Разработан детектор на основе фокусирующего аэрогеля. Материал, успешно опробованный на Большом адронном коллайдере и Международной космической станции, будет использован в системе идентификации частиц на ускорителе «Супер Чарм-Тау фабрика» в Новосибирске.
Новосибирский ускоритель со встречными электрон-позитронными пучками «Супер Чарм-Тау фабрика» – один из шести научных мегапроектов, отобранных на конкурсе Минобрнауки. Коллайдер позволит исследовать свойства фундаментальных частиц, рождающихся в области энергий от 1 до 2,5 ГэВ в пучке, то есть, прежде всего, тау-лептонов и «очарованных» кварков (c-кварков), а также «экзотических» частиц: глюболлов, гибридов и др., проверить Стандартную модель и изучить нарушения симметрии между материей и антиматерией.
Жёсткая конкуренция в физике высоких энергий требует от «Супер Чарм-Тау фабрики» исключительных параметров. Так, одна из особенностей коллайдера – система идентификации частиц с рекордными параметрами чувствительности. Важную роль в ней и должен сыграть аэрогель. Этот материал активно используется в мощных детектирующих системах на ускорителях, а в 2012 году в ходе эксперимента в Центре ядерных исследований (ЦЕРН) он установил мировой рекорд в точности измерений.
На Черенковских чтениях в ФИАН участник проекта, старший научный сотрудник Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ) Евгений Кравченко рассказал:
«Аэрогель – классический наноматериал. Упрощённо его можно представить как пористый кварц, с той лишь разницей, что размер пор в нём – около 60-90 нм, т.е. меньше, чем длина волны видимого света. При этом поры заполнены не жидкостью, как в обычном геле, а воздухом. Поэтому аэрогель является оптически однородным материалом, может обладать крайне низким для твёрдых веществ показателем преломления света – в диапазоне от 1,01 до 1,05».
Блок фокусирующего аэрогеля (фото предоставлено докладчиком)
Уникальный коэффициент преломления света открыл аэрогелю путь в физику высоких энергий, где измерения требуют особой точности. Частица, пролетая через такой «кварц», создаёт в нём вспышку света, по направлению которой можно измерить скорость частицы, а значит, определить её тип: чем меньше коэффициент преломления света, тем больше разность углов для частиц разных типов. При этом показатель не должен иметь и слишком малое значение, поскольку в таком случае недостаток фотонов усложняет детектирование частицы.
Для того чтобы улучшить точность определения направления света, аэрогель стали изготавливать из нескольких слоёв, которые различаются по плотности. В каждом слое излучение идёт под определённым углом, и в результате фотоны более точно фокусируются на плоскости детектирования. Улучшенная фокусировка уменьшает влияние шума матрицы и повышает точность измерений. Разработка многослойного аэрогеля для черенковских счётчиков (детекторов, получивших своё название от регистрируемого ими свечения, открытого П.А. Черенковым в ФИАНе) зародилась в России. В США аэрогель использовали как ловушку для микрометеоритов. В России отработана методика изготовления монолитного аэрогелевого блока из четырёх слоёв.
Один из самых прозрачных аэрогелей в мире, новосибирский материал входит в число лидеров в своём сегменте. Выбирают его при строительстве детекторов и из-за соответствия «нестандартным» требованиям к размерам. Оно достигается с помощью специальной технологии резки – обычная техника, применяемая при резке стекла, не подходит в исключительных условиях работы детекторов.
Следующая задача - специалисты ИЯФ и Института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН работают над созданием аэрогеля с непрерывным градиентом показателя преломления (бесконечным числом слоёв).
О. Овчинникова, АНИ «ФИАН-Информ»
