Меридианы сотрудничества

По пути модернизации

Новый электромагнитный калориметр для эксперимента COMPASS в ЦЕРН успешно используется для набора данных.

Эксперимент COMPASS был задуман как "общая мюонная и протонная установка для изучения структуры и спектроскопии адронов". Детектор состоит из многоцелевого высокоточного спектрометра и самой большой в мире поляризованной мишени. Ядра, дейтерий или водород, входящие в состав рабочего вещества мишени ⁶LiD или NH₃, могут быть поляризованы продольно или поперечно и сохранять направление "замороженной" поляризации в течение длительного времени. COMPASS размещен на уникальном канале SPS M2 в ЦЕРН, который формирует пучки пионов или поляризованных мюонов в области энергий от 50 до 280 ГэВ. Установка уже доказала свою жизнеспособность, предоставляя уникальную возможность найти решения для целого ряда фундаментальных проблем как в структуре нуклона, так и в адронной спектроскопии.

Эксперимент COMPASS-II, одобренный в 2010 году, заложил основу для проведения исследований трехмерной структуры нуклона на следующее десятилетие. Одной из главных задач COMPASS-II является изучение обобщенных партонных функций распределений (GPD) в нуклонах. Последние теоретические разработки GPD, выполненные на основе экспериментальных данных, позволяют получить информацию по поперечной локализации партона в нуклоне как функцию от доли поперечного импульса нуклона, которую уносит партон. Получение такой трехмерной картины называют "томографией нуклона". Кроме того, концепция GPD привлекла большое внимание ученых после того, как было показано, что полный угловой момент определенного вида партонов, для кварков или для глюонов, зависит от второго момента суммы двух GPDs. Получение данных по этим GPD через измерения эксклюзивного глубоко виртуального комптоновского рассеяния (DVCS), или глубоко виртуального рассеяния с рождением мезонов (DVMP), является единственно известным способом определить компоненты "вклада" в спин нуклона. И тем самым покончить с так называемым "спиновым кризисом". Реакции DVCS и DVMP являются эксклюзивными. Для того чтобы померить их сечения, существующая установка COMPASS должна быть дополнена двумя новыми детекторами - детектором протонов отдачи (RPD), измеряющего характеристики протонов, и электромагнитным калориметром ECAL0 перед первым магнитом (SM1) спектрометра (рис. 1). Внутри RPD установлена новая жидководородная мишень длиной 2,5 м. Новый калориметр ECAL0 обеспечит регистрацию событий в существенно более широкой кинематической области реакции по сравнению с существующими калориметрами ECAL1 и ECAL2. Детектор ECAL0 был предложен и разработан в ОИЯИ в сотрудничестве с группами физиков из Мюнхена, Фрайбурга, Варшавы, Сакле (Франция), Праги, ЦЕРН и коллегами из Харькова (Украина).

Рисунок 1. Экспериментальная установка COMPASS (слева) и передняя часть спектрометра,
дополненная детекторами для изучения обобщенных партонных распределений.

Новый электромагнитный калориметр является уникальным прибором типа "шашлык" (сцинтиллятор, свинец), в котором вместо традиционных фотоэлектронных умножителей применены самые современные фотоприемники - микропиксельные лавинные фотодиоды (МЛФД) с ультравысокой плотностью пикселей (до 15 тыс./мм²). Таким образом МЛФД впервые применены для электромагнитного калориметра в крупной физической установке. Следует отметить, что уже более 20 лет этот тип фотодетекторов разрабатывается и тестируется во многих институтах, а ОИЯИ является одним из ведущих центров в этой области. МЛФД с плотностью пикселей 15 тыс./мм², разработанные в нашем Институте под руководством З.Я.Садыгова, были использованы в калориметре в составе экспериментальной установки COMPASS в 2012 году, во время тестового набора данных. Для этого в качестве прототипа было собрано более четверти модулей калориметра. После успешных тестов началась финальная стадия производства калориметра, и 250 модулей были произведены и протестированы в Институте сцинтилляционных материалов (ИСМА, Харьков, Украина). В декабре 2013 года эти модули были доставлены в ЦЕРН.

А.С.Селюнин, Т.В.Резинько, Д.В.Федосеев, З.В.Крумштейн и И.Е.Чириков-Зорин.

Дальнейшие тесты МЛФД для калориметра, связанные с появившимися новыми физическими задачами, - использование этого детектора в интенсивных пучках адронов, - привели к необходимости применения новых быстрых МЛФД фирмы Hamamatsu типа MPPC S12572-10P с плотностью пикселей 10 тыс./мм². Разработка, производство и тестирование блоков регистрации на основе этих МЛФД заняли почти полтора года и были успешно выполнены в сотрудничестве с российской компанией Rusalox (г. Владимир). Эта компания производит печатные платы с повышенной теплопроводностью на основе алюмооксидной технологии, обеспечивающей высокую эффективность охлаждения любых тепловыделяющих электронных компонентов. Печатные платы, произведенные по алюмооксидной технологии, состоят из проводящего слоя алюминия и диэлектрического материала, имеющего нанопористую структуру. Нам потребовался новый технологический процесс - сверление отверстий, их оксидирование и металлизация, при этом токи утечки должны были быть на уровне пикоампера при напряжении 100 В. Дополнительно в ОИЯИ выполнялись припайка пинов и приклейка МЛФД к алюмооксидной плате, приклейка конусов Винстона к МЛФД и другие операции сборки регистрирующих блоков.

Первые блоки регистрации были готовы к началу июня 2015 года, а в конце июня 20 таких блоков были поставлены в ЦЕРН и протестированы на пучке. В результате - после многолетней напряженной работы по разработке и оптимизации систем детектора, многочисленных тестов прототипов модулей и системы считывания калориметра на пучках в ЦЕРН, комплексе ЭЛСА (Бонн) и в ДЕЗИ (Гамбург) был разработан финальный вариант модуля калориметра, показанный на рисунке 2.

Рисунок 2. Модуль калориметра ECAL0.

Важно отметить, что в разработке систем калориметра принимали участие группы из других научных центров и производственных компаний. Кроме уже упомянутых выше коллег из ИСМА и Rusalox, системы питания, контроля и термостабилизации были разработаны и произведены фирмой HVSYS, система считывания (АЦП) и усилители были созданы группами из Мюнхена и Варшавы, а группа из Праги изготовила оптические разветвители для системы мониторирования и контроля.

В марте-апреле 2016 года ECAL0 был полностью собран, проверен и включен в состав установки COMPASS, и в данный момент успешно используется для набора данных. Основные свойства нового калориметра можно сформулировать таким образом: ECAL0 эффективно регистрирует прямые фотоны от реакций DVSC и DVMP в широком диапазоне энергий (0,2-40 ГэВ); и вместе с ECAL1 (рис. 1) эффективно регистрирует ⁰, что позволяет существенно снизить вклад фоновых процессов, а также дает возможность для дополнительных измерений реакций с выходом других мезонов. Такие свойства нашего прибора существенно расширяют диапазон измерений c минимальными систематическими неопределенностями.

Рисунок 3. Подготовленный к работе калориметр в составе установки COMPASS.

Стабильная работа нашего калориметра уже в течение первых месяцев набора данных была отмечена руководством коллаборации COMPASS. Мы ожидаем получения новых физических результатов с данными от ECAL0 уже в 2017 году. Кроме того, приобретенный опыт будет использован при разработке подобных калориметров для установок MPD и SPD на комплексе NICA.

Зиновий Крумштейн, Александр Нагайцев, Александр Ольшевский, Игорь Савин