Физики Томского политехнического университета (ТПУ) принимают участие в обновлении имеющихся и создании новых, более надежных алмазных детекторов Большого адронного коллайдера (БАК) Европейского центра ядерных исследований (ЦЕРН). Необходимость апгрейда вызвана тем, что физики ЦЕРНа планируют увеличить интенсивность протонного пучка коллайдера в десять раз, а существующие на сегодня датчики, фиксирующие столкновения частиц, к таким нагрузкам не готовы.
БАК, расположенный близ Женевы на границе Швейцарии и Франции, представляет собой подземный закольцованный туннель длиной 26,7 км, в котором физики разгоняют навстречу друг другу пучки протонов и ионов свинца и с помощью специальных детекторов фиксируют, что получается при их столкновениях. При этом из года в год скорость и энергии соударений в БАК наращиваются.
Здесь проводятся два крупных эксперимента — ATLAS и CMS — и два — меньшими масштабами. В каждом из крупных экспериментов детекторы были созданы своей, отдельной коллаборацией — группой ученых и инженеров из разных стран. Эта же группа контролирует эксперимент, то есть работу детектора, и обрабатывает полученные данные.
Детектор ATLAS имеет беспрецедентно большие размеры при умеренно сильном магнитном поле, в то время как детектор CMS создает очень сильное магнитное поле при умеренно больших размерах. В обоих случаях траектории частиц успевают искривиться примерно на одинаковую величину, поэтому и эффективность их измерения должна быть примерно одинаковой в обоих экспериментах.
Вместе с коллегами из 42 стран ученые ТПУ работают в коллаборации CMS — Compact Muon Solenoid (Компактный мюонный соленоид). Именно CMS впервые «засек» бозон Хиггса в 2012 году. Впрочем, компактность CMS условна, он действительно меньше ATLAS (20х15 м против 43х22 м), но из-за очень сильного магнита вдвое тяжелее (15 тыс т против 7 тыс т). Большой вес и сильное магнитное поле налагает на устройство компонентов детектора CMS особые требования.
По словам профессора Павла Каратаева, заведующего лабораторией разработки источников электромагнитного излучения Центра RASA при ТПУ, при планируемом увеличении интенсивности протонного пучка в десять раз датчики, не подготовленные к таким нагрузкам, могут попросту перестать выполнять свою функцию.
Перед томскими физиками стоит двойная задача. Во-первых, они протестируют имеющиеся алмазные датчики, чтобы выяснить причины, почему некоторые из них «работают на отказ». Во-вторых, с учетом этих данных протестируют новые датчики на основе тонких алмазных пленок, выращиваемых в ТПУ. Ожидается, что такие датчики будут обладать высокой прочностью, быстрой реакцией на столкновения заряженных частиц, а также радиационной стойкостью и разрешением.
Также физики ТПУ примут участие в модернизации системы безопасности BCML (Beam Condition Monitor Leakage) ЦЕРНа. Система автоматически отключает ускорители коллайдера, если уровни светимости и радиации становятся выше фиксируемых датчиками.
