Физики СПбГУ создали детектор очарованных частиц для ЦЕРН

Прибор позволит понять особенности образования агрегатного состояния материи, в котором находилась Вселенная в первые мгновения после Большого взрыва.  Исследователи рассчитывают, что новые данные с использованием детектора им удастся получить уже в декабре.

Рентген для первичной Вселенной

Кварк-глюонная плазма (КГП) — новое  сверхгорячее и сверхплотное агрегатное состояние вещества. Ученые предполагают, что именно в таком состоянии находилась Вселенная в первые микросекунды жизни. КГП — это своего рода жидкость из кварков и глюонов, не запертых в составные частицы (например, протоны и нейтроны), из которых состоит окружающая нас материя.

Для изучения кварк-глюонной плазмы ученые разгоняют тяжелые атомные ядра до световых скоростей на современных ускорителях (LHC, RHIC и SPS) и сталкивают между собой. Так как столкновения происходят при очень высокой энергии, ее становится достаточно для того, чтобы «сплавить» протоны и нейтроны первоначальных ядер в одну кварк-глюонную каплю.

NA61/SHINE, или SPS Heavy Ion and Neutrino Experiment (тяжелоионный и нейтринный эксперимент на ускорителе SPS), занимается изучением фазового перехода из обычной (адронной) материи в кварк-глюонную плазму, а также поиском критической точки ядерной материи. Сегодня международная научная коллаборация NA61/SHINE является ведущей в этой области. Ожидается, что подобные исследования будут проводиться и на строящихся ускорителях NICA в Дубне и FAIR в Германии.

Создаваемая таким образом кварк-глюонная плазма чрезвычайно нестабильна: от момента создания до ее распада проходит всего около 0,00000000000000000000001 секунды. В момент распада свободные кварки КГП объединяются в группы, образуя частицы, которые улавливаются детекторами на физических экспериментах.

В образовании КГП на эксперименте принимают участие не только кварки, изначально находящиеся внутри протонов и нейтронов, но и более тяжелые виды этих частиц. Вообще, процесс рождения новых кварков и аннигиляция старых происходит непрерывно до самого распада капли, однако тяжелые виды рождаются в основном в самый первый момент столкновения, то есть до образования капли как таковой. Именно поэтому они представляют особый интерес для исследователей. Изучение частиц, содержащих подобные первичные кварки, может служить своего рода рентгеном кварк-глюонной плазмы. Лучшим представителем семейства кварков для этой цели считается c-кварк. Он не содержится в обычной материи, как u- и d-кварки, достаточно тяжел, чтобы практически не образовываться внутри самой капли, в отличие от s-кварка, и при этом достаточно легок, чтобы образовываться в первые моменты столкновения в необходимом для «рентгена» количестве. Другое имя c-кварка — очарованный (charm).

Вершинный детектор — ловец очарованных частиц

Новый вершинный детектор, разработанный учеными СПбГУ и исследователями из Польши и Германии, призван фиксировать распады короткоживущих частиц, содержащих очарованный кварк. Ввиду того что такие частицы распадаются практически сразу после рождения, не пролетев и десятой доли миллиметра (что тем не менее в миллиарды раз больше размера образующихся капель КГП), их регистрация является серьезной экспериментальной задачей.

Детектор представляет собой несколько плоскостей, образованных пластинами тончайших (50 микрон) матриц. Каждая матрица состоит из миниатюрных кремниевых чувствительных  ячеек — пикселей (1 пиксель — 0,018 миллиметра).

Кроме изучения кварк-глюонной плазмы коллаборация обеспечивает необходимыми фундаментальными данными нейтринные эксперименты в США (FermiLab) и Японии (T2K), а также обсерваторию космических лучей Пьера Оже (Аргентина).

Рожденная частица, пролетая через пиксель, оставляет в нем сигнал. По получившимся точкам-пикселям восстанавливается траектория движения частицы, а по нескольким траекториям — положение точки их вылета (основная вершина). Наличие второй вершины, расположенной вблизи от основной, может свидетельствовать о распаде короткоживущей частицы.

«У нас накоплен большой опыт строительства вершинных детекторов. С подобным проектом еще в 1992 году мы вошли в международную научную коллаборацию ALICE на Большом адронном коллайдере, — рассказывает  заведующий лабораторией физики сверхвысоких энергий  СПбГУ Григорий Феофилов. —  Сегодня совместно с коллегами из европейских стран мы решили применить эти разработки  в эксперименте NA61/SHINE в ЦЕРН. Кроме того, наши технологии радиационно-прозрачных  вершинных детекторов  оказались очень востребованы в строящемся комплексе коллайдера NICA в Дубне».