Установка ALICE проектировалась специально для изучения столкновений тяжелых ядер. После модернизации Коллайдера ожидается, что к 2021 году его светимость увеличится в 10 раз, поэтому требуется привести установку в соответствие новым возможностям. В частности, планируется повысить пропускную способность каналов сбора данных, что позволит, благодаря повышенной статистике изучать редкие явления. Кроме того, планируется доработать ряд составных частей установки, чтобы иметь возможность изучать ранее недоступные физические явления.

При столкновениях ядер больших энергий происходят процессы, какие происходили при образовании Вселенной. Они протекают чрезвычайно быстро, в них участвуют кварки и глюоны, которые не существуют в свободном состоянии, поэтому об этих процессах можно судить только по их косвенным проявлениям. Для изучения свойств материи, образующейся при таких столкновениях, выбирают явления, поддающиеся теоретическому описанию и проводят сравнение измеренных выходов того или иного процесса с результатами теории, сделанных в различных предположениях. По степени согласия теории и эксперимента судят о справедливости использованных гипотез. Рассмотрим технические аспекты того, как эти результаты были получены.

Современные установки в физике высоких энергий представляют собой набор детекторов, организованных вокруг магнита, в поле которого по отклонению заряженных частиц определяется их энергия. Каждый детектор настроен на регистрацию определенных параметров частиц, прошедших сквозь него: точки пересечения с кремниевой пластиной (трекеры), траектории в газовом объеме (время-проекционная камера), времени регистрации частицы, типа частицы, энергии фотонов, струй частиц и т.д.

Система сбора и накопления информации объединяет разнородные детекторы в установку. Ограниченная пропускная способность электроники не позволяет записывать данные по каждому столкновению. Поэтому, исходя из того, что не все события одинаково полезны, заранее определяются классы событий, на изучение которых настраивается установка и вводится предварительный отбор событий. Установка быстро принимает решение по каждому событию о том, записывать его или нет, исходя из того, имеются ли в нем признаки явлений интересующих нас классов. До модернизации электроника находила интересующие события по наличию их характерных признаков (например, наличие быстрых мюонов, струй частиц, аномально малая множественность события и т.д.). При этом многие классы событий, которые могут пролить свет на понимание основ мироздания, не обладают такими ярко выраженными признаками и не могли быть достаточно детально изучены на имеющейся установке. Для их выявления требуется более тщательный анализ данных. В ходе модернизации система сбора и накопления информации обретет возможность анализа всех пришедших данных. В результате такой предварительной обработки «на лету» проводится анализ на достаточно сложном уровне и выделения ранее скрытых классов событий, незаметных на первый взгляд. В первую очередь, это относится к выделению событий с малыми поперечными импульсами и распадам редких частиц, содержащих очарованный кварк (D-мезоны, J/ψ).

Как правило, модернизация большинства детекторов установки ALICE включает в себя замену электроники, обеспечивающей считывание увеличившегося потока данных и возможностью их непрерывного анализа и отбора интересных событий на новом уровне при сохранении самих детекторов в неизменном виде. Принципиальным изменениям подвергнутся время-проекционная камера, внутренний трекер, форвардный интеллектуальный триггер и мюонный спектрометр, который дооборудуется вершинным детектором мюонным форвардным трекером. Остановимся на них подробнее.

Существующая время-проекционная камера установки ALICE (кстати, самая большая в мире) представляет собой бочку диаметром около 5 метров и такой же толщины, заполненную специальным газом, в которой создано электрическое поле. При прохождении заряженных частиц они оставляют в газе ионизационный след, который дрейфует к торцам бочки, сохраняя свою форму. Траектории как бы проецируются на торцы, где расположены газоразрядные датчики (в настоящее время - проволочные камеры). По достижении проволочек, находящихся под высоким напряжением, происходит электрический разряд, положение которого и его время регистрируется электроникой. Время прихода определяет положение трека вдоль пучка, а место – поперечные координаты. У имеющегося детектора есть существенное ограничение: при разряде на проволочках образуются пары электронов и ионов, электроны быстро стекают на проволочки, а ионы медленно дрейфуют к электродам. Образующийся при этом пространственный заряд приводит к искажению поля, и, следовательно, к искажению восстановленных координат. Для того, чтобы избежать накопления пространственного заряда, перед камерами устанавливаются блокировочные электроды, поле которых не допускает электроны до чувствительных проволочек; разрешение приходит только на короткое время при получении сигнала об интересном событии. Поэтому в имеющемся виде время-проекционная камера не может работать в непрерывном режиме. Ее регистрирующую систему, основанную на проволочных камерах, планируется заменить на основанную на газовых электронных умножителях. Они представляет собой фольгированную с двух сторон пластиковую пленку толщиной около 70 микрон, в которой проделаны частые мелкие отверстия диаметром около 60-70 микрон. На фольгированные обкладки подается высокое напряжение, и электрон, проходя сквозь отверстие, разгоняется, выбивая из заполняющего газа дополнительные электроны. Будет использован детектор на основе четырехслойных умножителей с отверстиями, расположенными в каждом слое с различным периодом. Такая конструкция обеспечивает быстрое рассасывание пространственного заряда и минимизацию его влияния на дрейф электронов, что дает возможность работы детектора в требуемом непрерывном режиме.

Работа установки ALICE требует знания времени столкновения частиц в коллайдере с точностью лучше 50 пикосекунд (пикосекунда это одна миллионная от миллионной доли секунды, 10^-12 сек). Форвардный триггер должен обеспечить требуемую величину. До модернизации это обеспечивалось детекторами Т0, расположенными справа и слева от точки взаимодействия. Усредненное значение показаний детектора дает время соударения, а их разность дает координату точки взаимодействия, что позволяет отбраковывать события, происшедшие при рассеянии на остаточном газе внутри коллайдера. Для них использовались чувствительные элементы цилиндрической формы, сопрягаемые с фотоэлектронными умножителями, что приводило к значительным мертвым зонам. В модернизированном детекторе используются микроканальные пластины прямоугольной формы, имеющие большую площадь, что позволяет поднять эффективность детектора примерно до уровня 90%. Собственное разрешение микроканальных пластин по результатам пучковых испытаний составляет около 25 пикосекунд. Амплитудный сигнал с детектора характеризует множественность события. Кроме того, модульность детектора позволяет оценить асимметрию события, вызванную нецентральностью столкновения. Ключевую роль в создании этого детектора играют люди из ИЯФ в Троицке.

Внутренний трекер ALICE представляет собой набор цилиндрических пиксельных детекторов, расположенных вдоль оси пучка. Прогресс в области производства полупроводниковых приборов позволил совместить в рамках стандартной технологии изготовление на пластине размером 30х15 мм и толщиной 50 микрон пикселей - датчиков заряженных частиц размером 30х30 микрон (полмиллиона каналов) на микросхему и электронику для усиления и считывания сигналов. При прохождении частицы срабатывает, как правило, три соседних пикселя, что обеспечивает точность определения точки прохождения частицы около 5 микрон. Новая версия внутреннего трекера общей площадью почти 10 квадратных метров будет изготовлена на основе таких схем. Новый детектор обеспечивает помимо считывания данных в непрерывном режиме, уменьшение толщины слоев в 4 раза, точности определения координат вершины события в 5 раз, расширение диапазона импульсов измеряемых частиц более, чем в 2 раза по сравнению с имеющимся.

Мюонный спектрометр предназначен в основном для регистрации рождения частиц, способных распадаться с некоторой вероятностью на пару мюонов. По импульсам пары мюонов и углу их разлета можно восстановить массу частицы, из которой они родились. Теория предсказывает, что в кварк-глюонной плазме образовавшиеся при столкновениях тяжелые кварконии (частицы, состоящие из пары b или с кварков) начинают «растворяться» в ядерной среде и их выход падает. Исследования мюонного канала распада дает неискаженные сведения о выходах, так как у мюонов отсутствует сильное взаимодействие с ядерной средой. Таким образом, изучая относительные выходы этих частиц в протон-протонных и ядро-ядерных соударениях, и сравнивая предсказания теории, сделанные в различных предположениях, можно судить о свойствах кварк-глюонной плазмы. Мюонные процессы являются одним из наиболее надежных способов получения такой информации.

Идентификация мюонов на фоне тысяч сопровождающих частиц основана на уникально высокой по сравнению с другими заряженными частицами проникающей способности мюонов. В установке ALICE для выделения мюонов установлен поглотитель толщиной более 4 м, задерживающий более 90% заряженных частиц. Прошедшие сквозь него частицы попадают в магнитное поле, где по отклонению их траекторий определяется их импульс. Изучая импульсы мюонных пар, физики восстанавливают массу частицы, из которой они образовались.

Недостатком существующего мюонного детектора ALICE является то, что траектории мюонов измеряются только после прохождения поглотителя, рассеяние в котором не позволяет точно восстановить координаты вершины, где образовался мюон. В частности, особый интерес представляют сведения о том, родился ли мюон на месте исходного столкновения или на некотором расстоянии от него. Для получения этой информации было решено дополнить имеющийся мюонный спектрометр мюонным форвардным трекером. Он представляет собой пять дисков, изготовленных по той же технологии, что и новый внутренний трекер. Общая чувствительная площадь детектора составит около 0.4 квадратных метров.

Регистрируя трек в пяти точках, детектор позволит измерить смещение мюонной вершины относительно точки столкновения частиц, что позволит разделять кварконии, родившиеся внутри сталкивающихся ядер от образовавшихся при распаде более долгоживущих частиц (например, В-мезонов), вылетевших наружу. Трекер также позволяет идентифицировать фоновые мюоны, родившиеся при распаде на лету других частиц далеко от точки взаимодействия по излому их траектории. Последнее обстоятельство дает возможность изучить редкие процессы, ранее неразличимые на уровне фона.

Мюонный трекер также может быть полезен в изучении влияния сверхплотной ядерной материи на рождение легких мезонов. Ожидается, что их массовое распределение должно уширяться по сравнению с распадом свободного мезона. Однако мюоны небольших энергий, получающиеся при распаде легких мезонов, испытывают значительное рассеяние при прохождении поглотителя, что не позволяет с необходимой точностью определить угол разлета мюонной пары, необходимый для восстановления массы. Использование мюонного трекера позволит улучшить точность определения массы легких мезонов от 3 до 10 раз, что становится достаточным для исследования вышеописанного явления.

Сотрудники НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ принимали участие в разработке, изготовлении, вводе в строй и обслуживании мюонного спектрометра. В настоящее время они участвуют в модернизации его электроники и в разработке и изготовлении мюонного форвардного трекера.

Владимир Никулин