Личное измерение

Однажды в ОИЯИ, навсегда в ОИЯИ

Младший научный сотрудник научно-экспериментального отдела физики элементарных частиц ЛЯП Мэдэлина-Михаела МИЛОЙ считает, что ее судьба уже неразрывна связана с нашим Институтом. Ей нравятся и научная задача, и коллектив, и город. Сегодня она рассказывает об этом на страницах еженедельника.

Впервые я приехала в ОИЯИ, когда заканчивала 2-й курс бакалавриата. Это был 2015 год. Бухарестский университет, где я училась, отправлял своих самых энергичных студентов на летнюю практику в Объединенный институт ядерных исследований. Для меня Дубна стала любовью с первого взгляда. Тогда я три недели проработала в группе ЛЯП по изучению генетических мутаций мушек Drosophila melanogaster. Всё, что произошло за эти три недели, мне очень понравилось: от того, чем я занималась на работе, до атмосферы города, - спокойного, немного обособленного, а поэтому идеального места, чтобы побыть наедине со своими мыслями.

После той поездки я каждый год возвращалась в ОИЯИ, чтобы поучаствовать в школе или пройти студенческую практику, а с января 2017 года вплоть до 2018-го я параллельно работала по контракту в ЛНФ и училась в университете. Это был один из самых сложных периодов в моей жизни не только из-за личных проблем, но и потому, что моя работа требовала знаний, к которым я не была готова. Я еще заканчивала бакалавриат по инженерному делу, по направлению "Технологическая физика", когда начала работать в области ультрахолодных нейтронов. В тот год я сдавала выпускные экзамены, а затем и вступительные в магистратуру. Тем не менее считаю, что это был правильный выбор для меня не только потому, что я написала самые первые коды, которые дали результат, но и потому, что для меня это был год развития и получения новых знаний и навыков. Когда я закончила среднюю школу (одну из старейших и престижнейших в Румынии), нам сказали, что лучшая сталь закаляется огнем. Я считаю, что получила именно такой опыт. Самая большая эволюция за время учебы в университете произошла во мне благодаря контракту с ЛНФ.

В разгар пандемии 2020 года, когда я уже начала учиться в аспирантуре Бухарестского университета, я решила вернуться в ОИЯИ. "Однажды в ОИЯИ, навсегда в ОИЯИ". Это решение ни для кого не стало сюрпризом: всё, что я сделала как специалист в других местах, было главным образом связано с тем, чему я научилась в ОИЯИ. Стало очевидно, что мое место - в Объединенном институте ядерных исследований, как по личным причинам (потому что здесь я чувствую себя своим человеком), так и потому, что в Институте есть люди, которые думают и работают так же, как я. В ОИЯИ у меня есть свобода развиваться настолько, насколько хватит сил, и коллеги ценят, когда видят мой вклад в общее дело.

Даже люди из моего университета, в том числе преподаватели, чувствовали, что мое место в ОИЯИ, и подчеркивали это при каждом удобном случае.

Сейчас я работаю в Лаборатории ядерных проблем, и мой кабинет находится в том же коридоре, где проводятся генетические исследования, но на "физической стороне". Возможно, это тоже какой-то знак судьбы...

Моя основная работа посвящена эксперименту NA65 (DsTau), который проводится в ЦЕРН и изучает поток тау-нейтрино, образующихся в протон-ядерных взаимодействиях. В ходе эксперимента можно обнаружить очарованные частицы, в частности Ds-мезон, который является основным источником тау-нейтрино в ускорителях, и в этом заключается главный научный интерес эксперимента. В качестве трековых детекторов используются пленки ядерной эмульсии. В установке используется более ста модулей. Каждый из них имеет по 10 вольфрамовых (или молибденовых) мишеней, за которыми следуют 10 эмульсионных пластин (эмульсионный гель, нанесенный на обе стороны пластиковой основы), разделенных пластиковой фольгой. Модули облучались по отдельности протонами с энергией 400 ГэВ от ускорителя SPS в отсутствии магнитного поля.

При этом они облучались однородно для получения плотности 3х10⁵ протонов/см². Для этого каждый модуль помещается на специальное устройство для перемещения мишени, которое двигает его перед пучком в зависимости от интенсивности (которая не является постоянной). При разных условиях полное время облучения одного модуля может составлять 40 минут или даже... два дня, если ускоритель SPS неожиданно останавливается. И SPS часто преподносил нам такие сюрпризы! В итоге мы проводили сбор данных на протяжении нескольких лет и завершили в 2023 году из-за пандемии.

Установка устройства для перемещения мишени на пучок, 2021 г.

С японским коллегой возле модуля, готового к экспонированию (видно, что я ношу футболки с логотипом ОИЯИ, когда представляю Институт), 2021 г.

Сразу после экспонирования эмульсионные пленки (которые представляют собой фотопластинки, похожие на фотопластинки старого фотоаппарата, с измененным химическим составом, в них заряженные частицы оставляют следы вдоль своих траекторий) должны быть проявлены. Проявка происходит в темной комнате, и это нетривиальная процедура. Она требует внимания и точности, поскольку необходимо быстро проявить тысячи пластин, и в процессе они могут склеиться или повредиться. После проявления пластины теряют чувствительность и не могут зарегистрировать траекторию какой-либо частицы. Используемые нами эмульсии имеют угловое разрешение 0,35 мрад и пространственное разрешение 0,4 микрона.

Мы рассчитываем изучить 5х10⁸ протонных взаимодействий, происходящих в мишенях, из которых предположительно 1000 событий должны происходить с появлением Ds-мезона. Плотность треков беспрецедентно высока и составляет около 10⁵-10⁶ треков/см². Сканирование пластин осуществляется автоматическим микроскопом HTS (Hyper Track Selector), расположенным в Нагое (Япония). Он чувствителен к следам, появляющимся в каждом слое эмульсионного геля с обеих сторон пластиковой основы. Такой след в слое эмульсии называется микротреком и, естественно, после сканирования имеет цифровой формат. Соединение двух микротреков образует базовый трек. Соединение базовых треков дает трек частицы, так называемый трековый алгоритм. Поскольку треки сходятся в точку, можно восстановить вершину взаимодействия. Когда взаимодействие производится с протоном энергией 400 ГэВ, оно называется первичным взаимодействием (первичная вершина). Выбираются вершины, в которых появляется короткоживущая частица. Среди них выбираются те, которые похожи на распад Ds-мезона через испускание таона.

Пример восстановленной первичной вершины,
в которой наблюдаются события-кандидаты на появление очарованных частиц

Все вышеперечисленные процедуры требуют специальных алгоритмов, которые должны быстро находить нужные события в огромном количестве следов. Поиск короткоживущих частиц, испускаемых в прямом направлении (таких как очарованные частицы, невидимые для многих детекторов), - нетривиальная задача. Частицы, которые мы ищем в нашем эксперименте, распадаются в пределах миллиметров, но продукты их распада могут перемещаться на большие расстояния. Устранение фона требует специальных алгоритмов. Создание алгоритмов и есть основная задача эксперимента DsTau на данный момент, и она очень непростая.

Мой основной вклад заключается в анализе данных. Одна из задач, в частности, посвящена разработке алгоритмов, которые определяют разрешение реконструкции вдоль оси пучка вместе с толщиной каждого структурного слоя детектора. Хотя основной интерес для эксперимента представляют взаимодействия, происходящие в вольфрамовых мишенях, ничто не мешает налетающим протонам взаимодействовать с материалами конструкции детектора. Таким образом, реконструируя первичные взаимодействия во всех материалах, можно различить положение каждого слоя по количеству происходящих в нем взаимодействий.

На рисунке ниже представлены взаимодействия, происходящие в первой вольфрамовой мишени, затем в слоях эмульсии и пластика. Видна тонкая структура детектора. Такая реконструкция способна показать взаимодействия, происходящие в слоях небольшой толщины (эмульсия имеет толщину всего 70 микрон, а пластик - около 200 микрон). Положение вольфрамовой мишени номинальной толщиной 500 микрон отличается наибольшим количеством взаимодействий (отмечено серым цветом). Меньшие пики на синем фоне соответствуют взаимодействиям, происходящим в слоях эмульсии. Области зеленого цвета - это взаимодействия в пластике. Химический состав эмульсии отличается от пластика большой концентрацией кристаллов AgBr, которые явно являются более тяжелыми мишенями, чем C или H, из которых состоит пластик. Почему эмульсионный гель содержит кристаллы AgBr? Потому что именно эти кристаллы помогают формировать изображение на фотопластинке, отображать траекторию заряженной частицы, которая ионизирует среду во время своего "путешествия".

Подвыборка восстановленных основных вершин вдоль оси пучка в одном модуле. Положение вольфрамовой мишени отличается наибольшим количеством взаимодействий. За мишенью следуют слои пластика и эмульсии, вершины которых тоже можно идентифицировать, несмотря на малую толщину

Для получения разрешения реконструкции по оси пучка, а также реальной толщины каждого слоя (которая может отличаться от номинальных значений) каждый из пиков подгоняется посредством свертки функции Гаусса и ступенчатой функции с подложкой, в которой все пределы каждого шага являются свободными параметрами. Для реальных данных полученное разрешение реконструкции вершин вдоль оси пучка составляет около 7 микрон. После определения разрешения следует детальное исследование его зависимостей: вершина лучше реконструируется, когда имеется больше треков (чем выше множественность, тем точнее реконструкция вершины) и когда первые зафиксированные трековые сегменты, базовый трек, расположены поблизости (разрешение зависит от положения внутри мишени). Разрешение также зависит от гладкости каждого слоя, а также качества эмульсионного слоя (поврежден он или нет). Всё это помогает в прецизионном отборе взаимодействий в мишенях. Это и было моим основным направлением работы в последние месяцы.

Поскольку стандартные алгоритмы работают медленно (уж слишком медленно), в ОИЯИ разрабатываются новые алгоритмы реконструкции вершин, включая отбор первичных вершин и поиск короткоживущих частиц с последующим поиском распадов Ds-мезона и таона. Я уже присоединилась к этой работе, и скоро она станет основным направлением моей научной деятельности. Предварительные исследования показывают, что наши алгоритмы значительно быстрее. Подробнее я расскажу об алгоритмах и полученных результатах на будущих конференциях.

В целом я считаю, что приняла лучшее решение - остаться в ОИЯИ. Не только потому, что могу заниматься тем, что нравится, и мне за это платят. Но и потому, что город Дубна отвечает моим представлениям о счастье: спокойный, с лесными массивами, множеством птиц. Здесь я могу заниматься любимым видом спорта, найти друзей по интересам. Я чувствую, что весь опыт, который я получила в жизни, подготовил меня к тому, чтобы оказаться там, где я есть сейчас, он сделал меня сильной, способной противостоять вызовам. Уверена, следующие годы будут также полны испытаний!