непосредственно на детекторе. Сама установка системы в шахте продолжалась двое суток. С их помощью наши коллеги из других научных групп CMS смогут набрать новые объемы данных в следующий период работы коллайдера», — говорит научный сотрудник Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ Алексей Шевелев.
По словам специалиста, в задачи научной группы также входит поиск новых материалов, которые могли бы удешевить стоимость сенсоров или продлить их работу.
«Дело в том, что ЦЕРН готовится к переходу от проекта Большого адронного коллайдера к Большему адронному коллайдеру на высокой светимости (HL-LHC). Для этого перестраиваются все системы ускорителя. По расчетам, количество столкновений в нем вырастет в 10 раз, возрастут радиационные поля, и алмазные детекторы, соответственно, будут терять свои свойства быстрее, и их придется менять чаще. Поэтому мы активно ищем варианты, как удешевить обслуживание системы, на что можно заменить алмазы. Осенью в экспериментальной части нашего детектора мы планируем установить образцы алмазов российского производства, которые в несколько раз дешевле использующихся сегодня, а также в разы более бюджетные кристаллы сапфиров. Нам предстоит выяснить их устойчивость к радиации и скорость деградации», — добавляет младший научный сотрудник Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ Виталий Охотников.
Ученые ТПУ участвуют в работе нескольких коллабораций и департаментов Европейской организации по ядерным исследованиям — ЦЕРНа. Так, в коллаборации CMS ученые вуза ведут исследования в рамках проекта BRIL по измерению характеристик пучка частиц. В коллаборации LHCb они работают над модернизацией трекового детектора Sci-Fi, проводят анализ распадов прекрасных и очарованных мезонов, ведут поиск экзотических частиц. В рамках коллаборации NA64 ведутся исследования по поиску темной материи, в эксперименте COMPASS проводят исследования структуры адронов. Томские политехники также участвуют в создании новейших методов диагностики и управления пучком протонов коллайдера совместно с отделением по ускорительным технологиям.
Инспекция высоковольтных линий системы BCML, на фото Виталий Охотников