Супер С-тау фабрика — это будущий электрон-позитронный коллайдер, проект которого развивает Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера 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. Так, например, 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.
Задача детектора коллайдера 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.
«Во время-проекционной камере, заполненной специальной газовой смесью, при помощи электродов создается однородное электрическое поле, — пояснил старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН, старший научный сотрудник лаборатории космологии и физики элементарных частиц физического факультета Новосибирского государственного университета кандидат физико-математических наук Андрей Валерьевич Соколов. — 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 под руководством доктора физико-математических наук Льва Исаевича Шехтмана. Если мы с высокой точностью можем измерить скорость дрейфа, то 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».
Перед прототипированием трекинговой системы специалисты провели моделирование, то есть рассчитали параметры различных газовых смесей для определения лучшей. Эти расчеты проводил аспирант НГУ Виджаянанд Куттикатту Вадакеппатту, приехавший в Новосибирск из Индии.
«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, — прокомментировал Виджаянанд Вадакеппатту. — Конкретных правил для выбора газовой смеси не существует, но в основном это 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 параметры. В качестве основного газа были выбраны аргон и неон. Наше исследование показало: 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».
Физики провели имитационные исследования для более чем 25 газовых аргоновых смесей и выбрали две: одну с содержанием 50 % тетрафторида углерода и другую с содержанием 40 % тетрафторида углерода и 15 % метана. Работа показала, 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», — добавил Виджаянянд Вадакеппатту.
Пресс-служба ИЯФ СО РАН