Горизонты научного поиска

Оригинальные идеи, новые технологии

Об участии ОИЯИ в экспериментах NA48 и NA62

Новые результаты в области экспериментальной физики частиц не всегда непременно связаны с созданием новых ускорителей. Появление оригинальных идей проведения эксперимента, новые технологии детекторов и компьютерных систем нередко позволяют резко улучшить качество и точность измерений, а также увеличить объем обрабатываемых данных экспериментов на уже существующих машинах, обеспечивающих пучки высокого качества. В частности, и в такой традиционной области физики частиц, как физика каонов, могут быть получены новые результаты высокой научной значимости. Так, группа физиков ЛФВЭ ОИЯИ, много лет участвующая в серии экспериментов NA48, наряду с завершением обработки ранее полученных экспериментальных данных по распадам каонов активно участвует в разработке и подготовке нового прецизионного эксперимента NA62 на ускорителе SPS ЦЕРН, планируя использовать высокоинтенсивный пучок положительно заряженных каонов, который получен от столкновения выведенных протонов с фиксированной бериллиевой мишенью.

Основной задачей серии экспериментов NA48 было обнаружение прямого нарушения CP-симметрии в распадах каонов, завершившееся доказательством существования в природе явления прямого CP-нарушения (в распадах нейтральных каонов) и установлением наиболее жестких ограничений на возможную величину такого нарушения в распадах заряженных каонов. Благодаря высокому качеству измерений и большой статистике зарегистрированных событий, на этом этапе было получено много новых важных результатов по редким распадам каонов, а также найден новый способ измерения длин пион-пионного рассеяния, основанный на прецизионном измерении трехпионных распадов K⁺ и K^-.

На основе данных, полученных в экспериментах NA48/2 в прошлом году при лидирующей роли молодого научного сотрудника Е.А.Гудзовского, был завершен сложный анализ редких распадов заряженного каона на заряженный пион и электрон-позитронную или мюон-антимюонную пару и с наилучшей в мире точностью измерены парциальные ширины этих распадов и их форм-факторы. При этом одна из теоретических моделей, в рамках которых изучались эти распады, была предложена дубненскими теоретиками В.Н.Первушиным и его коллегами. Фиксация параметров этих моделей с рекордно высокой точностью позволила сделать новый шаг в изучении сильных взаимодействий при низких энергиях. Продолжены исследования и ряда других редких каонных распадов, которые позволяют выполнить проверку Стандартной модели или уточнить параметры киральной пертурбативной теории с учетом нарушения изоспиновой симметрии - точное измерение отношения вероятностей каонного распада на электрон с нейтрино и на мюон с нейтрино, анализ распада на электрон, нейтрино и два нейтральных пиона, а также распада на два пиона и электрон-позитронную пару.

Новый эксперимент NA62 нацелен в первую очередь на регистрацию сверхредкого распада заряженного каона на пион, нейтрино и антинейтрино. Этот распад является так называемой "золотой модой" для измерения параметров матрицы смешивания Кабиббо-Кобаяши-Маскава, ответственных за CP-нарушение в Стандартной модели, поскольку достаточно прост для теоретической интерпретации. Однако он исключительно сложен для экспериментального измерения - как из-за малой вероятности (порядка 10^-11), так и вследствие того, что из трех продуктов его распада регистрируется только один заряженный пион. Для получения порядка 100 искомых событий над фоном в 10 процентов требуется накопить порядка 10¹³ событий распадов каона. Это во много раз превышает статистику распадов заряженных каонов, накопленную во всех уже проведенных экспериментах. Как видно, при этом надо "справиться" с огромным фоном от доминирующих мод распадов каонов, разнообразными эффектами перерассеяния в детекторах и случайным наложением событий при регистрации.

Модуль создаваемого детектора для эксперимента NA62 на этапе сборки.

Для решения этой амбициозной задачи ключевое значение имеет главный элемент новой установки, изготовлением которого сейчас совместно с ЦЕРН занята группа сотрудников ОИЯИ. Это магнитный спектрометр с чувствительными элементами, реализуемыми на основе тонкостенных дрейфовых трубок - строу, диаметром примерно в один сантиметр, которые расположены в вакуумном объеме так, чтобы точно регистрировать треки пересекающих их заряженных частиц от распадов каонов и при этом минимально влиять на точность определения их характеристик.

Перед создателями нового спектрометра стоит сложная задача построить "пионерский" детектор, который еще никто не создавал. Такой детектор должен обеспечить длительную работу в вакууме, сохраняя при этом стабильную геометрию расположения трубок в вакууме при низких газовых утечках из тонкопленочных металлизированных трубок, способных длительное время выдерживать внутреннее давление газа в одну атмосферу, и их высокой прочности. Для этого потребовалось разработать в ОИЯИ новый технологический процесс, обеспечивающий необычно высокую прочность и газонепроницаемость шва, полученного ультразвуковой сваркой. Непросто оказалось также организовать контроль качества и методов хранения почти невесомых трубочек длиной более двух с половиной метров, которые деформируются от любого дуновения воздуха, если не накачаны газом.

Очень высокие требования прочности и герметичности предъявляются и к алюминиевому корпусу детектора, полная конструкторская разработка которого также была выполнена при определяющем участии ОИЯИ. Заказ на изготовление этого сложного изделия пришлось разместить в Италии, поскольку былое преимущество российской промышленности - низкие цены производства, особенно при изготовлении высокоточных механических конструкций, - уже утрачено. Но сборку и вакуумный контроль половины модулей детектора, как и производство более чем 7000 тонкостенных трубок для всей установки, планируется выполнять в Дубне. К настоящему времени уже изготовлено и проверено около 1500 трубок, половина из них установлена в первый модуль детектора, собираемый совместными усилиями в ЦЕРН.

Разумеется, этапу производства предшествовали несколько лет методических исследований, в ходе которых совместно с ЦЕРН сконструировано, изготовлено и испытано два прототипа нового спектрометра с небольшим количеством трубок - 48 и 64 соответственно. Проверено несколько типов микросхем для электроники считывания данных. С разработанной и реализованной на различной элементной базе системой считывания данных были получены результаты, которые доказали возможность достижения требуемых параметров отдельного детектора и спектрометра в целом.

Первый технический сеанс на установке NA62 планируется на конец 2012 года, а сеанс экспозиции полной установки - на 2014 год. После этого будет получен доступ к рекордному количеству новых экспериментальных данных о распадах каонов, что позволит достичь главной цели эксперимента, а также на новом качественном уровне изучить множество других редких мод каонных распадов. Считаем, что участие ОИЯИ в этом эксперименте продолжит серию успешных исследований на передовом фронте сверхточных измерений, в которых наши физики проявили себя на самом высоком уровне как лидеры на всех этапах экспериментов - от постановки задачи и создания высокотехнологичных детекторов до глубокого и тщательного анализа накопленных данных, приводящих, как правило, к новым и ярким результатам.

Владимир КЕКЕЛИДЗЕ, Дмитрий МАДИГОЖИН, Юрий ПОТРЕБЕНИКОВ