Физики создали проект дрейфовой камеры детектора для Супер С-Тау фабрики

Проект одной из ключевых частей универсального магнитного детектора электрон-позитронного коллайдера Супер С-тау фабрика — дрейфовой камеры (ДК), разработан учеными Института ядерной физики (ИЯФ) им. Г. И. Будкера СО РАН, сообщает 3 мая пресс-служба института.

Ускорительный комплекс Супер С-тау фабрика создается для проведения экспериментов со встречными электрон-позитронными пучками энергией от 3 до 7 ГэВ и на два порядка более высокой светимостью, чем достигнутая на сегодняшний день в мире для этого диапазона энергии.

Концепция нового коллайдера основана на разработанном специалистами ИЯФ СО РАН и INFN (Италия) новом методе повышения светимости CrabWaist. Установка коллайдера класса мегасайенс позволит вести исследования редких распадов с-кварка и тау-лептона, запрещенных Стандартной моделью (СМ).

В институте ведется проработка различных систем детектора и уже создана дрейфовая камера (ДК), которая будет регистрировать заряженные частицы и измерять их импульс.

На разработанном ранее малом прототипе ДК ученые выполнили первичные измерения пространственного разрешения камеры — ее главного параметра, которые доказали возможность достижения проектных параметров в 90 микрон.

Результаты проделанной работы были представлены в статьях «Проект дрейфовой камеры для детектора Супер С-Тау фабрика журнала Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A и «Измерение пространственного разрешения на малом прототипе дрейфовой камеры детектора Супер чарм-тау фабрики» в «Ученых записках физического факультета Московского университета».

Стандартная модель, хорошо описывая фундаментальные взаимодействия элементарных частиц, не может объяснить некоторые проведенные ранее астрофизические наблюдения. И на сегодняшний день одной из основных задач физики элементарных частиц стала проверка существования физики за пределами СМ, которую ученые ведут в прецизионных экспериментах на коллайдерах, совершенствуя их для таких целей.

Детектор элементарных частиц, разрабатываемый в ИЯФ СО РАН, должен помочь в установлении картины рождения частиц, возникающих при аннигиляции электронов и позитронов. Он будет регистрировать продукты соударения и с высокой точностью измерять их характеристики.

В состав детектора входят несколько подсистем: вершинный детектор, дрейфовая камера, аэрогелевые и сцинтилляционные счетчики и другие. О его работе 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 коллайдера Супер С-Тау фабрики напоминает цилиндрическую бочку диаметром 1,6 м и длиной 2 м. Минимальным чувствительным элементом камеры является ячейка с проволочным анодом в центре.

Электроны, возникающие в камере при ионизации газа проходящими через нее заряженными частицами, дрейфуют к аноду с положительным потенциалом. Процесс газового усиления, происходящий при этом вблизи анода, создает сигнал, который регистрируется электроникой.

Проволочная структура анода состоит из 41 слоя гексагональных ячеек со средним радиусом около 7 мм и содержит 40 000 проволочек. «Проволочки можно уложить в ячейки либо гексагональной формы, либо квадратной. У каждого варианта есть свои плюсы и минусы», — указал Корнелий Тодышев.

Квадратные ячейки заполняют объем камеры полностью, что исключает зазоры и позволяет проводить больше измерений. Но в этом случае, когда все слои проволочек натянуты под углом к оси дрейфовой камеры, возникают систематические неопределенности при расчете координаты. Их трудно устранить при калибровке ДК, что приводит 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», — пояснил ученый. Он сообщил, что в проволочных структурах с гексагональными ячейками можно получить среднее пространственное разрешение 110 микрон.

«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.

В малом прототипе дрейфовой камеры детектора Супер С-Тау фабрика всего семь ячеек гексагональной формы, но он позволяет выполнить измерение пространственного разрешения камеры. Корнелий Тодышев пояснил:

«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».

Прототип продемонстрировал пространственное разрешение в 90–100 микрон. Этот отличный результат подтвердил расчеты разработчиков и дал уверенность в возможности достижения на дрейфовой камере детектора разрешения, превышающего 100 микрон.