Зачем Большому Адронному Коллайдеру понадобились спагетти: эксперименты российских ученых
26.11.2021, 16:04 Перед экспериментом LHCb на Большом Адронном Коллайдере (LHC) в Европейском Центре Ядерных Исследований (ЦЕРН) поставлено множество задач. Но одна из самых интригующих — изучение процесса, в ходе которого в первые мгновения жизни Вселенной нарушился баланс между частицами и античастицами.
Вещество нашей Вселенной (планеты, звезды, галактики) состоит в основном из материи, а антиматерии в составе нас самих и окружающих нас объектов не обнаружено. Однако после Большого Взрыва образовалось одинаковое количество вещества и антивещества, но со временем осталось только вещество. Как такое возможно?
В современной науке такой процесс описывается выполнением условий Сахарова, сформулированных советским физиком в середине ХХ века, одним из которых является нарушение зарядово-пространственной четности в первые секунды после Большого Взрыва. Иными словами, распады частиц и античастиц должны слегка различаться, что приводит к небольшому избытку вещества. Детектор для изучения причины пропажи антивещества
Детекторный комплекс эксперимента LHCb состоит из пяти подсистем, которые должны отследить и измерить энергию всех рожденных в процессе столкновения пучков протонов частиц. В частности, он состоит из вершинного детектора VELO для определения первичной вершины распада, детекторов черенковского излучения RICH для идентификации заряженных частиц, системы определения треков продуктов распадов, системы регистрации мюонов, а также калориметрической системы.
Принцип работы калориметров основан на методе полного поглощения частиц веществом абсорбера. При этом влетающие в объем детектора частицы обладают высокой энергией, достаточной для рождения вторичных, что приводит к образованию каскадов, называемых электромагнитными или адронными ливнями. Задача калориметров как раз измерить энергию всех первичных и вторичных частиц путем изучения светового отклика, возникающего в сцинтилляционном веществе, когда через него проходит частица. Шашлык для измерения энергии частиц
Электромагнитный калориметр эксперимента LHCb предназначен для измерения полной энергии электронов и гамма-квантов и выполнен по технологии «шашлык» — чередующихся слоев сцинтиллятора для преобразования поглощенной энергии в световую вспышку и свинцового поглотителя. Слои элементов калориметра пронизаны световодами для транспортировки света от сцинтиллятора к фотоприемнику, который преобразует световые вспышки в электрический сигнал.
Со стороны схема прибора напоминает известное блюдо северокавказской кухни, что и привело к появлению соответствующего названия. Гарнир из спагетти к шашлыку
С началом фазы модернизации LHC и старта программы повышенной светимости (увеличения количества протонных соударений в секунду) перед исследователями встали задачи по улучшению подсистем детектора LHCb. Текущий вариант электромагнитного калориметра не позволял использовать его при возрастании радиационного фона.
Тогда было решено разработать новую схему построения прибора — «спагетти». В такой геометрии сцинтиллятор выполнен в виде волокон, ориентированных в металлическом абсорбере вдоль направления движения вторичных частиц. Волокна могут быть сделаны из радиационно-стойких материалов, а могут быть заменяемыми. В последнем случае новые волокна устанавливаются во время плановой технической остановки работы БАКа.
Исследователи из НИТУ МИСиС и ИФВЭ города Протвино совместно с коллегами из ЦЕРНа изучают возможность потенциальной замены части модулей калориметра с шашлыка на спагетти в областях повышенных радиационных нагрузок. Все новое — хорошо забытое старое
В ходе расчетов ученые определились с оптимальными параметрами калориметра:
— длина 320 мм;
— квадратное сечение 30 на 30 мм;
— 121 волокно диаметром 2 мм;
— расположенное на расстоянии 0.55 мм друг от друга;
— допуски по всем размерам 50 мкм.
Технологам также пришлось поработать над механической стабильностью абсорбера: нижние блоки в калориметре должны выдерживать нагрузку около одной тонны в течение последующих тридцати лет без малейшей деформации.
Учеными была разработана технология изготовления абсорбера для электромагнитного калориметра по геометрии «спагетти». В частности, было предложено заменить мягкий свинец на сплав Гарта, который уже на протяжении многих десятилетий используется в типографии. Особенности сплава — низкая вязкость и нулевая литейная усадка — позволяют изготавливать детали методами литья с высокой точностью детализации. К тому же он достаточно твердый, а значит способен выдерживать большие нагрузки.
Сам абсорбер изготавливался методом заполнения сплавом графитовой изложницы с предустановленными стальными закладными элементами. В дальнейшем, после затвердевания сплава, металлические спицы извлекались механическим путем. Для облегчения последней операции была подобрана термостойкая смазка, которой покрывалась поверхность каждой спицы.
Вещество нашей Вселенной (планеты, звезды, галактики) состоит в основном из материи, а антиматерии в составе нас самих и окружающих нас объектов не обнаружено. Однако после Большого Взрыва образовалось одинаковое количество вещества и антивещества, но со временем осталось только вещество. Как такое возможно?
В современной науке такой процесс описывается выполнением условий Сахарова, сформулированных советским физиком в середине ХХ века, одним из которых является нарушение зарядово-пространственной четности в первые секунды после Большого Взрыва. Иными словами, распады частиц и античастиц должны слегка различаться, что приводит к небольшому избытку вещества. Детектор для изучения причины пропажи антивещества
Детекторный комплекс эксперимента LHCb состоит из пяти подсистем, которые должны отследить и измерить энергию всех рожденных в процессе столкновения пучков протонов частиц. В частности, он состоит из вершинного детектора VELO для определения первичной вершины распада, детекторов черенковского излучения RICH для идентификации заряженных частиц, системы определения треков продуктов распадов, системы регистрации мюонов, а также калориметрической системы.
Принцип работы калориметров основан на методе полного поглощения частиц веществом абсорбера. При этом влетающие в объем детектора частицы обладают высокой энергией, достаточной для рождения вторичных, что приводит к образованию каскадов, называемых электромагнитными или адронными ливнями. Задача калориметров как раз измерить энергию всех первичных и вторичных частиц путем изучения светового отклика, возникающего в сцинтилляционном веществе, когда через него проходит частица. Шашлык для измерения энергии частиц
Электромагнитный калориметр эксперимента LHCb предназначен для измерения полной энергии электронов и гамма-квантов и выполнен по технологии «шашлык» — чередующихся слоев сцинтиллятора для преобразования поглощенной энергии в световую вспышку и свинцового поглотителя. Слои элементов калориметра пронизаны световодами для транспортировки света от сцинтиллятора к фотоприемнику, который преобразует световые вспышки в электрический сигнал.
Со стороны схема прибора напоминает известное блюдо северокавказской кухни, что и привело к появлению соответствующего названия. Гарнир из спагетти к шашлыку
С началом фазы модернизации LHC и старта программы повышенной светимости (увеличения количества протонных соударений в секунду) перед исследователями встали задачи по улучшению подсистем детектора LHCb. Текущий вариант электромагнитного калориметра не позволял использовать его при возрастании радиационного фона.
Тогда было решено разработать новую схему построения прибора — «спагетти». В такой геометрии сцинтиллятор выполнен в виде волокон, ориентированных в металлическом абсорбере вдоль направления движения вторичных частиц. Волокна могут быть сделаны из радиационно-стойких материалов, а могут быть заменяемыми. В последнем случае новые волокна устанавливаются во время плановой технической остановки работы БАКа.
Исследователи из НИТУ МИСиС и ИФВЭ города Протвино совместно с коллегами из ЦЕРНа изучают возможность потенциальной замены части модулей калориметра с шашлыка на спагетти в областях повышенных радиационных нагрузок. Все новое — хорошо забытое старое
В ходе расчетов ученые определились с оптимальными параметрами калориметра:
— длина 320 мм;
— квадратное сечение 30 на 30 мм;
— 121 волокно диаметром 2 мм;
— расположенное на расстоянии 0.55 мм друг от друга;
— допуски по всем размерам 50 мкм.
Технологам также пришлось поработать над механической стабильностью абсорбера: нижние блоки в калориметре должны выдерживать нагрузку около одной тонны в течение последующих тридцати лет без малейшей деформации.
Учеными была разработана технология изготовления абсорбера для электромагнитного калориметра по геометрии «спагетти». В частности, было предложено заменить мягкий свинец на сплав Гарта, который уже на протяжении многих десятилетий используется в типографии. Особенности сплава — низкая вязкость и нулевая литейная усадка — позволяют изготавливать детали методами литья с высокой точностью детализации. К тому же он достаточно твердый, а значит способен выдерживать большие нагрузки.
Сам абсорбер изготавливался методом заполнения сплавом графитовой изложницы с предустановленными стальными закладными элементами. В дальнейшем, после затвердевания сплава, металлические спицы извлекались механическим путем. Для облегчения последней операции была подобрана термостойкая смазка, которой покрывалась поверхность каждой спицы.
Ещё новости по теме:
18:20