Горизонты научного поиска

"Мu2е" в Беркли, Дубне и странах-участницах

Новый эксперимент Мu2е стартует в 2020 году в Национальной ускорительной лаборатории имени Ферми. В экспериментах, которые развиваются в Фермилаб, сегодня используются фиксированные мишени, ведутся исследования по нейтринной тематике, что соответствует тому направлению, которое сейчас активно развивается в Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ.

- Этот эксперимент позволит ученым открыть окно в новую физику. Он, может быть, даже важнее, чем открытие бозона Хиггса, - считает профессор Юлиан Будагов, научный руководитель эксперимента Мu2е в ОИЯИ, главный научный сотрудник Лаборатории ядерных проблем. - Мюон влетает в спектрометр и останавливается в мишени. В нашем случае это ядра алюминия. А вылетает из мишени единственный электрон. Эти процессы в теории практически запрещены в Стандартной модели, и мы хотим найти нарушение этой модели.

Чтобы эксперимент по превращению мюона в электрон в поле ядра удался, нужны детекторы нового типа. И сейчас в этом направлении идут научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы. Группа ученых и специалистов Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ участвует в создании двух детекторов. Одна из них - электромагнитный калориметр. Как рассказал Владимир Глаголев, заместитель директора Лаборатории ядерных проблем, калориметр служит для определения энергии электрона: "Надо очень точно измерить эту энергию. По ней будет выделен искомый процесс. Энергия электрона должна составлять 105 МэВ, поэтому калориметр должен обладать хорошим разрешением, быть компактным, размещен внутри соленоида в вакууме, в магнитном поле 1 Тесла. Надо сделать компактный калориметр с высоким разрешением".

В Лаборатории создан технический стенд для исследований свойств сцинтилляционных кристаллов, которые будут использованы в электромагнитных калориметрах. Принцип действия таких кристаллов основaн нa способности люминофоров испускать кратковремeнные вспышки. А беззернистая структура дорогостоящего монокристалла (однородного, выращенного в специальных условиях), позволяет создавать необходимые детекторы. В лаборатории используют кристалл BaF₂.

Юрий Давыдов, начальник отдела Лаборатории ядерных проблем:

- Мы подписали контракт с фирмой из Санкт-Петербурга, и в ближайшее время планируем получить 6 образцов кристаллов, которые будут использоваться на нашем стенде. И часть кристаллов будет передана в Италию. В зависимости от результатов эта фирма получит большой заказ на производство электромагнитных калориметров. Другой вариант сцинтиллятора - это чистый CsI, который изготавливают в Харькове. Образцы планируем исследовать на радиационную стойкость на реакторе ИБР-2 в ОИЯИ.

В ходе подготовки к эксперименту ученые изучают, что происходит, когда заряженная частица попадает в кристалл и вызывает в нем вспышку. "Мы исследуем, как этот свет себя ведет во времени: возникает, затухает, ослабляется, - и как его можно использовать в качестве триггера - сигнала, указывающего искомое событие", - объясняет научный руководитель эксперимента.

Второй технический стенд служит для исследований свойств пластиковых сцинтилляционных стрипов. Визуальные наблюдения световых вспышек (сцинтилляций) под действием ионизирующих частиц были основным методом в исследованиях по ядерной физике еще в начале 20-го века. Большое распространение получили пластики, которые дают интенсивное свечение. В сцинтилляционных счетчиках большого размера используют световоды (обычно из полированного органического стекла). Группа лаборатории таким образом участвует в создании так называемой вето-системы на установке в Фермилабе.

Владимир Глаголев:

- Экспериментальная установка будет окружена счетчиками, которые выделяют проходящие космические мюоны. Эти мюоны для нас являются фоном. И события с их участием должны быть отброшены как фоновые. Для этого система должна быть окружена счетчиками сцинтилляторного типа, и прототипы таких счетчиков мы исследуем.

Юрий Харжеев, старший научный сотрудник лаборатории, продемонстрировал сцинтилляторы в виде узких длинных полос - стрипы. Они в современных экспериментах могут достигать 8-10 метров. В лаборатории непрерывно идет сбор данных и их последующая обработка. Данные поступают в компьютер, а чтобы не было сбоев - за этим следят инженеры. Они оцифровывают спектры сигналов с фотоумножителя. "После того как мы набрали необходимое количество данных, мы можем по этому спектру определить характеристики исследуемого кристалла, - поясняет инженер Владимир Баранов. - Такая получается цепочка: фотоумножитель, аналого-цифровой преобразователь, компьютер".

В группе, участвующей в эксперименте Mu2е, вместе с сотрудниками Лаборатории ядерных проблем работают специалисты Лаборатории нейтронной физики, Лаборатории информационных технологий, их коллеги из научных центров стран-участниц ОИЯИ: Минска, Харькова, Тбилиси, Еревана. Коллаборация включает в себя более 100 физиков из США, Италии, России, из десятков университетов, лабораторий и научных центров.

Вадим Бедняков, директор Лаборатории ядерных проблем, подчеркивает, что поиск конверсии мюона в электрон по своей сути сильно связан с нейтринной физикой. Примечательно, что идея этого эксперимента родилась в России и связана с именем академика РАН Владимира Лобашёва - признанного специалиста в области физики ядра и элементарных частиц. Им была предложена новая постановка эксперимента по поиску фундаментального процесса нарушения мюонного квантового числа. Это поиск мюон-электронной конверсии, позволяющей продвинуться на четыре порядка по чувствительности. "Нам приятно претворить в жизнь его идею. Многие десятилетиями пытались это делать, но, кажется, только в Фермилабе может получиться", - надеются дубненские ученые.

Инна ОРЛОВА,
фото Павла КОЛЕСОВА