Спецвыпуск "Молодежь и наука"

Первая ласточка проекта NICA

Эксперимент BM@N "Барионная материя на Нуклотроне" является пилотным в реализации проекта NICA. Создана установка, проведены сеансы, набраны данные. Об эксперименте мы попросили рассказать Анну МАКСИМЧУК (на снимке слева). В проекте она участвует с 2015 года, и недавно назначена техническим координатором - согласовывает работу групп, которые занимаются детекторами.

- Анна, расскажите про основную идею эксперимента и этапы реализации.

- BM@N - это эксперимент на выведенном пучке Нуклотрона. Изначальная идея заключается в том, чтобы исследовать свойства барионной материи при экстремальных плотностях и температурах. В ходе эксперимента будут изучены взаимодействия пучков релятивистских тяжелых ионов с фиксированными мишенями, вплоть до взаимодействий золото-золото. Исследования будут проводиться на создаваемой для этого экспериментальной установке.

На первом этапе создания установки BM@N было проведено несколько "технических" сеансов на пучке дейтронов. Они были необходимы для того, чтобы исследовать характеристики детекторных подсистем, считывающей электроники, разработать алгоритмы анализа экспериментальных данных. Однако в последующих сеансах на пучках Нуклотрона получены не только технические, но и физические результаты. Были зарегистрированы продукты взаимодействия пучков углерода, аргона, криптона с различными мишенями (алюминий, медь, олово, свинец). Технически набор данных происходит так: подается пучок ядер определенной энергии, на каждой мишени набирается статистика. Потом меняется энергия пучка, и снова на каждой мишени проводятся измерения.

- Вы работали на 55-м сеансе, который называют лучшим за всю историю Нуклотрона. Почему он лучший и как он проходил?

- Сеанс действительно был очень хороший, удачный. Проходил в феврале-апреле 2018 года. Нуклотрон работал стабильно, улучшилось качество пучка. Впервые использовался новый источник тяжелых ионов КРИОН, что дало возможность выводить пучки аргона и криптона. Первые несколько недель на установку выводился пучок углерода, были набраны данные по программе проекта наших научных партнеров SRC (Short-Range Correlations) по изучению корреляций нуклонов на малых расстояниях. После окончания набора данных SRC за несколько дней было необходимо произвести перестановку детекторов в экспериментальном зале, демонтировать некоторые узлы, переставить их в конфигурацию BM@N. Следующие несколько недель, до паводка, шел сеанс непосредственно по программе BM@N. Сначала на аргоне - был сделан скан с разными энергиями пучка, мишенями, значениями магнитного поля. После этого аналогичные измерения проводились и на криптоне. Важные данные набраны по работе всех подсистем установки на пучках средних ионов. И, конечно, были набраны физические данные. До этого сеанса никогда на установку таких тяжелых пучков не выводилось.

- Сколько получено в итоге физических данных?

- 80 млн событий на аргоне и 50 млн событий на криптоне.

- Расскажите об эксперименте SRC.

Жидководородная мишень для эксперимента SRC: дюар с жидким азотом для охлаждения, сверху, внутри горизонтального "пальца" находится жидкий водород.

- Помимо первоначальных задач BM@N, на установке проводятся исследования по проекту SRC. В рамках этого проекта мы сотрудничаем с учеными из США, Израиля, Германии, Франции. В основе исследований группы лежит гипотеза о том, что некоторые нуклоны в ядре образовывают скоррелированные пары. Изучение свойств таких пар даст более глубокое понимание природы сильных взаимодействий. Группа уже проводила исследования в крупнейших мировых научных центрах. Но на нашей установке есть возможность сталкивать пучки ядер с фиксированной водородной мишенью, в так называемой обратной кинематике, что позволит получить информацию о свойствах фрагментов ядра после столкновения. Для проведения работ по проекту SRC были выведены пучки углерода и специально установлена жидководородная мишень. Группа очень мотивированная: приезжали, дежурили, как и мы, на сеансах зимой, в мороз. Во время последнего сеанса на Нуклотроне коллеги уже набрали статистику порядка 15 млн событий, однако этого, конечно, недостаточно и они будут приезжать еще, продолжать эксперимент.

- У нас есть фотографии установки, на которой проводился сеанс, расскажите читателям, из чего она состоит.

- Фотография была сделана во время сеанса по программе SRC. В правой части фотографии, у разноцветных бетонных блоков, можно заметить ионопровод - здесь расположен вывод пучка на установку. Под серой балкой находятся магниты-корректоры, с помощью которых можно направить пучок точно на мишень. Между полюсами одного из этих магнитов как раз и была установлена жидководородная мишень для эксперимента SRC. Для наблюдения эффекта необходимо зарегистрировать два протона, вылетающих из мишени под большими углами. Пластины медного цвета около магнита - координатные детекторы - установлены для этой цели. Левее расположены группы триггерных детекторов и профилометров, позволяющих оценить характеристики пучка (их лучше видно на следующей фотографии). Под зелеными блоками скрывается анализирующий магнит, внутри которого расположена мишень BM@N. Траектории частиц, образовавшихся при взаимодействии пучка ионов и мишени, определяются группами детекторов, расположенных внутри магнита за мишенью (об этой группе будет подробно рассказано ниже).

Получив информацию о траектории, можно измерить радиус поворота частицы в магнитном поле и определить ее импульс. Большие октогональные конструкции - это дрейфовые камеры, они используются в настоящее время для определения координат частиц, которые вышли за пределы магнита. Однако при модернизации установки эти камеры будут заменены на другие, способные выдерживать высокие интенсивности и большую множественность заряженных частиц при работе с тяжелыми ядрами. К желтым балкам крепятся детекторы - многозазорные резистивные плоские камеры, необходимые для определения времени пролета частиц. Их конструкция была разработана группами из ЛФВЭ и Протвино специально для проектов BM@N и MPD. Далее на фото виден LAND (Large Area Neutron Detector), который был привезен из GSI для проекта SRC. Слева на снимке расположен так называемый калориметр нулевого угла. Его задача - восстановление центральности взаимодействий.

На снимке ниже видно, где установлена мишень, - она расположена на полюсе магнита, внутри так называемого барреля, который используется для определения множественности частиц, вылетающих из мишени, и выработки сигнала триггера (запуска) установки. Кремниевые детекторы, расположенные за мишенью, необходимы для реконструкции вершины взаимодействия. Медные пластины в глубине магнита - координатные детекторы GEM (газово-электронный умножитель). Технология производства GEM-пленок довольно сложная, доступна только в ЦЕРН. Однако дизайн детекторов для BM@N был разработан у нас в ОИЯИ. Чтобы достичь максимально возможного аксептанса (область в фазовом пространстве, доступная для движения частиц - прим. ред.), нам необходимо перекрыть апертуру магнита полностью - а это около одного метра. Так и получилось, что в настоящее время наши GEM детекторы - самые большие в мире по площади.

- Что именно предполагается сделать в ходе модернизации?

Часть установки, которая видна на первом плане этой фотографии, будет демонтирована и модернизирована.

- Сейчас основная задача - построить вакуумный ионопровод, чтобы подготовить установку к работе с тяжелыми ядрами, вплоть до золота. Это очень важно, ведь на пути ядер недопустимо наличие воздуха и других рассеивающих объектов. Вакуумный канал транспортировки пучка от Нуклотрона необходим и в самом 205-м корпусе, и на экспериментальной установке. Группы триггерных детекторов и профилометров будут установлены внутри ионопровода в специальных вакуумных боксах. Некоторые детекторные подсистемы будут расширены до полной конфигурации. В магните планируем дополнительно установить четыре плоскости широкоапертурных кремниевых детекторов. Это позволить нам существенно улучшить точность восстановления траекторий заряженных частиц. Подобные детекторы будут установлены на эксперименте CBM, и мы очень рассчитываем на тесное сотрудничество с группами, участвующими в этой коллаборации. Как видите, необходимо многое успеть до того, как будет закончен апгрейд ускорительного комплекса. Только завершив эти работы, мы сможем приступить к выполнению физической программы эксперимента BM@N.