Проект по созданию будущего электрон-позитронного коллайдера, — Супер С-тау фабрика, — развивает Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН). Научная программа установки включает изучение частиц, содержащих очарованные кварки и тау-лептоны, и поиск новых физических эффектов, не описываемых Стандартной моделью. Концептуально проект уже разработан. Сегодня исследователи занимаются детальной проработкой технических решений для элементов установки и моделированием различных процессов эксперимента. Было проведено моделирование поведения электронов (их скорость, поперечная и продольная диффузия) в газовой смеси для внутренней трекинговой системы – части детектора, которая первая видит рожденные после столкновения электронов и позитронов частицы. Именно от выбора газовой смеси зависит качество измерения траектории полета детектируемых частиц.
Супер С-тау фабрика – ускорительный комплекс, предназначенный для проведения экспериментов со встречными электрон-позитронными пучками с энергией от 2 до 5 ГэВ с беспрецедентной светимостью, на два порядка превышающей достигнутую сегодня в мире в этом диапазоне энергии. Концепция нового коллайдера базируется на новом методе повышения светимости — Crab Waist, предложенном и разработанном специалистами INFN (Национальный институт ядерной физики, Италия) и ИЯФ СО РАН. Физическая программа основывается на поиске Новой физики в редких или запрещенных Стандартной моделью распадах очарованных частиц и тау-лептона. Похожие задачи решаются с помощью крупнейших современных экспериментов в области физики элементарных частиц, прежде всего — эксперимента Belle II на коллайдере SuperKEKB в лаборатории КЕК (Исследовательская организация ускорителей высокой энергии, Япония) и эксперимента LHCb на Большом адронном коллайдере в ЦЕРН (Швейцария).
Задача детектора коллайдера заключается в том, чтобы восстановить картину рождения частиц, возникающих при аннигиляции электронов и позитронов, то есть зарегистрировать продукты соударения и измерить их параметры. Подзадач у подобного устройства много и все они должны решаться с высокой точностью, поэтому детектор состоит из различных систем, встроенных одна в другую, и напоминает матрешку. Внутренняя трекинговая система, или время-проекционная камера, представляет собой небольшой цилиндр высотой 60 см и диаметром 40 см, и именно она первая включается в работу, когда частицы долетают до детектора.
Перед прототипированием трекинговой системы аспирант Новосибирского государственного университета Виджаянанд Куттикатту Вадакеппатту, приехавший в Новосибирск из Индии, производил расчет параметров различных газовых смесей для определения лучшей. Данное сотрудничество проходило в рамках программы 5-100 по развитию университетов России в образовательной, научной и инновационной сферах. Одним из направлений этой программы было привлечение иностранных студентов и аспирантов для обучения в НГУ.
— Основная цель нашего исследования состояла в выборе подходящей газовой смеси, которую мы будем использовать в качестве среды для дрейфа электронов в камере временной проекции, а также для уменьшения обратного потока ионов в ней. Конкретных правил для выбора газовой смеси не существует, но в основном он зависит от транспортных свойств, то есть поперечной и продольной диффузии электронов и скорости их дрейфа. Мы провели детальное имитационное исследование различных газовых смесей, чтобы оценить эти параметры. В качестве основного газа были выбраны аргон и неон. Наше исследование показало, что несмотря на то, что в неоновых смесях диффузия электронов и обратный поток ионов меньше, скорость дрейфа в них тоже меньше. Маленькая скорость дрейфа увеличивает риск перекрытия треков, что значительно усложняет их реконструкцию. Поэтому мы решили использовать газовые смеси на основе аргона и перешли к исследованиям их разрешающей способности, — рассказал Виджаянанд Вадакеппатту.
Физики провели имитационные исследования для более чем 25-ти газовых аргоновых смесей и выбрали две: одну с содержанием 50% тетрафторида углерода и другую с содержанием 40% тетрафторида углерода и 15% метана. Исследование показало, что использование данных видов смесей в трекинговой системе позволит получить поперечное пространственное разрешение лучше 200 микрометров и малый, около 1%, обратный поток ионов – параметры, требуемые для экспериментов на коллайдере Супер С-тау фабрика.
— Для подтверждения полученных при моделировании результатов необходимо протестировать прототип время-проекционной камеры, разработка которого сейчас ведется в ИЯФ. После этого мы полностью завершим этот этап работы, – пояснил Виджаянянд Вадакеппатту.
Во время-проекционной камере, заполненной специальной газовой смесью, при помощи электродов создается однородное электрическое поле. Через камеру пролетает заряженная частица, оставляя в газовой смеси след, или трек, в виде ионизованных атомов газа. Ионы медленно дрейфуют в одну сторону, а электроны – быстро и в другую.
— Нас интересуют как раз электроны. Когда они добираются до торца камеры, в этой области их регистрирует микроструктурный газовый детектор, способный фиксировать одноэлектронные импульсы каждые 100 наносекунд. Эти высокочувствительные устройства создаются в ИЯФ СО РАН в лаборатории 3, под руководством доктора физико-математических наук Льва Исаевича Шехтмана. Если мы с высокой точностью можем измерить скорость дрейфа, то мы можем вычислить и место, откуда прилетела частица. Газовая смесь – это ключевой элемент данной системы. От нее зависит скорость дрейфа частиц, которая может отличаться в десять раз у разных смесей. Пространственное разрешение, то есть то, как точно мы сможем измерить траектории частиц, также зависит от нее, – пояснил старший научный сотрудник Лаборатории космологии и физики элементарных частиц Физического факультета НГУ, старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН, кандидат физико-математических наук Андрей Соколов.
По материалам пресс-службы Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН
