Размер шрифта: A A
Цвет сайта: A A A A

Эксперимент ALICE

Цели и задачи эксперимента ALICE

ALICE_detector.jpg
Рис. 1. Общий вид и расположение основных детекторных систем детектора ALICE

Основная цель эксперимента ALICE - исследование физики кварк-глюонной материи. Эта недавно возникшая область физики имеет целью решение фундаментальной научной задачи современной физики - объяснить структуру, происхождение и эволюцию барионной материи Вселенной, которая составляет основу вещества звёзд, планет и живых существ. Согласно квантовой хромодинамике, являющейся теоретической основой современной ядерной физики, силы притяжения (так называемое цветовое взаимодействие), действующие между элементарными сильно взаимодействующими частицами - кварками и глюонами, возрастают с расстоянием, что приводит к явлению «пленения» кварков и глюонов (confinement). Поэтому в обычной материи кварки и глюоны могут существовать только в составе бесцветных адронов, и этим объясняется тот факт, что не было найдено свободных кварков. Однако, если плотность энергии превысит некоторое критическое значение (~1 ГэВ/фм3), произойдёт фазовый переход - "освобождение" (deconfinement) кварков и глюонов. Легче всего это понять, приняв во внимание, что при повышении плотности энергии среднее расстояние между адронами уменьшается и, наконец, становится меньше их размеров. Ясно, что при этом границы между адронами исчезают (адроны «плавятся») и возникает новое состояние материи, реализующейся в виде «макроскопического» бесцветного объекта, состоящего не из адронов, а из свободных кварков и глюонов. Это новое фазовое состояние материи получило название кварк-глюонной плазмы (QGP). Именно таким первичным морем кварков и глюонов являлась Вселенная в первые мгновения (~10-5 сек) после Большого Взрыва. По мере охлаждения Вселенной в процессе её расширения произошёл фазовый переход из кварк-глюонной плазмы в адронное вещество, в котором кварки и глюоны пленены внутри адронов. Возможно, что обратный переход в кварк-глюонную плазму происходит и в наше время в ядрах нейтронных звёзд в момент их коллапса, однако на Земле он никогда не наблюдался.

Phase-diagram.jpg
Рис. 2. Фазовая диаграмма материи, состоящей из сильно взаимодействующих частиц

На рис. 2 приведена фазовая диаграмма материи с сильным взаимодействием. Полоса разделяет две различные фазы: адронного вещества и кварк-глюонной плазмы. Теоретические оценки критической плотности энергии дают величину в 1-2 ГэВ/фм3. Возможны различные пути достижения критической плотности энергии. В частности, имеются два предельных случая: 1) барионная плотность близка к нулю, а плотность энергии достигается за счет повышения температуры; 2) температура близка к нулю, а плотность энергии достигается за счет повышения барионной плотности. Первый предельный случай соответствует состоянию Вселенной в первые мгновения (приблизительно 10-5 сек) после Большого Взрыва. Второй предельный случай, по-видимому, реализуется в ядрах нейтронных звезд в момент их коллапса. В первом случае критическая температура составляет около 200 МэВ, или 2,3*1012 К. Это приблизительно в 100 000 раз выше температуры центрального ядра Солнца. Во втором случае критическая плотность, соответствующая плотности энергии 2 ГэВ/фм3, составляет 3,6*106 т/мм3 , что в 3,6*1013 раз выше плотности центрального ядра Солнца (100 г/см3).

Единственным способом получения на Земле «макроскопических» сгустков материи при экстремальной плотности энергии, реализации условий фазового перехода в кварк-глюонную плазму является осуществление столкновения двух тяжелых ядер сверхвысокой энергии. В 1983 г. Бьёркен, используя гидродинамическую модель, показал, что в центральных столкновениях тяжелых ядер сверхвысокой энергии может быть достигнута, хотя и на весьма короткое время, плотность энергии, превосходящая критическую. Схематически, центральное столкновение ядер сверхвысокой энергии в системе их центра масс изображено на рис. 3. Слева (а) изображен момент перед сближением. Поскольку энергии ядер во много раз превышают их массы покоя, имеет место сильное лоренцовское сжатие. Поэтому ядра представляют собой плоские диски, продольный размер которых в γ раз меньше поперечного размера, равного диаметру ядра. Здесь γ - отношение полной энергии ядра в системе центра масс к массе покоя. В следующий момент (б) ядра проходят друг сквозь друга. В этот момент происходят жесткие взаимодействия составляющих их нуклонов, резко растут плотность энергии и энтропия. Затем нуклонные диски разлетаются, а между ними остается сгусток высоковозбужденной материи, лишенной барионов (в). В нем быстро устанавливается термодинамическое равновесие. Если при этом плотность энергии превышает критическую, сгусток оказывается в состоянии кварк-глюонной плазмы. Поскольку в сгустке создается очень высокое давление, он расширяется и при расширении остывает. В какой-то момент происходит обратный фазовый переход из кварк-глюонной плазмы в адронную материю. Сгусток продолжает расширяться и остывать (г). Наконец, наступает момент, когда расстояния между частицами сгустка становятся больше длины свободного пробега. Столкновения между частицами сгустка прекращаются, наступает их свободный разлет. В некотором смысле можно сказать, что, начиная с этапа образования сгустка кварк-глюонной плазмы, его эволюция повторяет эволюцию ранней Вселенной - мы имеем дело с микроскопическим Большим Взрывом, искусственно произведенным в лаборатории на Земле. Его можно было бы назвать Малым Взрывом.

Interaction.jpg

Рис. 3. Схематическое изображение процесса центрального столкновения тяжелых ядер сверхвысокой энергии

Материальный и интеллектуальный вклад группы ИТЭФ в создание установки ALICE

Создание детектора TOF

Группа ИТЭФ является членом коллаборации ALICE с 1993 года. Основным направлением деятельности группы являлось создание новой времяпролетной методики для идентификации заряженных частиц на основе плоско-параллельных газовых камер.

Единственным способом реализации детектора времени пролета (TOF), существовавшим до 1990-х годов, являлась традиционная методика, основанная на использовании фотоумножителей и сцинтилляторов. Эта методика обеспечивала принципиальную возможность получения требуемого временного разрешения (меньше 100 пикосекунд), однако не реализуема в масштабах больших систем современных ядерно-физических экспериментов по причинам высокой стоимости и трудностей, связанных с работой в сильном магнитном поле. Прорывом в данной области стало создание новой методики TOF, предложенной физиками ИТЭФ и использующей газонаполненные плоско-параллельные камеры (ППК). В результате работы, проведенной группой ИТЭФ в эксперименте ALICE в 1995-2003 гг., путем подбора газовой смеси, оптимизации конструкции камеры и электронного канала удалось достичь временного разрешения ППК на уровне 50 пикосекунд при 100%-ой эффективности регистрации минимально ионизирующих частиц. Созданный детектор не только имеет выдающиеся характеристики, но и адаптирован к условиям массовой сборки. По окончании стадии R&D 2003-2008 группа ИТЭФ принимала активное участие в сборке и калибровке крупнейшей в мире время-пролетной системе детектора ALICE (159 000 каналов, 150 м2), превосходившей ранее имевшиеся в 50- 100 раз по числу каналов и площади.

Fig4.jpg

Рис 4. Сборка детекторов для системы TOF, сборка супермодуля TOF и его установка в магнит L3

Поскольку задача по проверке и калибровке такой громадной системы не могла быть выполнена по финансовым и временным соображениям в ходе пучковых тестов, группой ИТЭФ была создана специальная установка по проверке и калибровке модулей системы от космических лучей. В рамках создания этой системы группой была разработана методика детекторов СТАРТ, которая основана на использовании новейшей российской разработке - лавинных Гейгеровских фотодиодах (MRS APD).

Созданный детектор позволяет регистрировать мюоны космического излучения с примесью шумов менее 10-2 Гц. Созданная установка позволила провести за три года проверку и калибровку всей времяпролетной системы детектора ALICE, а система детекторов СТАРТ показала высокую стабильность и надежность работы, простоту в использовании и высокую чувствительность к малоинтенсивным источникам радиоактивного фона. Она, почти в неизменном виде, может быть использована для создания портальных мониторов большой площади для нужд народного хозяйства и национальной безопасности.

Fig5.jpg

Рис 5. Группа ИТЭФ после сборки одной из плоскостей детекторов СТАРТ, общий вид космического стенда и проводка трека мюона
через модули TOF.

Работы по модификации магнита L3

Одним из основных элементов установки ALICE является магнит L3, созданный в России под руководством специалистов ИТЭФ. Этот магнит, успешно отработавший в предыдущем эксперименте на LEP, был модифицирован специалистами ИТЭФ для задач эксперимента ALICE. В России были выполнены дополнительные 20 тонные вставки, обеспечивающие большую равномерность магнитного поля. При участии иностранных специалистов были проведены прочностные тесты, все материалы были доставлены в ЦЕРН и смонтированы в магнит L3 в срок.

Fig6.jpg

Рис. 6. Испытание вставок в магнит на заводе в Селятино и вставки, установленные в двери магнита L3

Общий вклад группы ИТЭФ в сооружение детектора TOF и инженерные работы составил более 800 тысяч швейцарских франков. По результатам работ сотрудниками группы были защищены 2 кандидатские диссертации, сделаны 5 докладов на международных конференциях и выпущено более 40 статей в реферируемых журналах.

Статус современных работ в коллаборации и планы

Работы по физическому анализу данных

Сотрудниками группы активно проводились и проводятся работы по подготовке анализа физических данных и моделированию работы идентификационной системы детектора с целью поиска следов перехода материи к новому состояния вещества – кварк-глюонной плазме. Была проделана большая работа по моделированию разделения заряженных частиц времяпролетной системой с учетом геометрии и материала детектора. В настоящее время работа ведется по трем основным направлениям:

  • проводится моделирование возможности обнаружения изменения масс и ширин мезонов и резонансов в ядерной среде,
  • проводится изучение состава и модификации свойств струй в ядро-ядерных столкновениях

Предварительный анализ масс и ширин φ и K*0 мезонов, образующихся в рр столкновениях при 7 ТэВ, указывает на уменьшение массы K*0 по сравнению с массой PDG, Δm ~ - 6 МэВ. Анализ, выполненный для событий при 0.9 ТэВ, дает аналогичные результаты.

Table.jpg

Таблица 1. Масса и ширина K*0 мезона, полученные в рр событиях при 7 ТэВ для разных интервалов поперечного импульса,
в сравнении со значениями PDG

Перспективы участия группы ИТЭФ в программе улучшения эксперимента ALICE

Группа ИТЭФ планирует продолжить участие в анализе данных, уделяя особое внимание двум направлениям: физика короткоживущих резонансов и анализ химического состава струй. Будет продолжено участие в составе коллаборации ALICE-TOF и выполнение необходимого количества дежурств в ходе сеансов по набору данных.

Учитывая успешный опыт по созданию триггерной системы для космического стенда, группой ИТЭФ в настоящее время сделано предложение о создании мюонной системы большой площади вокруг магнита L3 на основе сцинтилляционных детекторов и лавинных Гейгеровских диодов отечественного производства (MRS APD) в рамках работ по развитию и улучшению эксперимента ALICE (upgrade). Ведутся работы по созданию первого прототипа системы и разработке считывающей электроники.

Fig7.jpg

Рис 7. Схематичный вид расположения будущей мионной системы вокруг магнита L3. Первые протопипы детекторных модулей и электроники

Более подробную информациэ о детекторе, эксперименте и сотрудничестве можно получить на домашней странице ALICE.