Перспективы эксперимента ALICE

Понедельник, 01 февраля 2021

В Отделении физики высоких энергий НИЦ «Курчатовский институт» – ПИЯФ после новогодних каникул возобновились научные семинары. Зимой и весной этого года, в связи с пандемией, они будут проходить в онлайн-формате. 19 января старший научный сотрудник Лаборатории релятивисткой ядерной физики (ЛРЯФ) Е.Л. Крышень рассказал о будущем эксперимента ALICE, который проводится на Большом адронном коллайдере (БАК).

Среди детекторов БАК эксперимент ALICE стоит слегка особняком. В фокусе его внимания находится взаимодействие ультрарелятивистких ионов и детальное изучение свойств новой экстремальной формы ядерного вещества – кварк-глюонной плазмы (КГП). Мы уже не раз писали в научных новостях об исследованиях, которые проводятся на ALICE (1, 2, 3).

Сейчас все эксперименты БАК находятся в стадии модернизации и подготовки к следующим этапам работы ускорителя, которые состоятся в ближайшие 10-15 лет. Задачи модернизации стоят и перед коллаборацией ALICE. Ход модернизации и дальнейшие планы по улучшению детектора обсуждались на научном семинаре ОФВЭ, который состоялся 19 января.

Третий и четвертый этапы работы БАК запланированы на ближайшие 10 лет. Физическая программа ALICE на эти годы является логическим продолжением нынешних исследований. В ходе работы планируется накопить объем экспериментальных данных, соответствующий интегральной светимости в 100 раз большей, чем для данных, накопленных с 2010 по 2018 гг. При этом «качество» данных (соотношение сигнал-фон) также улучшится, так как детекторные системы установки будут модернизированы. Пожалуй, главное внимание сфокусировано на системе внутреннего трекинга (англ. Inner Tracking System, ITS), которая позволит лучше выделять события с образованием тяжелых кварков (c и b).  Рожденные в области ядро-ядерного взаимодействия адроны, содержащие c- и b-кварки, являются источниками важнейшей информации о ключевых свойствах КГП. Многие из них распадаются, отлетев на небольшое расстояние от точки столкновения ядер. Соответственно, треки их дочерних частиц не «смотрят» в точку ядро-ядерного взаимодействия (см. рисунок 1). Качество улучшения можно наглядно продемонстрировать, сравнив пространственное разрешение на плоскости детектора (см. рисунок 2). Чем детальнее картинка на плоскости, тем лучше можно определить направление трека, а значит, выделить и полезные события. Следует отметить, что модернизированный детектор предназначен для работы на предельно возможных интенсивностях БАК для ядер свинца 50 кГц, что в 50 раз больше текущих показателей.  

Планы модернизации ALICE на пятый этап работы БАК выглядят еще масштабнее. Фактически, предлагается построить новую компактную установку на основе кремниевых детекторов с высоким пространственным разрешением. Это стало возможным благодаря прогрессу в технологиях создания детекторов частиц. Раньше для многих элементов больших детекторных установок использовалась газонаполненные детекторы. Например, «сердцем» ALICE является время-проекционная камера, позволяющая одновременно регистрировать огромное количество треков. Ей на смену должны прийти тончайшие кремниевые пластины. Прогресс произошел во многом благодаря рынку потребительской электроники – ведь аналоги новых детекторов можно найти в фотокамерах любого смартфона!

Схематичный вид нового детектора представлен на рисунке 3. Этот детектор должен перекрывать огромный угловой диапазон (от 2 до 178 градусов относительно оси пучка), быть очень тонким (радиационная длина: 0.05%X0 в расчете на слой), иметь прекрасное временное разрешение (порядка 20 пс) для идентификации типов частиц по времени пролета. Предполагается, что этот детектор будущего сможет работать в режиме, в котором число ядро-ядерных взаимодействий будет увеличено еще в 50 раз. Так как интенсивность столкновений ядер свинца на третьем и четвертом этапах уже будет близка к предельно возможной на БАК, рассматриваются сценарии перехода к более легким ионам (ксенон, криптон, кальций).

Какие же задачи сможет решать ALICE, если новый детектор будет построен? Во-первых, из-за малого количества вещества детектора станет возможным измерение малых поперечных импульсов частиц (вплоть до 20 МэВ/c). Это позволит измерить еще неисследованную часть теплового спектра КГП, а значит, лучше понять, как выглядела наша Вселенная в первые мгновения после Большого взрыва.

Во-вторых, хорошее разрешение нового детектора позволит использовать недавно открытые на БАК барионы с двойным очарованием Ξсс++ (см. также 1, 2) в качестве частиц-пробников. Также для измерений планируется использовать еще не открытые экспериментально барионы Ωсс+ и Ξсс+. Совершенно фантастически выглядит возможная регистрация барионов с тройным очарованием (Ωссс++) в ядро-ядерных взаимодействиях. Однако, есть веские основания полагать, что вероятность рождения таких частиц в КГП может быть больше на несколько порядков по сравнению с вероятностью их рождения в протон-протонных столкновениях. Изучив спектры частиц с двойным и тройным очарованием, физики смогут лучше понять механизм перехода из КГП-состояния в состояние адронного газа.

Сотрудники Лаборатории релятивисткой ядерной физики являются полноправными участниками и соавторами всех научных работ эксперимента ALICE. Сейчас рассматриваются возможности участия физиков ЛРЯФ как в создании нового детектора, так и в физической программе пятого этапа работы БАК.

Следует отметить, что заседание научного семинара ОФВЭ впервые проводились в режиме онлайн-конференции. В нем участвовали не только сотрудники Института, проживающие в Гатчине и Санкт-Петербурге, но и физики, которые сейчас работают в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН) над модернизацией экспериментальных установок БАК. Видеозапись этого семинара можно посмотреть по ссылке. Слайды семинара размещены на сайте Отделения физики высоких энергий.

Теги
фгбу пияф им. Б. П. Константинова Национальный исследовательский центр Курчатовский институт