Физики СПбГУ показали разработки для БАК и коллайдера NICA

Машины и Механизмы – 10 апреля 2018

10 апреля на Science-ланче в выставочном зале «Дизайн & наука» физики СПбГУ рассказали о 25 годах сотрудничества с ЦЕРН и новых детекторах для «охоты» за частицами.

«Ничего более сложного человечество на данный момент не создало», — так описал инженерные системы коллайдера Григорий Александрович Феофилов, завлаб физики высоких энергий СПбГУ. Он принял участие в Science-ланче по прямой видеосвязи из ЦЕРН (Европейского центра ядерных исследований). Там изучают новое агрегатное состояние вещества — кварк-глюонную плазму, «супчик» температурой свыше триллиона градусов Цельсия, в котором кварки и глюоны «плавали» в первые микросекунды после Большого взрыва. Чтобы понять, как вела себя первоматерия до того, как плазма застыла и разлетелась на «кирпичики», ученые проводят эксперименты по столкновению частиц.

В 27-километровом кольце Большого адронного коллайдера разгоняют протоны и ядра свинца (в нем много кварков) со скоростью на несколько метров меньше, чем скорость света. В четырех точках кольца, где пучки частиц пересекаются и сталкиваются, как раз и образуется кварк-глюонная плазма. Для наблюдения за тем, как микроскопические капли плазмы разлетаются на тысячи элементарных частиц, ученые строят детекторы. Один из них — ALICE, эксперимент для столкновения тяжелых ионов. В нем ядра свинца сталкиваются с частотой 1000 раз в секунду, при этом 18 специальных субдетекторов способны идентифицировать разные сорта разлетающихся частиц. «Алису» четверть века назад проектировали ученые из 40 институтов мира, а СПбГУ выступил разработчиком двух главных систем — Внутренней трековой системы и Стартового детектора.

«В 1993 году мы взялись за почти нерешаемую задачу, что и оказалось стимулом войти в крупнейшую мировую коллаборацию», — рассказал Григорий Александрович о совместной работе 41 страны. Сейчас на эксперименте ALICE трудятся 1800 физиков из 180 университетов, в том числе СПбГУ. «ЦЕРН — уникальное место в плане научной демократии, где профессионально организована атмосфера соперничества в сочетании с сотрудничеством».

В своем репортаже из ЦЕРН он показал «центр управления полетами» — комнату, из которой четыре человека контролируют всю гигантскую установку ALICE, со всеми ее системами сбора и анализа данных. Сейчас по коллайдеру гоняют тестовые пучки, и нужно следить за прохождением пучков через детекторы, которые нанизаны на него, как бусины.

Современные детекторы устроены по принципу «матрешки»: в центре — трековая система, вокруг нее — слои других детекторов. Игорь Алцыбеев показал фотографии первой трековой системы, разработанной физиками СПбГУ, — перед тем, как установить ее внутрь конструкции ALICE, на ней запечатлели надпись «Санкт-Петербург». Эта Внутренняя трековая система установила мировой рекорд по радиационной прозрачности: частицы, пролетая через нее, почти ее не замечают, то есть детектор не искривляет траектории частиц и не ухудшает качество сигнала. Сейчас физики СПбГУ работают над обновленной версией Внутренней трековой системы, чтобы определять траектории движения частиц через детектор еще точнее, с помощью более мелкой пиксельной матрицы. Запустить новую систему планируют к 2020 году.

Владимир Жеребчевский, один из участников эксперимента ALICE, рассказал подробнее о «сердце Алисы» — бочке вокруг точки столкновения, которой нужна профилактика и модернизация, как всякому сердцу. Текущая трековая система состоит из шести слоев — двух пиксельных, двух стриповых и двух дрейфовых детекторов. Эта система перестала справляться с загрузками, которые дает Большой адронный коллайдер, так как в нем увеличилась «светимость», то есть интенсивность столкновений. В модернизированной трековой системе будет сделано семь детекторных слоев. Каждый слой будет состоять из сверхлегких (всего 16,2 грамма) и сверхпрочных поддерживающих структур из углепластика, на них разместят по девять новейших пиксельных детекторов. Это позволит максимально приблизиться к точке столкновения пучков, чтобы регистрировать рождающиеся в этих столкновениях частицы, «жизнь» которых очень коротка. На БАК такие конструкции уже используются, в ближайшее время они начнут использоваться и на коллайдере NICA в подмосковной Дубне.

Владимир также показал элемент будущего детектора — кремниевую пластину, в которой насчитывается 500 тысяч пикселей, где каждый пиксель — это отдельный детекторный модуль со своей внутренней «электроникой». Для подобных детекторных установок это прорыв.

Андрей Серяков, младший научный сотрудник лаборатории физики сверхвысоких энергий, рассказал об изучении кварк-глюонной плазмы на эксперименте NA61/SHINE. Интервью с Андреем Серяковым читайте в декабрьском выпуске «ММ» 2016 года.