Прототип электромагнитного калориметра для Международного линейного коллайдера


Прототип электромагнитного калориметра для Международного линейного коллайдера

Учёные НИИЯФ МГУ принимают активное участие в реализации проекта Международного линейного коллайдера (International Linear Collider, ILC). Работы они ведут в рамках коллаборации CALICE (CAlorimeter for LInear Collider Experiment), которая занимается разработкой и тестированием прототипов калориметров для ILC. Так под руководством Михаила Моисеевича Меркина группа учёных НИИЯФ МГУ изготовила около 400 детектирующих элементов для прототипа электромагнитного калориметра, а это 90 процентов от общего числа. В настоящее время прототип электромагнитного калориметра прошёл испытания на пучках в ЦЕРНе и ФермиЛабе.

Разрабатываемый прототип электромагнитного калориметра для детектора Международного линейного коллайдера гетерогенный, то есть он имеет структуру сэндвича – слои поглощающего материала чередуются со слоями детектирующего материала. Эта идея впервые была предложена в НИИЯФ МГУ Н. Л. Григоровым, В. С. Мурзиным и И. Д. Рапопортом.

Поглощающим материалом калориметра служит вольфрам в виде пластины толщиной 1.4 мм (передняя, наиболее точная часть), 2.8 мм (средняя часть) и 4.2 мм (последние 10 слоёв, для регистрации наиболее высокоэнергетичной электромагнитной компоненты). Общая радиационная длина - 24Х0. Вольфрам хорош тем, что из-за высокой плотности доля поглощаемой в нём энергии велика и в то же время радиус Мольера (параметр, определяющий уширение электромагнитного ливня в материале) мал.

medium_yacheyki_1.png

В качестве детектирующего материала использован кремний в виде ячеек размером 1 на 1 сантиметр, называемых детектирующими элементами (см. изображение справа). Именно их разработали и изготовили в НИИЯФ МГУ. Преимущество кремния: кроме того, что он слабо влияет на параметры частиц, в частности, на уширение ливня из-за малой толщины, этот материал позволяет сделать калориметр более компактным, так как плотность кремния примерно в тысячу раз больше плотности газов, используемых в качестве детектирующего материала. А выбранный размер чувствительной ячейки позволяет устойчиво разделять два соседних ливня, даже если они порождены частицами из одной распадной вершины.

В прототипе кремний-вольфрамового электромагнитного калориметра для детектора Международного линейного коллайдера поглощающие и детектирующие слои расположены перпендикулярно к направлению падающей частицы. Попав в поглощающий материал, частица взаимодействуют с ним главным образом посредством электромагнитного взаимодействия. Это инициирует возникновение вторичных частиц (электронов, позитронов и гамма-квантов), их возбуждение, а также ионизацию среды.

Далее в детектирующем материале никакое взаимодействие не происходит. Здесь только собирается ионизационный сигнал от каждой заряженной частицы. Один детектирующий элемент (ячейка) может зарегистрировать до 50 миллионов частиц в секунду.

Для сбора информации о направлении движения частицы и выделившейся энергии детектирующий материал имеет поперечную, относительно траектории частицы, сегментацию ячеек. Многослойность калориметра позволяет получить информации о продольной форме ливня и, исходя из этого, — о типе частицы.

По мере продвижения вторичных частиц вглубь калориметра их количество увеличивается. Лишь некоторые вторичные частицы могут застрять в поглотителе и не дать следующий каскад (ливень) вторичных частиц.

Прототип кремний-вольфрамового электромагнитного калориметра для детектора Международного линейного коллайдера состоит из 30 слоёв каждого материала. Общая толщина прототипа – 20 сантиметров. Всё это в комплексе обеспечивает остановку и поглощение всех вторичных частиц, что позволяет собрать и суммировать все сигналы с детектирующих слоёв.


Похожие материалы: