Российские физики установили алмазные детекторы на Большой адронный коллайдер
Алмазные датчики помогут чувствительной аппаратуре БАК получить новые данные об устройстве материи на элементарном уровне
Большой адронный коллайдер — это самый крупный и самый мощный на сегодняшний день ускоритель заряженных частиц. В нем пучки адронов — класс частиц, в который входят, в том числе, протоны, — ускоряются и сталкиваются. Здесь ученые из десятков стран мира изучают, что происходит в результате этих столкновений.
Вокруг точек столкновения пучков установлены большие детекторы. Один из четырех основных детекторов — это Компактный мюонный соленоид CMS. Диаметр «компактного» CMS составляет 16 м, а его длина достигает 25 м. Он считается детектором общего назначения и предназначен как для исследования и проверки предсказаний «Стандартной модели элементарных частиц» (в том числе свойств бозона Хиггса), так и для поиска «нестандартной физики», дополнительных измерений и темной материи.
Ученые и инженеры Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов Томского политеха работают в эксперименте CMS в научной группе BRIL, совместно с коллегами из ЦЕРН, DESY, Принстонского университета (США), университета Кентербери (Новая Зеландия) и других организаций. Здесь томские политехники отвечают за разработку, модернизацию и обслуживание системы «медленного мониторинга» столкновения протонов и тяжелых ядер и аварийного сброса пучка.
Эта система позволяет ученым измерять радиационный фон от столкновений протонов, анализировать его изменения как за короткие времена, соответствующие случайным отклонениям отдельных частиц, так и фиксировать долговременные изменения. Они могут быть связаны с отклонениями в движении пучка или, например, потерей вакуума в канале транспортировки. При критических отклонениях пучок необходимо остановить, то есть принудительно сбросить. Иначе долговременное воздействие пучка, движущегося с колоссальной энергией, может привести к необратимым повреждениям сложных и дорогостоящих систем детектора и коллайдера. Каждый аварийный или ложный сброс пучка — это настоящий инцидент, подлежащий расследованию.
Система, с которой работают ученые ТПУ, — сложная и многокомпонентная. Но самая важная ее часть — это набор алмазных сенсоров, находящихся в самом сердце детектора вблизи точки столкновения протонов. Алмаз — самый устойчивый к радиационному воздействию материал, но даже он постепенно теряет свои свойства из-за сверхвысоких доз радиации и его необходимо менять.
Алмазные детекторы представляют собой пластины искусственных алмазов высочайшего качества с нанесенными на них металлическими контактами из хрома и золота. Металлизированные кристаллы припаиваются к специальным платам, также покрытым золотом. Во время работы датчика на него подается напряжение порядка 500 Вольт. Когда сквозь сенсор пролетает частица, в нем появляется электрический ток, который можно измерить. Если величина тока за определенный интервал превышает установленный порог, система дает сигнал на сброс пучка.
«Последний раз в системе «медленного мониторинга» сенсоры меняли в 2015 году. Сейчас мы заменили восемь сенсоров, которые прослужат еще около пяти лет. Подготовка к установке, включающей полную инспекцию системы и поверку новых сенсоров, потребовали несколько месяцев напряженной работы непосредственно на детекторе. Сама установка системы в шахте продолжалась двое суток. С их помощью наши коллеги из других научных групп CMS смогут набрать новые объемы данных в следующий период работы коллайдера», — говорит научный сотрудник Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ Алексей Шевелев.
По словам специалиста, в задачи научной группы также входит поиск новых материалов, которые могли бы удешевить стоимость сенсоров или продлить их работу.
«Дело в том, что ЦЕРН готовится к переходу от проекта Большого адронного коллайдера к Большему адронному коллайдеру на высокой светимости (HL-LHC). Для этого перестраиваются все системы ускорителя. По расчетам, количество столкновений в нем вырастет в 10 раз, возрастут радиационные поля, и алмазные детекторы, соответственно, будут терять свои свойства быстрее, и их придется менять чаще. Поэтому мы активно ищем варианты, как удешевить обслуживание системы, на что можно заменить алмазы. Осенью в экспериментальной части нашего детектора мы планируем установить образцы алмазов российского производства, которые в несколько раз дешевле использующихся сегодня, а также в разы более бюджетные кристаллы сапфиров. Нам предстоит выяснить их устойчивость к радиации и скорость деградации», — добавляет младший научный сотрудник Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов ТПУ Виталий Охотников.
Материал предоставлен пресс-службой Томского политехнического университета
