Фон космических мюонов мешает искать новую физику в наблюдениях за звездами.
Стандартная модель описывает в рамках единого подхода электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия. Она подтверждена в огромном количестве экспериментов. Но существует множество указаний на то, что эта модель является лишь частью некой общей теории и, что взаимодействия, не описываемые этой моделью (новая физика), должны проявиться при энергии, значительно ниже планковской.
(Планковская энергия превосходит примерно на восемь порядков максимальную измеренную энергию космических лучей.)
Поиски новой физики ученые ведут сразу в нескольких направлениях: поиск новых частиц на Большом адронном коллайдере, в астрофизических наблюдениях (темная материя и темная энергия), в прецизионных измерениях и поисках процессов, проявления которых расходятся с теоретическими расчетами в рамках Стандартной модели.
Даже небольшое отклонение измеряемой величины от ее теоретического предсказания позволит сделать вывод о неполноте теории и поставить ограничения на ее расширения.
Один из экспериментов по поиску новой физики, входящий в мюонную программу Фермилаб – эксперимент Mu2e. Этот эксперимент посвящен поиску прямой конверсии мюона в электрон в поле ядра. В рамках Стандартной модели его вероятность исключительно мала и составляет 10 – 50%, т.е. процесс практически ненаблюдаем.
Наблюдение любого процесса подобного рода однозначно указывает на наличие взаимодействий за рамками Стандартной Модели. Во многих моделях новой физики вероятности этих процессов существенно увеличиваются и становятся доступными для наблюдений. Как и в любом поисковом эксперименте, одна из важнейших задач при подготовке данного эксперимента — подавление фона космических мюонов. Для решения этой проблемы группой физиков из ЛЯП ОИЯИ, участвующей в этом эксперименте, был предложен и разработан вариант вето-системы космических частиц (CRV, Cosmic Ray Veto).
Авторы несколько лет занимались моделированием, разработкой, созданием и тестированием прототипов детекторов CRV системы. В итоге был предложен вариант модульной вето-системы. Каждый модуль CRV системы составлен из четырех слоев экструдированных сцинтилляционных брусков с отверстиями вдоль всей их длины для размещения оптических волокон. Вето-система будет составлена из модулей различной длины, от 90 см до 7 метров. Испытания образцов продемонстрировали, что разработанные модули обеспечивают требуемую эффективность регистрации космических мюонов не ниже 99.99%. При определяющей роли наших экспериментаторов были разработаны: процесс массового производства модулей CRV системы, методика тестирования сцинтилляционных счетчиков и модулей в целом.
Из-за конструктивных особенностей установки Mu2e сигналы с самых длинных модулей длиной 7 метров будут считываться с одного конца. Оценки показывают, что это может привести к снижению эффективности регистрации таких модулей ниже требуемого значения в процессе набора данных, что увеличит количество фоновых событий. В рамках НИОКР по этой тематике был предложен, разработан и внедрен метод увеличения светосбора с длинного (до 7 м) сцинтилляционного бруска путем закачки оптически прозрачной жидкости в сквозное продольное отверстие со вставленным в него оптическим волокном.
Практически такое удалось сделать впервые в мире! Предыдущие попытки (MINOS, TRIUMF) закачать двухкомпонентный клей (преимущественно Bicron 600) в подобные детекторы с длинным сквозным отверстием в сцинтилляторах оканчивались неудачей из-за превышения времени закачки над временем полимеризации клея.
Участникам коллаборации от ОИЯИ удалось подобрать оптимальные силиконовые оптические наполнители (без отвердителей) СКТН и PMX, позволяющие заполнять отверстия в сцинтилляционном бруске длиной 6-7 метров без временных ограничений. За счет показателя преломления наполнителя близкого к показателю преломления полистирола и внешней оболочки оптического волокна, а также за счет заполнения микротрещин на поверхности отверстия в сцинтилляционном бруске достигается увеличение светосбора на 30-60 % в зависимости от «возраста» сцинтиллятора.
Важный момент: было показано сохранение спектральных характеристик выбранных оптических наполнителей после облучения на реакторе ИБР-2М (ОИЯИ) потоками нейтронов с дозами, сопоставимыми с теми, что будут получены за 3 года набора статистики в реальном эксперименте.
Более того, было продемонстрировано, что традиционно используемый при вклейке волокон в канавках двухкомпонентный оптический клей значительно теряет прозрачность по сравнению с жидкими силиконовыми наполнителями при увеличении доз облучения. Это важное наблюдение, которое необходимо помнить при создании детекторов для работы при высоких радиационных нагрузках.
Венцом этой большой работы стал предложенный и реализованный оригинальный метод увеличения светосбора путем заполнения силиконовой оптической жидкостью сквозного отверстия в длинном сцинтилляционном бруске с размещенным в нем оптическим волокном, который может быть использован во многих экспериментах.
Коллективу ученых из эксперимента Мu2е в составе: А. М. Артиков, Ю. А. Будагов, И. И. Васильев, В. В. Глаголев, Ю. И. Давыдов, А. В. Симоненко, Ю. Н. Харжеев, Д. Чохели, К. Дьюкс, К. Груп, — была присуждена вторая премия ОИЯИ за 2019 г. по итогам 127-ой сессии Ученого совета ОИЯИ за «Оригинальный метод увеличения светосбора со сцинтилляционных детекторов вето-системы эксперимента Мu2е» в номинации «Научно-методические и научно-технические работы».