Интервью в номер

MPD и SPD: на основе новейших разработок

Ход работ по флагманскому проекту NICA/MPD наша газета освещает, как правило, по мере преодоления очередных этапов, например поставки и настройки оборудования, испытания новых систем для Нуклотрона. Однако этим не исчерпывается создание установки. Параллельно с модернизацией Нуклотрона и строительством коллайдера идет процесс создания детекторов, разработки электроники и программного обеспечения. Ознакомить наших читателей с детектором MPD (Multi Purpose Detector), с помощью которого будут исследоваться взаимодействия на встречных пучках, корреспондент еженедельника Галина Мялковская попросила руководителя группы анализа в проекте NICA/MPD Вадима Колесникова.

Расскажите, прежде всего, как предполагается в проекте NICA наблюдать взаимодействия, сколько планируется установить детекторов?

На коллайдере NICA предусмотрено два специальных промежутка, в которых будут располагаться детекторы для регистрации взаимодействий. Интенсивные пучки заряженных частиц, движущихся по своим орбитам в противоположных направлениях, системой магнитов будут сводиться в одну точку ("точку взаимодействия") в центре этих детекторов. Физики будут изучать взаимодействия различных частиц - от протонов до ядер золота. Детектор MPD предназначен для исследования ядерных столкновений. Второй детектор (его аббревиатура - SPD) служит для изучения столкновений поляризованных частиц, с его помощью будет исследоваться спиновая структура нуклона.

Что скрывается за аббревиатурой MPD? Для каких целей детектор предназначен и что планируется изучать с его помощью?

В переводе на русский язык Multi Purpose Detector означает многофункциональный детектор. При столкновении ускоренных до релятивистских скоростей объектов рождается большое количество вторичных частиц: от самых легких, таких как электрон или фотон, до тяжелых типа омега-гиперон. Полное число частиц, которое необходимо зарегистрировать, меняется в зависимости от размеров сталкивающихся ядер и энергии столкновения и может достигать нескольких сотен. В наши задачи входит не только регистрация частиц, но и определение их характеристик: заряда, массы и импульса. Сделав это, мы сумеем исследовать свойства образованной при столкновении системы - физики называют ее файерболом. И хотя размеры такой системы лишь ненамного превышают размеры сталкивающихся ядер, а время жизни составляет по нашим меркам ничтожно малую величину (порядка 10^-22 с), плотность материи внутри файербола в начальный момент почти в 10 раз превышает обычную ядерную плотность, а температура в 200 000 раз больше, чем в центре Солнца. Современная теория предсказывает, что при таких экстремальных условиях ожидается т.н. деконфайнмент, то есть переход обычного ядерного вещества в фазу свободных кварков и глюонов - кварк-глюонную плазму (КГП). Причем в отличие от тех условий, которые осуществимы в ядерных столкновениях на LHC, при энергиях NICA образованная система имеет максимально возможную плотность барионов. В этом случае есть высокая вероятность экспериментального обнаружения еще нескольких интригующих физических явлений: сигнала о частичном восстановлении киральной симметрии и о критической точке КХД в области аномально высоких флуктуаций. Исследованию характеристик деконфайнмента, свойств смешанной фазы (адронного газа и КГП), критических флуктуаций и посвящена физическая программа NICA/MPD.

Что представляет собой структура MPD? Будут ли применяться в нем технологии дубненского происхождения?

Основная часть детектора представляет собой цилиндрическую конструкцию длиной 6 и диаметром 5 метров, состоящую, как матрешка, из нескольких активных слоев. Внешняя часть - это сверхпроводящий магнит (соленоид), который создает внутри однородное магнитное поле 5000 Гаусс. Анализируя траектории заряженных частиц в магнитном поле, мы можем определить их импульс, причем траектория (трек) восстанавливается по ионизационным потерям в специализированном газовом детекторе - время-проекционной камере TPC. Для определения типа частицы предназначены два других элемента MPD: время-пролетная система TOF измеряет скорость частицы, а по распределению величины энерговыделения в электромагнитном калориметре ECAL мы планируем выделять электроны и фотоны. В состав MPD также включены вершинный детектор IT-трекер, расположенный в торцевых зонах трекер ECT и ряд вспомогательных систем: калориметр для определения вектора прицельного параметра столкновения ZDC, черенковский годоскоп для запуска установки FFD и набор трековых детекторов для измерения при больших псевдобыстротах CPC, GEM.

Общий вид детектора MPD.

Следует отметить, что физики ОИЯИ обладают достаточным опытом в разработке практически всех типов детекторов. Здесь я бы хотел упомянуть группы Ю.В.Заневского, одного из лидеров в области разработки и создания газовых трековых детекторов, В.Д.Пешехонова (разработанная этой группой технология создания трекеров на основе строу-трубок широко используется в экспериментах ATLAS и NA62 в ЦЕРН), В.М.Головатюка (разработка время-пролетной системы на основе технологии mRPC), И.А.Тяпкина и З.В.Крумштейна (свинцово-сцинтилляционный ECAL с высоким энергетическим и временным разрешением). Тем не менее участие в создании компонентов детектора групп из других научных центров весьма заметно: здесь и совместный проект JINR-GSI в рамках международного консорциума по созданию IT-трекера (Ю.А.Мурин), и работа групп ОИЯИ и ИЯИ (Троицк) над созданием ZDC-калориметра (А.Б.Курепин и А.Г.Литвиненко).

Какое оборудование готово уже сейчас?

Любой крупный проект в физике высоких энергий реализуется в несколько этапов. Вначале готовятся предложения по физической программе эксперимента и представляется концепция детектора (Conceptual Design Project - CDP) с указанием требуемых параметров всех систем. На следующем этапе создаются реальные прототипы для всех элементов экспериментальной установки и проводятся вначале стендовые испытания, а затем тестирование с помощью пучков частиц. Задачами данного этапа (R&D, близкое по значению русское сокращение НИОКР) являются отработка технологии изготовления и доводка систем до требуемых параметров. По окончании этапа готовится техническое задание, в котором должны быть не только подробное описание всех элементов и чертежи, но также источники и график финансирования. Потом уже приступают к процессу изготовления, сборки и тестирования всего детектора, так чтобы к моменту первого столкновения начать набор данных.

Тестирование элементов TOF-системы MPD на ускорителе Нуклотрон группами университета Хефей (Китай) и ОИЯИ.

В настоящий момент мы находимся на втором этапе (R&D) и уже приступили к подготовке технического проекта - Technical Design Report. Созданы и протестированы первые прототипы для основных элементов детектора - TPC и TOF; проведены расчеты и подготовлено техническое задание по сверхпроводящему соленоиду; на ускорителях Нуклотрон и SPS (ЦЕРН) проведены успешные тесты элементов для запуска установки и измерения прицельного параметра столкновения (FFD и ZDC). Параллельно с этим осуществляется глубокая проработка различных решений с использованием методов компьютерного моделирования.

Сборка прототипа время-проекционной камеры TPC детектора MPD.

Существуют ли в мире аналоги такого детектора? В чем его принципиальная новизна?

Если брать по компонентам, то наиболее близкими к MPD я бы назвал два детектора: STAR на ускорителе RHIC в Брукхейвене и ALICE на LHC. Однако обе эти установки сконструированы для высоких энергий столкновений, а при энергиях NICA средний импульс частиц файербола значительно ниже, и поэтому одним из необходимых свойств MPD должно быть минимальное количество вещества на пути частицы, сам детектор должен быть "тонким". Вот почему даже стенки трубы ускорителя в месте расположения MPD будут сделаны из вещества с низким атомным числом - бериллия. Кроме этого, мы планируем сделать и торцевые части установки функциональными, то есть MPD будет, наверное, первым коллайдерным детектором для столкновения ионов, в котором трекинг и идентификация частиц будет осуществляться в (почти) полном телесном угле, а не только при центральной быстроте, как на ALICE и STAR. Выигрыш в телесном угле дает MPD очевидные конкурентные преимущества для исследования сигналов о критической точке и фазовых переходах. Коллайдер NICA будет обладать рекордными по светимости параметрами в данной области энергий и, чтобы полностью использовать его потенциал, вся электроника считывания будет сконструирована на основе последних разработок, так что средняя скорость набора данных с MPD будет в несколько раз выше, чем в проводимых на данный момент экспериментах.

Какие научные центры уже проявили интерес к его созданию и организована ли коллаборация?

В настоящий момент в создании детектора принимают участие порядка 150 физиков и инженеров из 17 институтов и университетов. География весьма обширна: Москва, Протвино, Троицк, Минск, Киев, Харьков, София, Пекин и даже Кейптаун. Пока коллектив организован в рамках проекта и финансируется странами-участницами ОИЯИ. Существуют рабочие группы по подсистемам детектора, по физике и по анализу данных, возглавляемые признанными экспертами в данной области. Полноценная международная коллаборация будет сформирована после получения подтверждения о финансировании проекта в рамках "мега-сайенс" от российского правительства. Такая официальная поддержка на самом высоком уровне станет сигналом для наших коллег из-за рубежа о том, что проект будет реализован в обозначенные сроки, они могут начинать вкладывать в него ресурсы, и, определив свою область интересов, приступать к верстке бюджетов и планов.

Будет ли детектор "путешествовать" на другие ускорители?

Использование MPD на других ускорителях мне представляется маловероятным. Во-первых, сам по себе такой огромный детектор нуждается в весьма развитой инфраструктуре. Фактически для его функционирования необходимо будет построить специальное здание, оснащенное большим количеством специализированных систем: для циркуляции жидкого гелия, для электропитания и охлаждения электронных компонентов, для сбора и контроля данных. Такого рода "путешествия" для MPD будут весьма затратными. Но главное заключается в другом. Ведь уникальность реализуемого в Дубне проекта NICA не только в самом детекторе, но и в ускорительном комплексе, для которого он создается, а именно, в области энергий, для которой предлагается широкий набор пучковых опций. И здесь основное - рекордная светимость NICA, что позволит исследовать самые редкие процессы столкновений. Детектор MPD сконструирован таким образом, чтобы работать в условиях максимальных скоростей набора данных, и если ускоритель не обеспечивает высокую частоту столкновений (как это сейчас на ускорителе RHIC в Брукхейвене, к примеру), то все достоинства нашего детектора сводятся к нулю. Ведь вы не можете ожидать ощутимого преимущества от использования болида Формулы-1 на улицах Москвы в час пик - что толку в том, что вы способны развить скорость до 300 км/ч, если реальная скорость перемещения потока машин в десятки раз меньше?

По этому проекту был создан международный Экспертный комитет. Каковы ваши впечатления после первого заседания?

Экспертный комитет по детектору MPD был образован около полугода назад, в его состав входят ведущие международные специалисты в области физики ядерных столкновений и детекторов. Основной задачей этого органа является скрупулезная экспертиза хода реализации проекта. Первое совместное заседание Экспертного комитета и участников проекта MPD состоялось 17 января в режиме видеоконференции. От коллаборации были представлены два доклада, после чего в ходе дискуссии состоялся обмен мнениями. Обсуждение касалось выбранной стратегии реализации проекта, физической программы NICA, прогресса в разработке конструкции детектора и моделировании. Полный текст доклада Экспертного комитета будет вскоре опубликован в материалах ПКК по физике частиц. В нем содержатся рекомендации по конструкции детектора и сформулирован ряд вопросов, на которые эксперты хотели бы получить ответы на следующем заседании. В частности, предложено включить в состав установки систему для определения плоскости реакции, ряд предложений касался увеличения полного телесного угла детектора на первом этапе реализации проекта, подробно обсуждались результаты моделирования по анализу дилептонов и так далее.

Вообще такого рода сотрудничество полезно для обеих сторон. Международное физическое сообщество, заинтересованное в реализации программы NICA, получает детальную информацию о проекте из первых рук, а участники проекта могут воспользоваться огромным опытом экспертов в ходе плодотворных дискуссий: ведь физическую программу NICA мы обсуждаем с одним из пионеров физики тяжелых ионов в Дармштадте (GSI) Гансом Гутбродом, по методике измерения плоскости реакции дискутируем со споксменом коллаборации STAR (BNL) Ну Сюем, а результаты анализа дилептонных спектров представляем инициатору и многолетнему лидеру этого направления в ЦЕРН Ицхаку Церруя.

И в заключение расскажите вкратце о детекторе SPD.

Изучение спиновой структуры нуклона в столкновениях поляризованных частиц, наряду с физикой тяжелых ионов, является одним из основных научных направлений Лаборатории физики высоких энергий ОИЯИ. На протяжении ряда лет наши ученые участвуют в экспериментах по спиновой физике на ускорителях Нуклотрон (ОИЯИ), SPS (ЦЕРН) и RHIC (BNL). Поэтому новая программа по созданию современного ускорительного комплекса в Дубне вызвала по-хорошему ажиотажный интерес в международных кругах, и почти сразу же были получены предложения о строительстве ускорителя не только для ядерных пучков, но и для поляризованных протонов и дейтронов. В настоящий момент уже сформирована команда и физическая программа исследований по спиновой физике на NICA/SPD (Spin Physics Detector), а подготовка детального проекта эксперимента находится в завершающей стадии. Следует отметить, что значительная часть ученых, работающих в данной области физики, планирует принять участие в работе международного симпозиума SPIN-2012, который состоится в Дубне в сентябре этого года. Мы считаем, что данное событие является уникальной возможностью для информирования о проекте международного сообщества и расширения состава участников программы SPD.