ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2021, том 84, № 2, с. 160-165

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ПОЛЯ

РАЗРАБОТКА И СОЗДАНИЕ ТРЕКОВЫХ И ИДЕНТИФИКАЦИОННЫХ

СИСТЕМ ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ

ЭКСТРЕМАЛЬНЫХ СВОЙСТВ ЯДЕРНОГО ВЕЩЕСТВА

В ЯДЕРНЫХ СТОЛКНОВЕНИЯХ

Поступила в редакцию 28.04.2020 г.; после доработки 28.04.2020 г.; принята к публикации 28.04.2020 г.

Одним из основополагающих направлений в физике высоких энергий является исследование в

лабораторных условиях свойств ядерного вещества при экстремально высоких температурах и/или

барионных плотностях. В течение последних десятилетий такие исследования проводятся при

столкновении ультрарелятивистских тяжелых ионов в нескольких экспериментах на современных

ускорительных комплексах RHIC (БНЛ, США) и LHC (ЦЕРН, Швейцария). Также в ближайшем

будущем планируется начать эти исследования на ускорителях FAIR (GSI, Германия) и NICA (ОИЯИ,

Россия). Реализация таких исследований требует создания сложных детекторных систем, способных

регистрировать события с высокой множественностью рождающихся частиц и надежно измерять их

характеристики. В настоящей работе сделан краткий обзор всех детекторных систем, созданных и

разрабатываемых в Лаборатории релятивистской ядерной физики НИЦ “Курчатовский институт” —

ПИЯФ для экспериментов по изучению ядерного вещества в экстремальных условиях PHENIX (БНЛ,

США), ALICE (ЦЕРН, Швейцария) и CBM (GSI, Германия).

DOI: 10.31857/S0044002721010177

1. ВВЕДЕНИЕ

эксперименте MPD на коллайдере NICA (Дубна)

[4]. Для активного участия в столь амбициозной

В течение последних десятилетий в физике

программе в начале 1990-х гг. в ПИЯФ РАН (с

сильных взаимодействий при высоких энергиях

2011 г. НИЦ “Курчатовский институт” — ПИЯФ)

реализуется амбициозная международная про-

была создана Лаборатория релятивистской ядер-

грамма по изучению свойств ядерного вещества

ной физики (ЛРЯФ), нацеленная на разработку и

при экстремально высоких температурах, близких

создание трековых и идентификационных систем

к температуре Вселенной в первые микросекунды

для экспериментов PHENIX (БНЛ, США) [1],

после Большого Взрыва (порядка 10¹² К) [1].

ALICE (ЦЕРН, Швейцария) [2], CBM (FAIR/GSI)

Эта программа, призванная обеспечить прорывной

[3], на участие в наборе данных и их анализе, на

прогресс в понимании целого ряда фундамен-

получение физических результатов и их интерпре-

тальных явлений в физике элементарных частиц,

тацию.

ядерной физике, астрофизике и космологии, реа-

лизуется усилиями международных коллабораций

в экспериментах на Коллайдере релятивистских

2. ЛРЯФ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ PHENIX

ионов (RHIC) в США [1] и пучках ультрареляти-

В период 1993-2000 гг. в ПИЯФ были разра-

вистских ядер на Большом адронном коллайдере

ботаны и изготовлены уникальные многопроволоч-

(LHC) в ЦЕРН

[2]. В ближайшем будущем

ные фокусирующие дрейфовые камеры, облада-

спектр таких исследований будет расширен путем

ющие оригинальной структурой дрейфовых ячеек

изучения фазовой диаграммы ядерного вещества

[1]. Дрейфовые камеры стали основным детекто-

в области высоких барионных плотностей, близ-

ром центральной трековой системы эксперимента

ких к плотности вещества в коре нейтронных

PHENIX на ускорителе RHIC (БНЛ, США), ко-

звезд, в эксперименте CBM на пучках ионов в

торые успешно проработали более 15 лет. Около

исследовательском центре FAIR (Германия) [3] и

90% результатов эксперимента PHENIX, опубли-

кованных более чем в 200 статьях, основаны на

¹⁾НИЦ “Курчатовский институт”— ПИЯФ, Гатчина, Рос-

сия.

данных, полученных с использованием дрейфовых

^*E-mail: samsonov_vm@pnpi.nrcki.ru

камер центральной трековой системы детектора.

160

РАЗРАБОТКА И СОЗДАНИЕ ТРЕКОВЫХ И ИДЕНТИФИКАЦИОННЫХ СИСТЕМ

161

При разработке, проектировании и изготовле-

странственное разрешение камер вдоль оси пучка

нии этих дрейфовых камер использовались совре-

∼2 мм, максимальное время измерений <1 мкс при

менные подходы и методы проектирования слож-

максимальном времени дрейфа ∼0.5 мкс в услови-

ных многопроволочных детекторных систем. За

ях с большой множественностью частиц (∼1000).

основу была взята ячеистая структура камер с

Экспертное сопровождение функционирования

управляемой зоной сбора заряда, работающих при

дрейфовых камер позволило сотрудникам ЛРЯФ

использовании холодных газовых смесей. Спро-

принять участие в обработке и анализе экспери-

ектированная проволочная система состояла при-

ментальных данных, накопленных экспериментом

мерно из 20 000 проволок. При этом была разрабо-

PHENIX. На основе выполненных анализов были

тана специальная модульная структура детектора,

защищены одна докторская и четыре кандидатских

в которой к стенкам фермы камеры крепились алю-

диссертаций.

миниевые прецизионно изготовленные поддержки,

Фактически именно уникальная конструкция

содержащие четыре анодные и четыре катодные

дрейфовых камер, не имеющих аналогов в мире,

сетки (в совокупности, образующие модуль). Каж-

позволила успешно реализовать физическую про-

дая сетка состояла из проволок различного типа,

грамму эксперимента PHENIX.

прикрепленных к текстолитовым платам, распре-

деляющим напряжение. Использование стандарт-

Основным фундаментальным результатом экс-

ных модулей небольших размеров для построе-

перимента PHENIX (наряду еще с тремя экспери-

ния детектора значительно упростило процедуру

ментами на ускорителе RHIC) стало открытие но-

его сборки, обслуживания и массового производ-

вого состояния ядерного вещества при сверхвысо-

ства. Каждую камеру можно условно разделить на

ких температурах — кварк-глюонной материи, об-

20 идентичных модулей (секторов), охватывающих

ладающей свойствами почти идеальной сильновза-

4.50^◦ по азимутальному углу, имеющих общий га-

имодействующей жидкости с исключительно низ-

зовый объем и поддерживающую структуру. Кон-

ким отношением сдвиговой вязкости к энтропии [1].

струкция, материал и размеры поддерживающей

Эксперимент PHENIX успешно закончил набор

структуры дрейфовой камеры были оптимизиро-

данных в 2016 г. и был закрыт на модерниза-

ваны с целью уменьшения фона, возникающего в

цию. На базе эксперимента PHENIX создается

результате электромагнитных и адронных ливней.

новая экспериментальная установка sPHENIX [5].

Каркасом дрейфовой камеры стала титановая фер-

Основой трековой системы нового эксперимента

ма с расположенным в центре углепластиковым

станет цилиндрическая времяпроекционная камера

поддерживающим стержнем для уменьшения про-

TPC на основе газовых электронных умножите-

гиба фермы под действием суммарного натяжения

лей (GEM), установленных на торцах камеры [5].

проволок ∼3 т. Полный вес дрейфовой камеры

В настоящее время детектор находится на стадии

без электроники составил 1.5 т. Для уменьшения

проектирования и его производство планируется

количества конструкционных материалов в аксеп-

к 2022 г. Предварительно согласовано участие

тансе газовый объем камеры сверху и снизу был

ЛРЯФ в проектировании TPC, однако дальнейшая

ограничен тонкими металлизированными окнами

степень вовлеченности ЛРЯФ в обновление уста-

из полиэтилентерефталата толщиной ∼100 мкм. В

новки будет определяться доступным финансиро-

качестве рабочего газа использовалась смесь арго-

ванием и политической обстановкой.

на и этана (50/50). Для повышения стабильности

работы и уменьшения старения камер позже в га-

зовую смесь стали добавлять пары изопропилового

3. ЛРЯФ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ ALICE

спирта 1.6%. Покрытие камер по азимутальному

Продолжение изучения свойств ядерного ве-

углу составило 90^◦ , а по псевдобыстроте — в ин-

щества при экстремально высоких температурах

тервале от -0.35 до 0.35. В итоге был создан де-

осуществляется в эксперименте ALICE (БАК,

тектор, позволяющий с высокой эффективностью

ЦЕРН), для которого в ЛРЯФ в период 2005-

(99%) восстанавливать треки заряженных частиц

2010 гг. была разработана, изготовлена и запущена

и прецизионно измерять их импульсы с разреше-

в эксплуатацию уникальная трековая система

нием Δp_T /p_T ∼ 1% в области поперечных импуль-

форвардного мюонного спектрометра на основе

сов p_T ∼ 1 ГэВ/c. Созданный детектор (рис. 1)

предложенной в ПИЯФ концепции нового ти-

обладал целым рядом уникальных характеристик.

па сверхтонких камер со съемом информации

В частности, была обеспечена возможность разре-

с сегментированных катодов [2]. Эта трековая

шения треков, расположенных на малом расстоя-

система размером

5×5

м включала камеры,

ние друг от друга (менее 2 мм), система сигналь-

состоящие из перекрывающихся прямоугольных

ных проволок имела пространственное разрешение

модулей, являющихся пропорциональными каме-

∼150 мкм, а эффективность их срабатывания со-

рами с катодным съемом, катоды которых имеют

ставляла 90%. Кроме того, было достигнуто про-

падовую структуру. Отличительная особенность

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 84

№2

2021

162

САМСОНОВ

1999 г.

2000 г.

1998 г.

1996 г.

1997 г.

Рис. 1. Создание дрейфовых камер трековой системы эксперимента PHENIX.

Машина для прецизионной

Стенд высоковольтных

Стенда для испытаний трековых

резки плат камеры для

испытаний

камер с помощью b-частиц

станций 3, 4, 5

Машина для прецизионной

резки плат камеры для

станций 1, 2

Автоматизированное устройство

для измерения натяжения

Намоточная машина

проволок в модуле

Рис. 2. Оснастка для производства модулей мюонных камер эксперимента ALICE.

изготовленных камер — высокое пространствен-

плоскостностью около

мкм/м, намоточной

ное разрешение (100 мкм) и малое содержание

машиной, системой измерения натяжения про-

волок, высоковольтным испытательным стендом,

конструкционных материалов (менее 0.2% ядерной

бета-стендом для проверки однородности газового

длины) в аксептансе камер. В ЛРЯФ изготовлено

усиления и стендом для завершающей проверки

38 камер варьируемых габаритов — от 80 см до

работоспособности с помощью системы считы-

м. Изготовленные камеры прошли высоко-

вания камерной электроники и т. д.). Оснастка,

вольтные испытания, проверку натяжения анодных

изготовленная для производства камер, показана

проволок, а также испытания на герметичность.

на рис. 2 и 3.

Для организации массового производства модулей

Спроектированная и изготовленная в ЛРЯФ

камер в ЛРЯФ была разработана технология их

система измерения натяжения проволок по их ре-

сборки, тестирования и испытаний. Для этого был

зонансной частоте была признана коллаборацией

организован сборочный участок с классом чистоты

ALICE лучшей и принята к использованию в кол-

ИСО 5 (100 000 частиц/м³) и контролируемыми

лаборации на всех участках сборки такого типа

температурой и влажностью, предназначенный для

камер. Особенностью стенда для проведения вы-

сборки модулей трековых камер. Участок снабжен

соковольтных испытаний была пневматическая си-

комплексом оборудования (гранитным столом с

стема, поднимающая тестируемую полуплоскость

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 84

№2

2021

РАЗРАБОТКА И СОЗДАНИЕ ТРЕКОВЫХ И ИДЕНТИФИКАЦИОННЫХ СИСТЕМ

163

60 кв.м

Сборочная чистая зона

Наклейка седвич-панели

Установка спейсера

Намотка анодной сетки

Установка анодной сетки

Проверка натяжения проволок

Тест модуля на пучке в ЦЕРН

Тесты модулей в ЦЕРН

Установка модулей в камеру

Рис. 3. Производство модулей мюонных камер эксперимента ALICE и их испытание.

и прижимающая ее к разделительным фиксаторам

трометра вершинным детектором позволит обеспе-

на прозрачной крышке стенда, на которой была

чить его работоспособность при увеличении мак-

смонтирована прозрачная катодная сетка. Тем са-

симальной светимости БАК и значительно расши-

мым воспроизводилась геометрия электрического

рит возможности эксперимента ALICE в изучении

поля, близкая к той, которая имеется в реальной

множества ярких явлений в процессах столкно-

камере. Стенд наполняется азотом — химически

вения ультрарелятивистских ядер на LHC. ЛРЯФ

неактивным газом с хорошими высоковольтными

разработала и создала испытательные стенды для

свойствами. Поданное высокое напряжение вызы-

подбора оптимального типа охлаждения электро-

вало коронный разряд вокруг анодных проволок

ники детектора MFT (имеющего 10⁹ каналов), раз-

модуля, визуально показывая дефекты. В стенде

работала проект холодильной машины и приняла

для проверки однородности газового усиления ис-

участие в разработке и создании детектирующих

пользовался подвижный по чувствительной зоне

станций. В ходе успешных совместных коллабо-

камеры бета-источник. При облучении камеры из-

рационных работ была изготовлена, собрана и ис-

мерялся ток в камере, характеризующий величину

пытана половина детектора MFT, показанная на

газового усиления в данной точке. Помимо этого

рис. 4.

в ЛРЯФ были спроектированы мюонный фильтр

(адронные поглотители) и металлическая несущая

конструкция (суперструктура) закрепления камер

4. ЛРЯФ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ CBM

мюонного спектрометра эксперимента ALICE.

Одновременно, начиная с 2003 г., ЛРЯФ участ-

Участие в эксперименте ALICE не ограничи-

вует в разработке и создании мюонного спектро-

лось созданием детектора. Сотрудники ЛРЯФ ак-

метра MUCH и кольцевого черенковского детек-

тивно участвуют в наборе данных, их анализе и

тора RICH для эксперимента СВМ (Compressed

физической интерпретации. Из наиболее важных

Baryonic Matter) в исследовательском центре FAIR

результатов эксперимента ALICE, полученных со

(GSI, Германия) на ускорителе SIS-100/300, а

значительным, а зачастую и определяющим вкла-

с 2018 г. присоединилась к коллаборации экс-

дом сотрудников ЛРЯФ, можно выделить изме-

перимента MPD на коллайдере NICA в ОИЯИ.

рение времени жизни адронной фазы в столкно-

Цель экспериментов СВМ и MPD — исследование

вениях ультрарелятивистских ядер и исследование

перехода ядерного вещества в состояние кварко-

глюонных плотностей в области малых x при уль-

вой плазмы при сверхвысоких барионных плот-

трапериферическом протон-ионном и ион-ионном

ностях. Для реализации физической программы

столкновениях. В ходе анализа данных, накоплен-

эксперимента CBM регистрация и идентификация

ных экспериментом ALICE, сотрудниками ЛРЯФ

лептонов в области малых поперечных импульсов

была защищена одна кандидатская диссертация.

является критичной. Поэтому к детекторам RICH

В ходе текущей модернизации эксперимента

предъявляются жесткие требования, а их проекти-

ALICE ЛРЯФ принимает участие в разработке и

рование и изготовление является сложной задачей,

изготовлении вершинного детектора MFT мюон-

требующей привлечения квалифицированных спе-

ного спектрометра [6]. Оснащение мюонного спек-

циалистов и специализированных производств. На

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 84

№2

2021

164

САМСОНОВ

рис. 5 представлена концепция конструкции раз-

рабатываемого детектора RICH как классическо-

го фокусирующего детектора колец черенковского

излучения. Аксептанс детектора RICH охватывает

диапазон углов рассеяния до 609 мрад (35^◦) в

горизонтальной плоскости (x-z) и до 425 мрад

(25^◦) в вертикальной плоскости (y-z) по отно-

шению к номинальному положению мишени, рас-

полагаясь непосредственно за дипольным магни-

том. В качестве радиатора используется углекис-

лый газ (CO₂). Фокусирующая оптическая система

Рис. 4. Половина детектора MFT в сборе.

представляет собой сегментированную сфериче-

скую зеркальную поверхность радиусом 3 м, со-

Столбы для

стоящую из стеклянных зеркал 40 × 40 см² толщи-

подвеса зеркал

ной 6 мм с покрытием Al + MgF₂. Изображения

колец проецируются на два фотонных детектора

ФЭУ

(ФЭУ), состоящие из многоанодных фотоэлек-

тронных умножителей Hamamatsu H12700. Для

уменьшения количества конструкционных матери-

алов в аксептансе детектора была предложена и

Газовый корпус

успешно испытана на полномасштабном прототипе

Стеклянные

конструкция фермы на основе несущих алюминие-

зеркала

вых столбов, к которым крепятся рамки поддерж-

ки зеркал и сами зеркала. Специально разрабо-

ФЭУ

танная конструкция рамок и оснастки позволяет

легко произвести юстировку зеркал и облегчить

Ферма

массовое производство компонентов. Самой боль-

Планки для

шой частью детектора RICH станет герметичный

крепления зеркал

газовый корпус, наполненный газом в качестве

Рис. 5. Концепция конструкции детектора RICH.

радиатора. Корпус будет содержать внутри эту

фокусирующую зеркальную ферму. На передней

стороне корпуса будут установлены два фотонных

детектора (ФЭУ) — сверху и снизу пучковой тру-

Система крепления

бы. Фотонные детекторы, в свою очередь, будут

поглотителей и

трековых камер

окружены массивными коробами магнитной защи-

ты фотоумножителей от остаточного магнитного

поля дипольного магнита. Специальная система

Трековые

газового контроля будет регулировать давление

станции

газа радиатора в газовом коробе (2 мбар выше

Поглотители

атмосферного давления), а также осуществлять

Платформа

циркуляцию и очистку газа. Предполагается, что

эксперимент CBM будет использовать детекторы

Кабель-каналы

RICH и мюонный детектор MUCH по очереди с

периодичностью примерно год. Поэтому механи-

ческая конструкция детектора RICH будет разра-

ботана с учетом передвижения детектора целиком

при помощи крана. В системе считывания и сбора

данных будет использоваться модуль DiRICH [7],

разработанный совместными усилиями сотрудни-

Рис. 6. Схематическое изображение эскизной модели

честв HADES, CBM и PANDA. Для проверки

детектора MUCH.

предложенных конструкционных идей был изго-

товлен полномасштабный прототип в 1/3 фермы

детектора RICH с установленными зеркалами. В

Проект детектора MUCH находится на стадии

настоящее время ведутся испытания конструкци-

разработки эскизного проекта, см. рис. 6. Мюон-

онных элементов и оптические измерения фокуси-

ный трековый детектор MUCH представляет собой

рующих свойств зеркал на специальном стенде.

последовательность чередующихся поглотителей и

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 84

№2

2021

РАЗРАБОТКА И СОЗДАНИЕ ТРЕКОВЫХ И ИДЕНТИФИКАЦИОННЫХ СИСТЕМ

165

трековых станций. Детектор должен функциони-

цию, на которую подвешены направляющие треко-

ровать в условиях с большой плотностью тре-

вых камер и направляющая первого поглотителя.

ков (в одном столкновении до 0.3 трек/см²) и

Несмотря на существенную сложность поставлен-

большой частотой столкновений ядер (10 МГц).

ной задачи, накопленный в ЛРЯФ опыт проектиро-

вания и изготовления крупных детекторных систем

Поэтому ближайшие к мишени трековые станции

позволит вовремя завершить проект к запуску экс-

будут состоять из газовых электронных умножи-

перимента CBM, запланированного на 2025 г.

телей (GEM), а последние — из тонких дрейфовых

трубок (straw). Из-за необходимости располагать

Автор благодарен сотрудникам ЛРЯФ А.В. Хан-

на пучке детекторы RICH и MUCH по очереди, по-

задееву, М.Б. Жалову, В.Н. Никулину, Д.А. Ива-

глотители и трековые станции, за исключением по-

нищеву и Ю.Г. Рябову за помощь в подготовке

следнего самого тяжелого поглотителя (весом око-

доклада на сессии-конференции СЯФ ОФН РАН

ло 200 т), располагаются на подвижной платформе.

и настоящей статьи.

Платформа позволит перемещать детектор из ра-

бочего положения на пучке в положение ожидания.

Перемещаемый вес составит около 100 т. Для

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

облегчения подвода коммуникаций и повышения

1. PHENIX Collab. (K. Adcox et al.), Nucl. Phys. A 757,

мобильности снизу по гибким кабель-каналам к

184 (2005).

верхней поверхности платформы подводятся необ-

2. The ALICE Collab. (K. Aamodt et al.), JINST 3,

ходимые коммуникации (оптические и электриче-

S08002 (2008)

ские кабели, трубы для газа и воды). Кабель-

3. CBM Collab. (T. Ablyazimov et al.), Eur. Phys. J. A 53

каналы проходят по поверхности фундамента. Ли-

(3), 60 (2017).

нейное перемещение платформы осуществляется

4. D. Blaschke, J. Aichelin, E. Bratkovskaya, V. Friese,

вдоль роликовых направляющих посредством та-

M. Gazdzicki, Y. Randrup, O. Rogachevsky, O.

келажной гидравлической системы горизонтально-

Teryaev, and V. Toneev, Eur. Phys. J. A 52, 267 (2016).

го перемещения. Для удобства обслуживания тре-

5. Carlos E. P ´erez Lara (for the sPHENIX Collab.), EPJ

ковые камеры и ближайший к мишени поглотитель

Web Conf. 171, 10002 (2018).

(первый поглотитель) подвешены на направляю-

6. Antonio Uras (for the ALICE MFT Working Group),

щих и имеют возможность раздвигаться в стороны.

J. Phys. Conf. Ser. 446, 012054 (2013).

Система крепления поглотителей и трековых камер

представляет собой разборную рамную конструк-

7. V. Patel and M. Traxler, JINST 13, C03038 (2018).

DEVELOPMENT AND CONSTRUCTION OF TRACK

AND IDENTIFICATION SYSTEMS FOR EXPERIMENTS FOR STUDYING

THE EXTREME PROPERTIES OF NUCLEAR MATTER

IN NUCLEAR COLLISIONS

V. M. Samsonov¹⁾

¹⁾NRC “Kurchatov Institute” — PNPI, Gatchinа, Russia

Studies of the nuclear matter properties at extremely high temperatures and/or baryon densities in

laboratory conditions is recognized as one of the most fundamental problems in high-energy nuclear

physics. During last few decades such studies are carried out in ultra-relativistic heavy ion collisions in

a number of experiments on Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) at BNL (USA) and at the Large

Hadron Collider (LHC) at CERN. Also, these investigations are planned to start at the accelerator facilities

FAIR (GSI, Germany) and NICA (JINR, Russia) in the nearest future. Their implementation requires the

construction of complex detector systems capable of measuring events with a high particle multiplicity

and reliably measuring their characteristics. This short note is devoted to review of the detector systems

developed and constructed in the Laboratory of Relativistic Nuclear Physics of the NRC “Kurchatov

Institute” — PNPI for experiments PHENIX at RHIC, ALICE at the LHC and CBM at FAIR aimed on

studies of extreme states of nuclear matter created in relativistic nuclear collisions.

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 84

№2

2021