Ученые кафедры 40 НИЯУ МИФИ провели тестирование прототипов детектора для будущих экспериментов на Большом адронном коллайдере

В июне-июле 2016 года группа молодых ученых кафедры 40 «Физика элементарных частиц» НИЯУ МИФИ под руководством проф. А. С. Романюка провела тестирование прототипов детектора для будущих экспериментов на Большом адронном коллайдере (БАК) при участии коллег из ФИАН (Россия), МГУ (Россия), университета Бонна (Германия) и университета Бари (Италия). Изучаемые прототипы должны позволить осуществить разделение частиц разных типов, таких как протоны и каоны, на энергиях в несколько тераэлектроновольт (ТэВ). Резкое увеличение рождения высокоэнергетических частиц в столкновениях протонов на БАК связано с ростом энергии сталкиваемых пучков частиц. С 2015 года на ускорителе энергия столкновения выросла до 13 ТэВ. Вместе с уменьшением интервала между столкновениями это изменение должно позволить раздвинуть рамки существующих исследований до масштаба энергий и условий, достижимых разве что во время Большого Взрыва, ознаменовавшего рождение нашей Вселенной. Изучая физику, возникающую в таких экстремальных условиях, ученые со всего мира надеются ответить на самые животрепещущие вопросы из области физики высоких энергий, такие как происхождение темной материи или существование суперсимметрии, а также подтвердить или опровергнуть предсказания самой проверенной и хорошо зарекомендовавшей себя на настоящий момент теории частиц и полей - Стандартной модели.

Комната управления экспериментом по тестированию новых прототипов детектора переходного излучения. Слева направо Йохен Камински, Даниил Пономаренко, Сергей Коновалов, Дмитрий Щукин.

Условия на экспериментах предъявляют жесткие требования к измерительной аппаратуре. Хорошо показавшие себя ранее методики регистрации и детекторы частиц требуют обновления и доработки, чтобы обеспечить высокую эффективность и производительность во время регистрации физических процессов. Группа НИЯУ МИФИ обеспечивает поддержку работоспособности и развитие Трекового Детектора Переходного Излучения в эксперименте ATLAS (ТДПИ). В процессе работы в эксперименте ATLAS сотрудники НИЯУ МИФИ приобретают неоценимый опыт работы в условиях увеличивающихся требований к аппаратуре, связанных с ростом светимости ускорителя.

Профессор Анатолий Романюк, уже несколько лет руководящий группой ATLAS НИЯУ МИФИ и коллаборацией ATLAS ТДПИ, рассказал про идеи, лежащие в основе ТДПИ и новых прототипов.

“ATLAS ТДПИ (англ. Transition Radiation Tracker или TRT) – Трековый Детектор Переходного Излучения, который является частью внутреннего детектора ATLAS и предназначен для регистрации треков (следов) частиц, измерения их импульсов и их идентификации на основе явления переходного излучения. Переходное излучение – это излучение заряженными частицами фотонов (квантов электромагнитного взаимодействия) в момент прохождения границы между двумя средами с разными показателями коэффициента преломления. Особенностью этого излучения является то, что его вероятность (интенсивность) изменяется в зависимости от так называемого Лоренц фактора, который в свою очередь различается для частиц разной массы и одинаковой энергии. Именно эта особенность позволяет, например, успешно отделять электроны от пи-мезонов на эксперименте ATLAS с использованием информации от ТДПИ. Детектор ТДПИ не имеет аналогов в мире и является детищем сотрудников нашего института. Многие разработки нашли применение в других международных экспериментах в области физики высоких энергий и астрофизики, где наши сотрудники принимали активное участие: детектор переходного излучения для эксперимента HERA-B (DESY), детектор переходного излучения для эксперимента TRT AMS (Международная Космическая Станция), передний трековый детектор для эксперимента ZEUS (DESY) и других.

Графическое представление события распада Хиггс бозона в 4 электрона (красные и голубые линии), записанное на эксперименте ATLAS. В центральной области хорошо виден ТДПИ с измерениями (красные и белые точки) на треках заряженных частиц (оранжевые кривые), в том числе на треках зарегистрированных электронах.

Опыт накопленный за долгие годы работ позволят сделать следующий шаг в разработке детекторов переходного излучения. В тестах с новыми прототипами мы исследовали новые концепции детекторов переходного излучения, которые должны позволить расширить область идентификации частиц вплоть до самых высоких энергий доступных на современных ускорителях ”

Схему эксперимента мы попросили описать Константина Воробьева – молодого специалиста из НИЯУ МИФИ по детекторам. В 28 лет Константин имеет за плечами уже 5 лет работы с “железом” на эксперименте ATLAS. Накопленный опыт позволил ему соруководить экспериментом по тестированию прототипов, в сборке которых он принимал самое активное участие.

“Вся установка состояла из нескольких частей и включала в себя: черенковский счетчик, используемый в качестве входного триггера, настроенного на идентификацию электронов и пионов; систему стабилизации пучка, газ-пиксельный детектор; два прототипа будущего газового детектора, состоящиe из газоразрядных трубок (straw), непосредственно работающих на эффекте переходного излучения; два радиатора переходного излучения; систему сцинтиляционных счетчиков для настройки геометрии пучка и схемы совпадения с входным триггером и, наконец, калориметр для разделения электронов и пи-мезонов на выходе. Схема совпадения - это полезное средство, сигнализирующее, что через все элементы установки идет пучок частиц. Как видно в установке присутствуют другие элементы, кроме новых прототипов, которые способны разделять частицы по типу, но они обладают меньшей эффективностью, чем тестируемые прототипы и используются для проверки качества пучка.

Схема эксперимента.

Если сильно не вдаваться в детали, то нам необходимо было ответить на следующие вопросы:

Могут ли использоваться детекторы переходного излучения для идентификации частиц при экстремально высоких энергиях?
Если да, то какова должна быть геометрия детектора и радиатора?
Существует ли возможность использовать информацию об углах вылета переходного излучения для улучшения идентификации?

У нас было два прототипа на основе детекторов straw, к сборке которых мы приступили задолго до начала проведения экспериментов. Основные отличия этих прототипов заключаются в геометрической особенности расположения straw. Главное отличие заключалось в том, что сигнал от ионизирующего излучения в одном прототипе считывался суммарно в каждом слое, в то время как в другом прототипе считывание происходило для каждого straw отдельно. Первый вариант позволяет более точно захватить разлет частиц после радиаторов и минимизировать возможные потери - непопадание частиц в детекторы.

Прототипы и радиаторы установлены на пучке и готовы к работе.

Первые тесты были проведены в лаборатории с радиоактивными источниками. Также мы располагали несколькими радиаторами переходного излучения с разной геометрией. Тесты с разными радиаторами должны позволить определить оптимальную плотность и длину радиатора для будущего детектора. Газ-пиксельный детектор использовался в тестах для выявления возможности использования информации об углах вылета фотонов переходного излучения для идентификации частиц.

Тесты проводились на пучках электронов и мюонов, попадающих к нам из ускорителя SPS, который является одним из элементов ускорительной системы БАК. Энергии достигали сотен ГэВ. Это конечно не ТэВ, но небольшая масса электронов и мюонов позволяет исследовать те же Лоренц факторы, которые могут иметь протоны и каоны при экстремально высоких энергиях. На все тесты у нас была 1 неделя, которой предшествовал почти месяц работ по установке и сборке всего оборудования.

В первые дни, когда начался сеанс набора статистики, было очень много дел. Мы должны были одновременно настраивать и наше оборудование, и геометрию пучка, устранять на месте некоторые недочеты при сборке и постоянно проводить калибровку самих прототипов.

Константин Воробьев проверяет готовность всех компонентов установки перед первым сеансом набора данных

Если судить по самым первым (сырым) данным, которые уже были доступны во время эксперимента, наша установка была собрана правильно. Некоторые ожидаемые эффекты можно было наблюдать прямо во время работы прототипов при помощи продвинутой системы сбора данных. После демонтажа оборудования для эксперимента, прототипы были установлены в лаборатории, где полностью воспроизведена система считывания и записи сигналов с детекторов, подобная той, что была на пучке. Это может понадобиться во время будущей интепретации результатов. Самое простое, наверное, было разобрать все” заканчивает Константин. “Мы справились буквально за полдня.”

Про сбор и первичную обработку данных от прототипов нам рассказал Даниил Пономаренко, аспирант кафедры 40. Выполняя эту непростую задачу, Даниил успел пройти за короткий срок путь от новичка до хорошо разбирающегося в предмете специалиста. Это в очередной раз подтверждает, как важно быть в самом центре событий здесь, в ЦЕРН, где обучение происходит непрерывно у настоящих профессионалов.

“Непосредственному сбору данных на прототипе предшествовал большой период подготовки оборудования и программного обеспечения в лаборатории. Системы сбора данных (DAQ) играют ключевую роль в любом эксперименте. К ним предъявляют особенно жёсткие требования на отказоустойчивость, стабильность и скорость работы. Эффективность записи отобранных событий должна быть близка к 100%. В нашем эксперименте загрузки были не высоки, поэтому запись всех событий не вызвала проблем, однако во время подготовки мы столкнулись с несколькими другими непростыми задачами.

Мы взяли за основу программное обеспечение, доставшееся нам по наследству от предыдущих текстовых исследований газовых смесей ТДПИ, которые проводили в прошлом году. Далее было необходимо приспособить все программы к новой конфигурации детекторов, а также раширить функциональность интерфейса, используемого операторами (моими коллегами) при дежурствах во время проведения тестов. Мы сделали максимальную автоматизацию обработки ошибок, отправки отчётов о сбоях экспертам, первичной обработки набранных данных и их перенос на долговременное RAID хранилище. Был выполнен почти полный цикл разработки программ: от идей до тестирований. Второй задачей было создать простой и понятный сервис для онлайн слежения за набираемыми данными. Это необходимо для оперативной оценки их качества. С помощью этой информации дежурный следил за состоянием сигнала от разных частей прототипов и мог узнать о количестве интересных событий и другую критическую информацию, а в случае неполадок оперативно обращаться к соответствующим экспертам для их устранения.

Электронная измерительная аппаратура для эксперимента по тестированию новых прототипов

Работу проводили в команде с участием TDAQ (Trigger&DAQ) экспертов БАК. Они выступали в роли консультантов проекта и показали мне много нового. Благодаря тесному сотрудничеству с ними мы вовремя закончили проект, и в целом тестирование новых прототипов прошло без нареканий со стороны DAQ системы. В дальнейшем созданное программное обеспечение планируется использовать и для других экспериментов.”

Для многих молодых аспирантов участие в тестировании новых прототипов открыло замечательную возможность переключиться на короткий срок от физического анализа данных на компьютере к непосредственному участию при сборке и тестировании детекторов. По словам аспиранта кафедры 40 Димитрия Краснопевцева, такой опыт помог взглянуть по-новому на поставленные ранее перед ним в рамках диссертации задачи, связанные с настройкой программного обеспечения для ТДПИ.

"Сейчас нам необходимо обновлять калибровки для ТДПИ в связи с изменениями условий во втором сеансе работы БАК. Некоторые части новых прототипов очень похожи на действующие элементы ТДПИ, поэтому было очень полезно вживую поработать с ними, перед тем как настраивать для них компьютерные программы."

Димитрий Краснопевцев проводит газовую магистраль к установке.

Димитрий Краснопевцев (слева) и Евгений Шульга (справа) готовят поддерживающую площадку для прототипов.

В течение всего набора данных во время эксперимента проводят круглосуточные дежурства. Каждые сутки поделены на три смены - по восемь часов каждая. Про свой первый опыт рассказывает студент первого курса магистратуры кафедры 40 МИФИ Дмитрий Щукин.

“Участие в этом проекте стало для меня первым опытом работы на реальном физическом эксперименте. Поначалу освоиться было непросто, но коллеги с удовольствием помогли мне ознакомиться с установкой, системой сбора данных и другими важными деталями. Все это, конечно, было безумно интересно.

Моя первая смена выпала на ночь (00:00 – 08:00). В обязанности дежурного входят: периодическая проверка основных параметров установки (давление газа в детекторах, напряжения питания и т.п.) и проведение измерений согласно программе действий. Если в течение смены возникают проблемы в настройках пучка или работе прототипов, необходимо перезапускать процесс измерений. Бывает, что такое случается в самый разгар набора статистики.

Дмитрий Щукин, Олег Мешков и Евений Солдатов прокладывают высковольтные кабели к установке из комнаты управления.

Я остался крайне доволен участием в реальном эксперименте по физике частиц и благодарен НИЯУ МИФИ за предоставленную возможность, а коллегам с кафедры за бесценные советы и помощь”.

“Полученные во время проведения эксперимента данные необходимо обработать и сравнить результаты с предсказаниями, которые даются теорией и программами детального компьютерного моделирования.” — рассказывает ведущий сотрудник ФИАН и доцент кафедры 40 МИФИ В.О.Тихомиров. На основе такого сравнения можно будет делать следующие итерации в процессе разработки нового детектора идентификации высокоэнергетичных адронов.

“Вся команда из НИЯУ МИФИ проявила себя на отлично с профессиональной точки зрения. Молодые ребята подошли со всей ответственностью к возложенным на них обязанностям, многому научились. В итоге набор данных прошел успешно, мы уложись со своей программой в отведенный срок, что немаловажно в лабораториях ЦЕРНа, где очередь на подобные тестирования строго расписана на год вперед. Теперь с нетерпением будем ожидать результатов физического анализа собранных нами экспериментальных данных. Работа продолжается.” - заключил проф. Анатолий Романюк.

Список участников эксперимента от НИЯУ МИФИ:

Проф. каф. 40 Анатолий Романюк
Доцент каф. 40 Владимир Тихомиров
Инженер, аспирант каф. 40 Константин Воробьев
Инженер, аспирант каф. 40 Константин Филиппов
Инженер, аспирант каф. 40 Димитрий Краснопевцев
Ассистент каф. 40 Евгений Шульга
Аспирант каф. 40 Даниил Пономаренко
Аспирант каф. 40 Надежда Проклова
Ассистент каф. 40 Евгений Солдатов
Магистрант каф. 40 Дмитрий Щукин
Инженер каф. 40 Никита Вознюк
Магистрант каф. 40 Александр Савченко

Материал подготовил Димитрий Краснопевцев

Редактура Екатерина Орешкина

10.08.2016