Программно-консультативный комитет (ПКК) ОИЯИ по физике частиц рекомендовал рабочей группе детектора SPD коллайдера NICA начать формирование Консультативного комитета для независимой международной экспертизы проекта SPD.
Международная коллаборация займется решением первоочередной задачи – разработкой технического проекта детектора SPD. Проще говоря, ученые и инженеры коллаборации рассчитают и обоснуют детальную техническую конструкцию детектора на основе его концептуального дизайна, одобренного ПКК по физике частиц ОИЯИ.
Мы уже знаем, что установка SPD создается для исследования свойств глюонов – похожих на сверхпрочные макароны элементарных частиц.
Концептуальный дизайн детектора SPD представил членам ПКК руководитель рабочей группы (протоколлаборации) SPD Алексей Гуськов. Он и разъяснил мне, из каких элементов будет состоять детектор SPD и зачем нужны эти элементы.
Вот так выглядит детектор SPD в разрезе.
«Давайте пойдем изнутри, от центральной части детектора к его наружной оболочке», – предложил Алексей Гуськов. «Давайте!» – согласилась я.
И мы пошли.
В самом центре конструкции, похожей на восьмигранную бочку, проходит канал коллайдера NICA, где в вакууме мчатся ускоренные частицы. В этом канале внутри детектора SPD происходит столкновение двух пучков ускоренных частиц, которые движутся в кольцах коллайдера во встречных направлениях. Два кольца коллайдера пересекаются как раз внутри детектора SPD, чтобы именно здесь, под присмотром специальных приборов, столкнуть встречные пучки и изучить новые частицы, которые образуются в результате столкновения пучков.
Пучок частиц, наверное, многие представляют себе вроде пучка редиски. На самом деле пучок ускоренных частиц на редиску в пучке совсем не похож. Пучок здесь – название условное. Точнее будет сказать – ансамбль частиц. Потому что в ансамбле дирижер рассаживает участников так, чтобы добиться единого звучания всех музыкальных инструментов как одного целого. В пучке ускоряемых частиц магниты ускорителя выстраивают частицы так, что они идут единой колонной – нитью толщиной около миллиметра и длиной в несколько десятков сантиметра. Таких колонн (сгустков) несколько, и они идут друг за другом.
Единая характеристика музыкального ансамбля – звуковая гармония. Единая характеристика пучка частиц – энергия их ансамбля.
Те, кто умеет вставлять нитку в игольное ушко, могут себе представить, как тяжело вслепую, без помощи рук и при помощи только магнитов заставить одну нитку частиц столкнуться в лоб с другой ниткой частиц. Столкновение двух ниток частиц – это именно то, что называют столкновением пучков частиц.
Вершинный детектор
Итак, у нас есть канал внутри детектора SPD, там сталкиваются две нитки частиц. В столкновении частиц происходит волшебное превращение одних частиц в другие. И все эти частицы во время превращения нужно опознать.
Опознают их по разным характеристикам – по траекториям движения, по скорости, импульсу и энергии. Каждую из характеристик фиксирует отдельный детектор. Поэтому место столкновения частиц (то есть канал внутри установки SPD) окружено концентрическими слоями детекторов разных типов. Первый из них – вершинный детектор, прилегающий непосредственно к каналу.
«Прилегающий к каналу белый цилиндр на схеме детектора SPD – и есть вершинный детектор, – рассказывает Алексей Гуськов. – По траекториям пересекающих его частиц детектор восстанавливает вершины – точки, в которых эти частицы родились в результате столкновения пучков и откуда разлетелись».
В вершине рождаются заряженные частицы (к примеру, мюоны, электроны, мезоны, пионы, каоны) и электрически нейтральные частицы – фотоны.
Вершинный детектор установки SPD составлен из пяти тонких слоев кремния, к которому присоединена микроэлектроника. Общая толщина детектора – несколько десятков сантиметров.
Когда заряженная частица пролетает сквозь кремниевую пластину, она оставляет в ней след — заряженную зону размером в несколько десятков микрон. Заряд следа частицы считывается вмонтированной в пластину электроникой, фиксируются координаты частицы.
Поскольку частица пролетает вершинный детектор насквозь, то она пересекает все слои детектора, оставляя в каждом из них свой след. По координатам этих следов восстанавливается траектория частицы от места ее рождения – путь к вершине.
Как рассказал Алексей Гуськов, вершины бывают первичные и вторичные. Первичные лежат на оси детектора – в канале, где происходит столкновение пучков. Вторичные вершины лежат в стороне от оси детектора – это точки, в которых распадаются некоторые из образовавшихся в первичной вершине частиц.
Вторичные вершины могут находиться на очень близком расстоянии от оси детектора – меньше миллиметра. И очень важно в таких случаях точно опознать первичные и вторичные вершины, чтобы не ошибиться в анализе процесса столкновения пучков и образования в нем новых частиц.
Соломенный детектор
Следующая часть матрешки-SPD – строу-детектор. Straw [строу] по-английски – солома. Он нужен для определения импульса частицы в магнитном поле. Магнитное поле отклоняет заряженную частицу во время ее полета. По углу отклонения частицы от ее траектории и определяют импульс частицы.
Так что же, строу-детектор сделан из соломы? Да, сделан из специальной металлизированной лавсановой соломы – из тонкостенных золотистых трубочек диаметром около сантиметра, наполненных внутри газом.
Когда частица пролетает сквозь такую соломинку, она ионизирует ту область газа внутри соломинки, через которую проходит. То есть оставляет за собой в газе заряженное облачко. Этот заряд считывает электроника строу-детектора и определяет координаты пролетающей сквозь соломинку частицы. По координатам частицы определяется ее импульс.
В строу-детектор установки SPD соломка уложена в 30 слоев и упакована в капсулы из углепластика. Капсулы имеют форму секторов цилиндрического кольца – типа кусков круглого кекса с дыркой посередине.
Строу-детектор находится снаружи вершинного детектора. Вершинный детектор плотно вложен в него. То есть кекс из соломки опоясывает собой вершинный детектор.
Система идентификации частиц
Эта система (коричневый цилиндр на рисунке) определяет скорость частицы и с помощью данных других детекторов опознает частицу «в лицо». В установке SPD систему идентификации частиц образует комбинация двух детекторов: времяпролетного детектора (Time-of-Flight – TOF) и аэрогеля.
Самый известный времяпролетный детектор прямо сейчас работает в эксперименте ALICE на Большом адронном коллайдере. Он представляет собой цилиндр радиусом примерно четыре метра с внутренней поверхностью, выложенной прямоугольными сенсорными стеклянными или пластинами со щелями между ними. Таких пластин 160 000 штук. Цилиндр заполнен газом.
Летящая внутри цилиндра заряженная частица ионизирует газ, электроды на пластинах по вспышкам от частицы фиксируют ее положение, пока она пролетает сквозь цилиндр, и время ее пролета от входа до выхода из цилиндра. По расстоянию и времени оценивается скорость частицы. По скорости пролета частицу узнают «в лицо».
Принцип работы времяпролетного детектора установки SPD будет тот же, но исполнение, возможно, другое.
Вторая часть системы идентификации частиц на SPD – аэрогель. Точнее – сенсорные пластины из аэрогеля. Они будут вспышками черенковского излучения (гугл – в помощь) обозначать места пролета заряженных частиц, чтобы электроника могла «засечь» их координаты.
Аэрогель – это твердый, суперлегкий и прозрачный материал. Состоит из сферических кластеров, образованных молекулами оксида кремния. Молекулы соединены в цепочки и составляют трехмерную сетку сферической формы. Между кластерами – пустота, то есть воздух.
Сделают аэрогель для Дубны в Новосибирске.
Времяпролетный детектор – это следующая после строу-детектора часть матрешки. Внутри него находятся строу-детектор и вершинный детектор.
Для установки SPD система идентификации частиц должна быть более чувствительной, чем для установки MPD коллайдера NICA. Потому что энергии пучка для спиновых исследований нужны вдвое выше, чем для приготовления супа из кварков и глюонов, в котором сварили Вселенную – именно этот суп будут изучать на детекторе MPD.
Красные колеса
Теперь рассмотрим красные кольца типа колес, которые опоясывают систему идентификации частиц. Это сверхпроводящие катушки электромагнита – он создает магнитное поле внутри установки SPD.
Магнитное поле дает нам увидеть частицы, как рука, которая снимает с них шапку невидимку. Если магнитного поля не будет, частицы не проявят своих свойств. Помните школьный опыт по физике с металлическими опилками? Разбросанные по столу в беспорядке мелкие железные опилки выстраиваются в строгие линии, если под стол поставить магнит. Мы смотрим на эти линии, и понимаем, как действует на столе магнитное поле и как подчиняются ему частицы железа. Мы можем разбираться, почему опилки выстраиваются так или иначе, какими свойствами они должны обладать, чтобы подчиняться магнитному полю.
С невидимыми глазу элементарными частицами – та же история. Если не подействовать на них магнитным полем, невозможно заставить их проявить свои свойства и начать разбираться в этих свойствах.
Калориметр
Бочка салатового цвета, в которую поместились и красные колеса, и времяпролетный детектор, и строу- и вершинный детектор – это электромагнитный калориметр (ECAL). Он нужен для регистрации фотонов – элементарных частиц без электрического заряда.
Электромагнитный калориметр детектора SPD будет устроен так же, как и у детектора MPD – типа «шашлык». Он будет набран из перемежающихся слоев свинца и сцинтиллятора – материала, который дает вспышку света, когда сквозь него проходит заряженная частица.
Мюонные камеры
Внешний облик матрешки SPD, у которой внутри все, что описано выше, создает серая восьмиугольная бочка длиной восемь и диаметром шесть метров. Это не просто бочка, это система индентификации мюонов.
Мюоны – очень неустойчивые элементарные частицы, которые не встречаются в атомах химических элементов. Они возникают в земной атмосфере под воздействием космических лучей. Или рождаются при искусственном столкновении пучков частиц в экспериментальных установках.
Родившись в столкновении, мюоны летят далеко, потому что очень медленно теряют энергию при движении сквозь вещество. Поэтому они могут долететь туда, куда не долетят другие частицы, образовавшиеся в столкновении пучков. То есть они пролетают от канала через все детекторы, включая калориметр, не задерживаясь в них.
Поэтому те, кто вылетят за пределы калориметра, будут мюонами и никем другим.
Вот так будет устроен детектор SPD для исследования свойств глюонов-макаронов.