ILC-2: что даст линейный коллайдер науке и технологиям?

Отличительные особенности детекторов ILC

Новые частицы, рождающиеся в результате столкновения электронных и позитронных сгустков, регистрируются детекторами – очень сложными устройствами, начиненными быстрой электроникой и состоящими из многих слоев. Новые частицы могут быть настолько короткоживущими, что регистрировать придется только продукты их распада. Свойства же этих новых частиц будут расшифровывать, реконструируя их из известных стабильных или долгоживущих частиц. Задача детектора – измерить траектории этих стабильных частиц, определить их энергию, заряд и массу. Каждый слой детектора, как правило, специализируется на определенном виде частиц. Ниже мы рассмотрим каждый из них в отдельности и объясним, как они взаимодействуют друг с другом.

В самом центре, непосредственно рядом с местом столкновения пучков, располагается так называемый вершинный детектор, состоящий из кремниевых кристаллов, разбитых на квадраты в несколько десятков микрометров. Пролетая через такой квадратик и ионизируя атомы кремния, частица оставляет след, который позволяет очень точно определить положение точки, откуда вылетела рожденная частица, и определить, является ли она первичной, то есть произведенной непосредственно в столкновении, или вторичной. Вторичные частицы часто появляются в результате распада «прекрасных» и «очарованных» кварков и являются надежными методами их идентификации.

Следующим слоем детектора может быть трековая система, например камера, заполненная газом, в котором создано продольное электрическое поле. Принцип работы такой камеры состоит в том, что частица ионизирует газ, ионы в электрическом поле дрейфуют к боковым стенкам и производят электрический сигнал, который регистрируется чувствительной электроникой. Измеряя время прихода этого сигнала, можно узнать, где появилась ионизация, и, соответственно, определить положение траектории частицы.

Чтобы определить импульс рожденных частиц, весь детектор помещается в очень сильное магнитное поле, производимое сверхпроводящим соленоидом. Частица в этом поле закручивается, и кривизна траектории помогает определить импульс частицы.

В случае же если рожденная частица нейтральна, помогает следующий слой детектора – калориметр, состоящий из плотного материала, чередующегося со сцинтиллятором (то есть веществом, излучающим свет при прохождении через него частицы). В плотном веществе частица интенсивно теряет энергию через электромагнитное и адронное взаимодействия, производя каскады вторичных частиц. Количество света, зарегистрированное сцинтиллятором, позволяет определить энергию такой частицы, даже если она нейтральна.

Наконец, самая внешняя система детектора, мюонная, служит для идентификации мюонов. Мюоны очень напоминают по свойствам электроны, но тяжелее их примерно в 200 раз. Они не вызывают каскадов в калориметре и поэтому могут его прошивать насквозь и попадать в мюонную систему.

Все системы детектора должны работать синхронно и между собой, и с ускорителем, чтобы можно было распутать, какому столкновению принадлежат данные каждой отдельной системы. Столкновения электронов и позитронов происходят каждые 300 наносекунд, и все системы должны быть достаточно быстрыми, чтобы уложиться в это время и не потерять информацию. Данные с детектора записываются на диски и анализируются с использованием компьютерных программ реконструкции.

Одной из самых сложных задач реконструкции является измерение энергии струй. В струях присутствуют как заряженные, так и нейтральные частицы. Наиболее точный метод, алгоритм потока частиц, пытается находить в струях заряженные и нейтральные частицы и оценивать их энергию отдельно. Энергия заряженных частиц может быть измерена гораздо более точно в трековой системе, чем в калориметре. Однако частицы в струях находятся так близко друг к другу, что необходима очень хорошая сегментация калориметра, чтобы избежать путаницы между разными частицами. Не менее сложными являются алгоритмы восстановления вершин распада частиц и их траекторий.

Анализ данных – это одна из наиболее интересных задач в физике частиц. Для точного измерения любой величины нужно хорошо знать измерительный инструмент, поэтому много внимания уделяется калибровкам детектора и определению его пространственного, временного и энергетического разрешения. Все это необходимо для эффективного выделения сигнала и подавления фона, то есть отделение интересующих нас новых событий от других событий, которые уже изучены и неинтересны в данный момент, но которые могут преобладать в данных и маскировать сигнал.

Поиск бозона Хиггса, рожденного вместе с Z–бозоном, является классическим примером анализа для линейного ускорителя. Диаграмма этого процесса приведена внизу.

Уникальной особенностью этого канала является возможность восстановления Хиггсовской частицы и точного измерения ее массы только по продуктам распада Z-бозона. Если выделить два мюона от распада Z-бозона и построить распределение по инвариантной массе отдачи, используя релятивистский закон сохранения энергии-импульса, то Хиггс проявится в этом распределении как явный резонансный пик, в то время как фоновые события будут иметь гладкое распределение. Обратите внимание, что для определения массы Хиггса нам не потребовалось знать, на какие частицы Хиггс распадается, то есть его регистрацию можно было произвести совершенно модельно независимо. Этот метод работает, даже когда Хиггс распадается в невидимые для детектора частицы. Данный анализ – это один из многих десятков возможных вариантов поиска новой физики на линейном коллайдере.

Коллайдер ILC будет оснащен двумя детекторами несколько разной конструкции, для того чтобы надежно гарантировать независимость измерений и исключить возможность ошибки при интерпретации данных. Сбор данных и их анализ будет производиться двумя независимыми коллаборациями. В отличие от LHC, где два универсальных детектора, ATLAS и CMS, установлены на пучке постоянно, в ILC место столкновения пучков только одно, и детекторы будут помещаться на пучок по очереди, меняясь каждые несколько месяцев. Причем такой «тянитолкай-обмен» детекторов должен производиться быстро, всего за несколько дней. С учетом того что каждый из детекторов высотой в 15 метров, весит более 10 тысяч тонн и требует высокой точности позиционирования, такая система требует особо тщательной инженерной проработки. Одним из отличий ILC является то, что электроны производят гораздо меньше радиации, чем протоны, и детектор, стоящий на пучке, будет также играть роль надежной защиты, позволяющей обслуживать второй детектор, стоящий в нескольких десятках метров в гаражной позиции.

Детекторы коллайдеров при каждом столкновении пучков регистрируют колоссальное количество информации.

Кстати, необходимость эффективного обмена и осуществления распределенной обработки информации, поступающей с детекторов, подтолкнула физиков к изобретению всемирной паутины: www был изобретен в CERN в 1991 году.

Как бы неожиданно это ни показалось читателю online-лекции, получением возможности такого доступа к информации мы во многом обязаны ускорителям.