Группа ученых НИТУ «МИСиС» в составе международного коллектива разрабатывает дизайн нового поколения специального детектора частиц высоких энергий — калориметра — для экспериментов на Большом адронном коллайдере в CERN. Новое устройство гораздо более устойчиво к воздействию высокой радиации, что позволит увеличить поток частиц в эксперименте LHCb и, в перспективе, получить новые знания о свойствах адронов с тяжёлыми кварками.
LHCb — эксперимент на Большом адронном коллайдере в CERN, основная цель которого — изучение физики B-мезонов и В-барионов, то есть частиц, содержащих тяжёлый b-кварк (так называемый «прелестный» кварк). В этих частицах ярко проявляется интереснейшее и очень тонкое явление Природы — нарушение CP-симметрии. Благодаря этому нарушению картина распадов частиц и античастиц слегка различается, что может иметь отношение к объяснению загадки барионной асимметрии Вселенной — несмотря на то, что в принятой сегодня картине космологической эволюции материя и антиматерия равноправны, в современной Вселенной осталась только материя, значимых количеств антиматерии нет. Изучение процессов с CP-нарушением может пролить свет на эту проблему.
Группа материаловедов и инженеров НИТУ «МИСиС» совместно с коллегами из НИЦ «Курчатовский институт» — ИТЭФ, а также из Европейской организации по ядерным исследованиям (CERN, Женева, Швейцария) разработала прототип нового абсорбера частиц для калориметра следующего поколения. Его роль — эффективно поглощать частицы высоких энергий и формировать так называемый электромагнитный ливень, который образуется при взаимодействии частиц с веществом абсорбера. Сейчас эта часть детектора представляет собой ряд параллельно расположенных пластин из свинца, между которыми расположены сцинтиллирующие пластиковые «прослойки», сигнал с которых собирается оптическим волокном, проходящим через сердцевины пластин перпендикулярно им. Ввиду визуального сходства такой дизайн получил название «шашлык» — shashlik calorimeter.
В новом дизайне «сэндвич» из панелей заменяется на структуру значительного числа небольших «сот». Стенки состоят из вольфрама, а в ячейках находятся специальные сцинтиллирующие кристаллы на основе допированного граната. Этот дизайн получил название «спагетти-калориметр» — SPACAL. Можно показать, что такая структура способна функционировать при более высоких радиационных нагрузках.
«Создать такой прототип — уже само по себе довольно серьезная материаловедческая задача, — рассказывает одна из участниц проекта, доцент кафедры металлургии стали, новых производственных технологий и защиты металлов НИТУ „МИСиС“, к.х.н Дарья Стрекалина. — Основа абсорбера произведена методом электроэрозионной резки вольфрамовых пластин, что не так просто, учитывая твердость и хрупкость вольфрама. Гранатовые кристаллы тяжело поддаются резке и не проводят электричество, поэтому к ним невозможно применить те же методы».
В настоящее время эксперимент LHCb, как и все другие эксперименты на Большом адронном коллайдере, остановлен на плановый технический ремонт, необходимый, в том числе, потому, что облучение интенсивными потоками частиц — неотъемлемая часть всех экспериментов —подвергает серьезной деградации материалы, из которых изготовлены детекторы. Этот период активно используется для оптимизации и улучшения деталей и узлов этих сложнейших устройств.
Созданный прототип в ноябре 2019 был протестирован на ускорителе в DESY (Гамбург, Германия), предварительные результаты теста показали возможность использования технологии в следующей фазе модернизации эксперимента LHCb.
Оптимизация адсорбера — лишь один из ряда совместных проектов НИТУ «МИСиС» и CERN. Например, для нового эксперимента SHiP на ускорителе SPS исследователи создают прототипы элементов магнитной системы активной мюонной защиты — ключевой подсистемы этого эксперимента, а также участвуют в моделировании гигантской стальной вакуумной камеры, где, как ожидается, будут распадаться новые «скрытые» частицы, поиск которых является главной целью эксперимента SHiP.
