Институт ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) разрабатывает проект электрон-позитронного коллайдера Супер С-тау фабрика с беспрецедентной светимостью в диапазоне энергии от 3 до 7 ГэВ и универсального магнитного детектора для него. Основными задачами физической программы являются: поиск CP-нарушающих эффектов в распадах очарованных частиц, поиск Новой физики в редких или запрещенных Стандартной моделью распадах очарованных частиц и тау-лептона и многое другое. В настоящее время идет проработка различных систем детектора. Физики уже создали проект одной из ключевых частей детектора – дрейфовой камеры (ДК). ДК предназначена для регистрации заряженных частиц и измерения их импульса. В недавних работах на малом прототипе специалисты провели первичные измерения главного параметра ДК – ее пространственного разрешения. Эксперименты продемонстрировали возможность получения проектных параметров в 90 микрон. Результаты опубликованы в журналах Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section Aexternal link, opens in a new tab и «Ученые записки физического факультета Московского университета»external link, opens in a new tab
Стандартная модель (СМ) удивительно хорошо описывает фундаментальные взаимодействия элементарных частиц, но некоторые астрофизические наблюдения указывают на то, что она не полностью объясняет физическую картину мира. Поэтому одна из основных задач физики элементарных частиц на сегодняшний день – проверка существования физики за пределами СМ в прецизионных экспериментах на коллайдерах. Планируется, что проект электрон-позитронного коллайдера Супер С-Тау фабрика позволит решить ряд проблем фундаментальной физики, таких как: поиск и уточнение CP-нарушающих эффектов в распадах очарованных частиц, поиск Новой физики в редких или запрещенных Стандартной моделью распадах очарованных частиц, проверка СМ в распадах тау-лептонов и др. На данный момент идет активная проработка проекта и всех его составляющих. Одно из важных направлений – разработка дрейфовой камеры детектора ускорителя частиц.
Задача детектора элементарных частиц в том, чтобы восстановить картину рождения частиц, возникающих при аннигиляции электронов и позитронов, то есть зарегистрировать продукты соударения и измерить их различные характеристики. Задач у подобного устройства много и все они должны решаться с высокой точностью, поэтому детектор состоит из различных подсистем. Вершинный детектор, дрейфовая камера, аэрогелевые и сцинтилляционные счетчики и др. – все это составляющие детектора. Одной из первых «включается» в работу дрейфовая камера.
Схема универсального магнитного детектора коллайдера Супер С-Тау фабрика. 1) Вершинный детектор 2) Дрейфовая камера 3) Система идентификации ФАРИЧ 4) Калориметр 5) Сверхпроводящая катушка 6) Ярмо магнита и мюонная система.ИЯФ СО РАН«Детектор коллайдера должен обладать хорошими показателями по измерению координаты, импульса и энергии частиц для их идентификации в условиях высокой светимости. Основная часть трековой системы любого детектора, которая отвечает за эти задачи – дрейфовая камера, – рассказал ведущий научный сотрудник ИЯФ СО РАН, доктор физико-математических наук Корнелий Тодышев. – Дрейфовая камера представляет собой трековый газовый детектор, способный измерять координаты и энергетические потери частиц, а также реконструировать их импульс в магнитном поле. Одним из главных параметров установки является ее пространственное разрешение – чем оно лучше, тем точнее будет происходить восстановление траектории частиц при обработке данных».
Дрейфовая камера детектора для коллайдера Супер С-Тау фабрики имеет цилиндрическую форму и похожа на бочку диаметром 1,6 метра и длиной 2 метра. Минимальный чувствительный элемент дрейфовой камеры – ячейка, в центре которой находится анодная проволочка. Когда в ячейке возникают электроны, появившиеся при ионизации газа из-за прошедшей заряженной частицы, то они дрейфуют к аноду, находящемуся под положительным потенциалом. Вблизи анода происходит процесс газового усиления и получившийся таким образом сигнал в конечном счёте регистрируется электроникой. В проекте ИЯФ СО РАН проволочная структура состоит из гексагональных ячеек со средним радиусом около 7 мм. Всего предполагается 41 слой ячеек, распределенных на 10 суперслоев, которые будут насчитывать около 40 000 проволочек.
«Проволочки можно уложить в ячейки либо гексагональной формы, либо квадратной. У каждого варианта есть свои плюсы и минусы, – добавил Корнелий Тодышев. – Например, квадратные ячейки полностью заполняют объем камеры, исключая зазоры, что позволяет проводить больше измерений. Но в такой структуре, когда все слои проволочек натянуты под углом к оси дрейфовой камеры, возникают систематические неопределенности при расчете координаты, которые трудно устранить при калибровке ДК. Это в свою очередь ведёт к потере точности измерения параметров регистрируемых частиц. Если проволочная структура основана на гексагональных ячейках, то имеются зазоры между слоями, но при этом в аксиальных слоях нет деформации ячеек, что позволяет достичь высокого пространственного разрешения».
По словам специалиста, в классических проволочных структурах, основанных на гексагональной ячейке, удается получить среднее пространственное разрешение 110 микрон, а в определенных случаях около 100.
«Для проволочных структур, где используются только стерео-слои и квадратные ячейки – лучше 120 микрон достичь пока не получается, хотя технология изготовления таких ДК очень перспективная. Конечно, мы стремимся к хорошему пространственному разрешению, но мы также должны учитывать возможности изготовления ДК в рамках имеющихся у нас наработок. Поэтому для проекта нашей дрейфовой камеры мы выбрали “стандартную” проволочную структуру, хорошо зарекомендовавшую себя в других экспериментах», – добавил Корнелий Тодышев.
Сейчас в ИЯФ СО РАН ведутся работы с малым прототипом дрейфовой камеры детектора Супер С-Тау фабрика. В нем всего семь ячеек гексагональной формы, но несмотря на малый размер на нем можно провести измерение пространственного разрешения камеры.
«Мы выбрали классический вариант дрейфовой камеры, но нам удалось оптимизировать проволочную структуру так, что электрическое поле в гексагональной ячейке каждого слоя максимально возможно при заданных условиях приближено к полю, соответствующему цилиндрической геометрии ячейки. Это позволяет достичь лучшего пространственного разрешения, – пояснил Корнелий Тодышев. – На прототипе уже достигнуто пространственное разрешение в 90 – 100 микрон. Это отличный результат, который подтверждает наши расчеты и дает уверенность, что на ДК детектора можно достичь разрешения лучше 100 мкм.».