Меридианы сотрудничества

ОИЯИ в эксперименте DUNE

Сегодня проект международного нейтринного эксперимента Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) насчитывает более 1000 ученых из различных стран мира, и среди участников этой большой международной коллаборации - сотрудники Объединенного института ядерных исследований. Об эксперименте, его научной инфраструктуре и участии в нем группы ОИЯИ рассказывает один из ее руководителей, кандидат физико-математических наук, начальник сектора методических исследований научно-экспериментального отдела физики элементарных частиц Лаборатории ядерных проблем Николай АНФИМОВ.

DUNE, запуск которого планируется после 2025 года, принадлежит к числу экспериментов с ускорительными нейтрино. Искусственные источники нейтрино предоставляют ученым гораздо больше возможностей для исследования, поэтому эксперименты с реакторными и ускорительными нейтрино являются наиболее эффективными для изучения осцилляций (превращений) неуловимых частиц. Так, в эксперименте DUNE ускорительный комплекс Fermilab сбрасывает пучок протонов на мишень. Получившиеся в процессе взаимодействий нейтрино пройдут сначала через ближний детектор частиц в Фермилабе, а затем через 1300 км достигнут дальнего детектора в исследовательском центре Стэнфорда.

В составе ближнего детектора предполагается использование модульной времяпроекционной камеры, заполненной жидким аргоном, - ND-LAr TPC. Здесь перед учеными встала нетривиальная задача регистрации вспышки сцинтилляционного света, возникающей при взаимодействии частиц в жидком аргоне.

Чтобы регистрировать такие световые потоки, обычно используют вакуумные или кремниевые фотоумножители. В данном эксперименте свет надо регистрировать вдоль сильного электрического поля, напряженность которого может достигать киловольт на сантиметр. Поэтому системы регистрации света должны быть сделаны из диэлектрических материалов как раз в той части камеры, где этот свет и распространяется. И ОИЯИ взялся такую систему сделать.

Тесты прототипа TPC Module0 в Бернском университете (Швейцария). На фото: Александр Селюнин и Николай Анфимов.

У нас давние дружеские отношения с Бернским университетом еще со времен создания и работы другого ускорительного нейтринного эксперимента - OPERA, где пучок нейтрино из ЦЕРН регистрировался на расстоянии 730 км в Лаборатории Гран-Сассо в Италии. Коллеги из Берна знали, что у нас есть хорошие компетенции в области создания детекторов. И, когда у них возникла необходимость создать систему считывания света в детекторе, они обратились в ОИЯИ. Ведь такая система требует огромных творческих и финансовых ресурсов: это проект масштаба национальной лаборатории или крупного института. У Бернского университета были собственные идеи конструкции такой системы, но мы решили развивать свою разработку считывания на основе волоконной оптики, основываясь на опыте эксперимента GERDA, который нам очень помог.

Мы воспользовались опытом коллег из научно-экспериментального отдела ядерной спектроскопии и радиохимии нашей лаборатории, которые участвуют в эксперименте GERDA. Там был применен похожий метод регистрации света в жидком аргоне с использованием сдвигающего спектр вещества - тетрафенилбутадиена (TPB). Покрытие из TPB наносится на зеленые спектросмещающие волокна. Вакуумный ультрафиолет преобразуется в голубой свет, который может захватываться зелеными спектросмещающими волокнами и далее транспортироваться за область сильного электрического поля, где уже можно поставить стандартный кремниевый фотоумножитель - SiPM.

В GERDA нет электрического поля, но мы использовали идею наших коллег, адаптировав ее под наши задачи и условия.

На сегодняшний день готова опытная партия таких светосчитывающих модулей. В Бернском университете собран прототип времяпроекционной камеры со всеми необходимыми компонентами. В марте-апреле 2021 года мы с младшим научным сотрудником Александром Селюниным ездили в командировку в Берн для проведения тестовых испытаний камеры. Собранная установка показала прекрасные результаты. Это большой успех, тем более, что обсуждение проекта шло удаленно из-за ковидных ограничений.

В настоящее время в Бернском университете проводятся тесты прототипов детекторов. То, как в этих тестах работает детектор, это что-то фантастическое: прекрасно видно треки частиц, все очень хорошо сшивается. Даже на космических лучах видно суперинтересную физику.

После завершения тестирования прототипов будем выходить на промышленное производство детекторов. Мы очень рассчитываем на сотрудничество с отечественными компаниями, которым сможем передать наши разработки в серийное производство. Необходимо будет сделать партию в тысячи детекторов и восемь тысяч каналов электроники.

Требований к будущему партнерскому производству очень много, в том числе по уровню квалификации персонала. Необходимо будет масштабировать нынешнюю версию детектора, так как прототип спроектирован в уменьшенном масштабе. Запустить массовое производство необходимо в следующем году.

Мы присоединились к проекту в 2017 году на уровне разработки опытных образцов. Затем стало понятно, что мы готовы сделать хороший, масштабный детектор. Это требует огромного количества ресурсов даже на этапе прототипирования. И в мае прошлого года мы официально вступили в коллаборацию DUNE. Проект был успешно представлен на ПКК ОИЯИ и включен в Проблемно-тематический план Института до 2023 года как проект создания прототипа. Надеюсь, к 2023 году мы придем к созданию всей системы, и в этом статусе наш проект в рамках ПТП будет продлеваться.