Меридианы сотрудничества

Для поиска "новой физики"

создается в Лаборатории имени Ферми установка
с участием сотрудников Лаборатории ядерных проблем

Наши коллеги Акрам Артиков и Давид Чохели вернулись из Университета Вирджинии, где в течение двух месяцев налаживали производство пилотных модулей для мюонной вето системы и их тестирование перед отправкой в Фермилаб.

В соответствии с проблемно-тематическим планом ОИЯИ сотрудники ЛЯП активно участвуют в эксперименте Mu2e в Фермилаб, проводят моделирование калориметра установки, занимаются научно-исследовательскими работами и созданием элементов мюонной вето системы и калориметра. Стенд для тестирования готовых модулей на основе катодно-стриповых камер, включая сами эти камеры, был сделан непосредственно Акрамом Артиковым и Давидом Чохели.

Чем интересен эксперимент Mu2e? Несмотря на то, что Стандартная модель, описывающая в рамках единого подхода электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия, подтверждена в огромном количестве экспериментов, существует множество указаний на то, что она является лишь частью некой общей теории и что взаимодействия, не описываемые Стандартной моделью ("новая физика"), должны проявиться при энергиях, значительно ниже планковских. Поиски "новой физики" ведутся сразу в нескольких направлениях: поиск новых частиц на Большом адронном коллайдере, в астрофизических наблюдениях ("темная материя" и "темная энергия"); перспективным подходом к поиску "новой физики" являются прецизионные измерения и поиск процессов, проявления которых расходятся с теоретическими расчетами в рамках Стандартной модели. Даже небольшое отклонение измеряемой величины от ее теоретического предсказания позволит сделать вывод о неполноте теории и поставить ограничения на ее расширения.

Акрам Артиков и Давид Чохели запускают процесс сборки модулей в Университете Вирджиния (США)
для вето системы эксперимента Mu2e в Фермилаб.

Один из таких экспериментов по поиску "новой физики", входящий в мюонную программу Фермилаб, - эксперимент Mu2e. Этот эксперимент посвящен поиску прямой конверсии мюона в электрон в поле ядра µ-+N e-+N. Такой процесс происходит с нарушением лептонного числа для лептонов с ненулевым зарядом, и в рамках Стандартной модели его вероятность исключительно мала и составляет примерно 10^-50, т.е. процесс практически ненаблюдаем. Наблюдение любого процесса подобного рода однозначно указывает на наличие взаимодействий за рамками Стандартной модели. Во многих моделях "новой физики" вероятности этих процессов существенно увеличиваются и становятся доступными для наблюдений. Создание установки Mu2e началось, и пробный запуск ожидается в конце 2022 года. Набор статистики на первом этапе запланирован на 2023-2025 гг. Чувствительность установки к регистрации одиночного события прямой конверсии мюона в электрон ожидается на уровне 2,9 х 10^-17, что на четыре порядка лучше достигнутого на сегодняшний день результата.

Сотрудники научно-экспериментального отдела множественных процессов Лаборатории ядерных проблем Ю.Будагов, В.Глаголев, Ю.Давыдов, А.Артиков, Д.Чохели, Ю.Харжеев, В.Баранов, А.Симоненко, И.Васильев, З.Усубов добились 40-процентного увеличения светосбора со счетчиков путем заливки синтетического каучука в отверстие для файберов, разработали методику заливки пятиметровых счетчиков, провели радиационные тесты залитых образцов на реакторе в ЛНФ, создали стенд для тестирования на космических мюонах готовых вето модулей, а также стенд для тестирования сцинтилляционных счетчиков длиной до 7 м с радиоактивным источником, и, совместно с американскими коллегами, наладили процесс сборки модулей для вето системы.

Вето система состоит из сдвоенных сцинтилляционных брусков различной длины (от 90 см до 7 м) с поперечными размерами 5х2 см² и двумя сквозными по всей длине отверстиями с диаметром 2,6 мм, расположенными симметрично между центром и краями по ширине бруска. В отверстия уложены переизлучающие оптические волокна с диаметром 1,4 мм, с обоих концов которых свет регистрируется кремниевыми фотоумножителями и далее передается на считывающее устройство. Из 32 подобных сдвоенных счетчиков (будем называть их дальше дикаунтерами) собирается модуль. Вето система, состоящая из 85 модулей, должна обеспечить эффективность регистрации космических мюонов на 99,99 процента.

Изготовление дикаунтеров и сборка модулей вето системы космических мюонов для эксперимента Mu2e происходит в сборочном помещении отделения физики высоких энергий Университета Вирджинии. Это довольно сложная и кропотливая работа. Процесс сборки модуля заключается в приклеивании эпоксидной смолой 8 дикаунтеров к алюминиевой пластине толщиной 1,27 см (0,5 дюйма), затем на поверхность этих дикаунтеров первого слоя наносится эпоксидный клей и приклеивается алюминиевая пластина 2-го слоя (2-4-я пластины имеют толщину 0,95 см, 5-я - 0,32 см и т.д. Таким образом получается "пирог" из 5 алюминиевых пластин и 4 слоев пластика (дикаунтеров) между ними.

После приклеивания последней алюминиевой пластины вся конструкция накрывается толстой полиэтиленовой пленкой, затем пледом из искусственной ткани для предохранения от порезов острыми деталями конструкции, следующей за пледом полиэтиленовой пленки с вмонтированными в нее манометрами и трубками для откачки воздуха. Верхняя полиэтиленовая пленка прикрепляется к столу по всему периметру толстым двухсторонним скотчем, обеспечивая герметичность при откачке воздуха. Таким образом, модуль выдерживается под атмосферным давлением сутки. Давление и вспомогательные конструкции обеспечивают заданные габаритные размеры модуля с точностью 2 мм.

Сборке модуля предшествует большая и длительная работа по изготовлению дикаунтеров и проведению тестовых измерений. На данный момент изготовлено 3 модуля длиной 6 м, один из которых проходит испытания на созданном нами стенде. Также подготовлены к сборке модулей более сотни дикаунтеров длиной 4,5 м.

Коллаборация планирует выполнить сборку установки Mu2e в 2020-2021 году. На 2022 год запланированы первые пробные наборы данных и ввод в эксплуатацию установки. Успешная сборка нескольких сотен дикаунтеров и первых трех модулей вето системы в сжатые сроки показала реальность такого графика работ.

Владимир ГЛАГОЛЕВ,
Акрам АРТИКОВ