Фотонная физика в ALICE – наша!

На вопросы ПерсТ’а согласился ответить д.ф.-м.н. Владислав Иванович Манько, руководитель проекта ALICE/PHOS на строящемся в ЦЕРН’е (Женева) Большом адронном коллайдере (LHC).

Бытует мнение, что ЦЕРН обеспечил работой 650 российских физиков-ядерщиков. Насколько это утверждение верно?

В.И.М. В этом вопросе акценты расставлены несколько неверно. Действительно, российские физики участвуют во всех 4-х экспериментах, запланированных на LHC, а также в сооружении самого коллайдера LHC. Эту возможность им предоставило Правительство Российской Федерации, подписавшее Соглашение с ЦЕРН’ом об участии России в подготовке и проведении экспериментов на LHC. Работу российских физиков в ЦЕРН’е оплачивает Министерство промышленности, науки и технологий России. Разработки и создание оборудования для экспериментов и ускорителя оплачивают два российских министерства – Министерство по атомной энергии и Министерство промышленности, науки и технологий. Так что верно утверждение - Россия вносит серьезный вклад (пока на уровне создания оборудования) в строительство Большого Адронного Коллайдера в ЦЕРН’е. Единственный крупный физический проект, идущий под руководством российских физиков, это – большой электромагнитный спектрометр ALICE/PHOS для эксперимента ALICE. Но и в других экспериментах в разном объеме также задействованы российские физики. А дальше, после запуска LHC, российские физики в зависимости от завоеванных на сегодняшнем этапе позиций будут проводить эксперименты, вне сомнения, на передовых рубежах науки.

В чем суть экспериментов по проекту ALICE?

В.И.М. Проект ALICE/PHOS осуществляют несколько российских институтов во главе с Курчатовским. Это - ИФВЭ (Протвино), Российский федеральный ядерный центр (Саров) и ОИЯИ (Дубна). Кроме российских, в проекте участвуют ещё 9 институтов из 7 стран.

ALICE (A Large Ion Collider Experiment) - единственный эксперимент с тяжелыми ионами на будущем коллайдере LHC (другие 3 эксперимента связаны с физикой элементарных частиц). Главная цель эксперимента – создать в лаборатории сгусток кварк-глюонной плазмы, найти её сигналы и исследовать свойства. Единственный чистый, неискажённый сигнал – это электромагнитное излучение, для исследования которого и предназначается электромагнитный спектрометр ALICE/PHOS. Фазовый переход в кварк-глюонную плазму может произойти при энергиях столкновения тяжелых ядер, которые планируется достичь на ускорителе LHC. Ранее (с 1987 года) эксперименты с кварк-глюонной плазмой проводились в ЦЕРН’е на ускорителе SPS, в настоящее вре- мя они продолжаются в Брукхэйвенской национальной лаборатории (BNL) на коллайдере RHIC (Relativistic Heavy Ion Collider), а затем будут продолжены на новом уровне с помощью детектора ALICE на LHC.

Один из основных параметров при столкновении тяжелых ионов – это энергия в системе центра масс. В ЦЕРНовской программе на SPS эта энергия (т.н. "корень из S") была 17ГэВ на пару нуклонов, на RHIC она составляет 200ГэВ на пару нуклонов, на LHC она составит уже 5.5ТэВ (5500ГэВ) на пару нуклонов. Именно при такой энергии столкновения тяжелых ядер может сформироваться долгоживущий (конечно, по ядерным масштабам) сгусток кварк-глюонной плазмы. И исследовать ее – одна из задач ученых Курчатовского института. В земных условиях кварк-глюонная плазма может быть сформирована только путем столкновения разогнанных до сверхскоростей тяжелых ионов. Кварк-глюонная плазма – это то состояние вещества, в котором находилась наша Вселенная в первые мгновения после Большого взрыва в течение первых 10-5 секунд. Затем Вселенная стала быстро расширяться, кварк-глюонная плазма перешла в нормальную материю. Сейчас физики пытаются воспроизвести это первоначальное состояние в Земных условиях.

Традиционный вопрос - не случится ли вследствие этого эксперимента образование новой Вселенной и гибель нашей?

В.И.М. Не произойдет. Этот вопрос остро стоял перед запуском RHIC. Дискутировался вопрос, не образуется ли в результате эксперимента черная дыра, в которой погибнет наша Вселенная, или, по меньшей мере, наша Земля. Для снятия опасений была создана специальная комиссия, которая пришла к выводу, что вероятность такого развития событий просто равна нулю, потому что события будут разворачиваться на очень небольших масштабах, образовавшийся сгусток кварк-глюонной плазмы будет иметь масштабы атомного ядра и "жить" очень короткое время. Для Земли ничего страшного не произойдет.

Возвратимся к эксперименту ALICE?

В.И.М. На рис. 1 показано столкновение двух ядер (они на рисунке выглядят не как сферы, а в виде плоских дисков, приобретя такую форму за счет лоренцева сжатия). Теория предсказывает, что переход к состоянию кварк-глюонной плазмы наступит по достижении плотности энергии ~2ГэВ/фм3 (кубический ферми). Для сравнения, плотность энергии в нормальном ядре 0.17ГэВ/фм3. При превышении нормальной ядерной плотности больше, чем в 10 раз может наступить фазовый переход в состояние кварк-глюонной плазмы. Последняя отличается от нормальной материи тем, что кварки и глюоны в ней являются свободными (тогда как в нормальной материи имеет место явление конфайнмента, т.е. ни кварки, ни глюоны свободно не существуют).

3_22_1.jpg (17920 bytes)

Рис. 1. Центральное столкновение двух ядер сверхвысоких энергий:

Экспериментальная база для формирования кварк-глюонной плазмы в Земных условиях – это три ускорителя в мире. Два уже существуют (ускоритель SPS в ЦЕРН’е, на котором ядерная программа пошла с 1987 года; затем RHIC в BNL, запущенный в 2000 году), один строится (LHC в ЦЕРН’е). На коллайдере RHIС энергия пучков 100ГэВ на нуклон, при столкновении в центре масс получается 200ГэВ на нуклонную пару, в LHC – энергия пучков 2750 ГэВ/нуклон, что соответствует 5500ГэВ на пару нуклонов в системе центра масс. На SPS - неподвижная мишень, энергия пучка ядер свинца 160ГэВ на нуклон, но из-за неподвижности мишени в итоге получается 17ГэВ на пару нуклонов в системе центра масс. Все эти эксперименты очень дорогие, проводятся на уникальных ускорителях только в рамках крупных международных проектов, и Россия участвует во всех.

Какова специфика, привносимая в эксперименты именно Курчатовским институтом?

В.И.М. У Курчатовского института сложилась уникальная специализация - физика фотонов, рождаемых при столкновениях ускоренных тяжелых ядер. Фотоны представляют собой очень важный, уникальный инструмент такого рода исследований по одной простой причине. Фотоны испускаются из сгустка непосредственно в момент их рождения без дальнейшего взаимодействия. Дело в том, что фотоны взаимодействуют только электромагнитным образом, их сечение взаимодействия мало, и, следовательно, их длина свободного пробега намного превышает размеры сгустка. Поэтому они вылетают из сгустка в момент своего образования, и тем самым несут неискажённую информацию о его свойствах. Эволюция здесь такая – образуется сгусток плазмы, он постепенно расширяется, охлаждается, в конце концов, его размеры становятся таковыми, что прекращается всякое взаимодействие, и частицы, которые родились при столкновении, разлетаются и доходят до детектора. Родившиеся адроны следуют за эволюцией системы, несут информацию только о последней стадии, когда все остыло (условно остыло, там тоже высокие температуры порядка 90МэВ). Поэтому при регистрации адронов трудно извлечь информацию о ранних стадиях. Тогда как фотоны испускаются на разных стадиях эволюции, следят за эволюцией, и, измеряя температурный спектр фотонов, можно установить и начальную температуру, и дальнейший ее ход.

Курчатовский институт участвовал в исследованиях, связанных с кварк-глюонной плазмой с самого начала исследований, и с самого начала выбрал для себя физику фотонов. Сначала мы построили большой электромагнитный спектрометр, в котором было 10000 детекторов на базе свинцовых стекол.

Где был установлен этот спектрометр?

В.И.М. Спектрометр сначала был установлен на SPS (ЦЕРН). В 1997 году он переехал на RHIC и сейчас вошел в состав эксперимента PHENIX в BNL. Это до сих пор - один из самых больших спектрометров в мире. С его помощью был получен фундаментальный результат – измерен спектр прямых фотонов (опубликован в Phys. Rev. Lett. в 2000 г., это – первый и пока единственный в мире результат). Дело в том, что обнаружение прямых фотонов - очень трудная задача. У них небольшие и сечение возникновения (в результате их рождается очень мало), и сечение взаимодействия. Но в процессе столкновения рождается много адронов, p0-мезонов. Последние, распадаясь, дают два фотона, что создает огромный неустранимый физический фон при регистрации прямых фотонов. Наш спектрометр, благодаря высокой чувствительности, зарегистрировал именно трудно уловимые прямые фотоны.

Таким образом, наша специализация – физика фотонов в столкновениях ядер сверхвысоких энергий. Естественно, мы с этой же физикой вошли и в эксперимент ALICE, в котором специально для этих исследований создается новый фотонный спектрометр PHOS(PHOton Spectrometer). Проект идет под руководством Курчатовского института. Для этого спектрометра мы выбрали в качестве сцинтиллятора кристаллы вольфрамата свинца PbWO4 (PWO).

Почему выбраны именно кристаллы вольфрамата свинца?

В.И.М. А дело в том, что для такого рода исследований необходим материал детектора, у которого был бы минимально возможный радиус Мольер и минимальная радиационная длина, чтобы детектор был компактным (для возможности размещения вблизи точки столкновений). Существенное значение имеет радиус Мольер, который определяет поперечный размер электромагнитного ливня. Мольер долго занималась свойствами электромагнитных ливней и ввела понятие радиуса Мольер. Дело в том, что, когда в любой материал попадает фотон высокой энергии, он рождает, как известно, электрон-позитронную пару. Дальше эта пара начинает тормозиться, рождает т.н. тормозные фотоны, и фотоны опять порождают пары – начинается лавинный процесс, т.н. электромагнитный ливень. Этот ливень как раз и преобразуется в сцинцилляционных кристаллах во вспышку света. Точнее, электроны и позитроны начинают возбуждать атомы среды, в которую они попали. Если это – не сцинциллятор, то возбуждается черенковское излучение (так, в свинцовых стеклах мы наблюдаем черенковское излучение). В итоге электромагнитный ливень покрывает в детекторе некоторое пространство. А поскольку в процессе столкновения рождается огромное количество частиц, и если это число частиц попадает на ваш кристалл, он просто "засвечивается", и вы ничего не обнаруживаете. Как раз поперечный размер ливня определяется радиусом Мольер, и нужно выбрать материал с минимальным радиусом Мольер. Тогда вы можете поставить детектор максимально близко к событию, в частности в случае ALICE это – 4.5 метра.

Выбор материала кристалла мы сделали в 1993 г., просмотрев очень много материалов, остановились на PWO. К тому времени это был совершенно новый кристалл, разработанный впервые в Советском Союзе, в Харькове (по-моему), хотя, может быть, разработки велись и в других организациях. Мы на него поставили. Он отвечал двум основным требованиям – он тяжелый (чтобы иметь подходящий радиус Мольер) и является сцинциллятором (т.е. дает максимально яркую вспышку света).

Как развивались события после выбора подходящего для детектора кристалла?

В.И.М. В 1993 году на разработку технологии выращивания кристалла PWO мы получили грант INTAS, и уже тогда много сделали совместно с харьковским предприятием "Монокристалл". Параллельно технология выращивания кристаллов PWO была поставлена на богородицком заводе при участии ИФТТ РАН, Курчатовского института и ряда других институтов (о чем ПерсТ сообщал в вып. 19 с.г.). Богородицку во многом помогли финансовые вливания со стороны ЦЕРН’а через грант МНТЦ – 13 млн. долл. К этому времени этот же кристалл был утвержден для другого церновского детектора CMS (Compact Muon Solenoid), на который необходимо было 80 тыс. кристаллов (на ALICE требуется 20 тысяч). Поначалу и CMS, и ALICE обеспечивались кристаллами из Богородицка (мы исследовали богородицкие кристаллы на своем оборудовании). Но в 1999 г. стало ясно, что богородицкий завод не может произвести кристаллы для обоих экспериментов в требуемые сроки (оба эксперимента должны быть запущены в одном и том же году – 2007). Западные физики из CMS, обеспечившие получение гранта МНТЦ, жестко поставили условие обеспечения в первую очередь эксперимента СMS, т.к. это был их вклад в этот эксперимент. В результате оказались под угрозой полного срыва сроки подготовки детектора для эксперимента ALICE.

Тогда мы вспомнили о новом заводе в Апатитах, который сейчас называется "Северные кристаллы". Этот завод к 1989 г. успели построить, но так и не запустили. В своё время непосредственное отношение к строительству завода имел Президент Курчатовского центра академик Е.П.Велихов. К сожалению, прекрасное оборудование, завезенное на завод, даже не успели распаковать, а тем более запустить. Завод простоял (точнее, "пролежал") без работы до 1999 года. К 2001 году мы его реанимировали и в 2002 г. уже поставили в ЦЕРН первые 500 высококачественных кристаллов PWO. Здесь необходимо подчеркнуть, что восстановление завода "Северные кристаллы" в Апатитах, развитие и оптимизация технологии, развёртывание массового производства кристаллов для эксперимента ALICE - всё это стало возможным только благодаря Министерству по атомной энергии Российской Федерации, которое оказало и продолжает оказывать определяющую финансовую поддержку РНЦ "Курчатовский Институт".

Большую роль в становлении технологии сцинцилляционных кристаллов в Апатитах сыграл Станислав Феликсович Бурачас - один из самых крупных специалистов по неорганическим сцинцилляционным монокристаллам, с которым Курчатовский институт еще в 1993 году ставил технологию на харьковском «Монокристалле». Бурачас согласился переехать в Аппатиты и быстро поставил там технологию производства кристаллов PWO. Он и сейчас работает на этом заводе. В 2000 г. на завод пришло новое руководство, которое сыграло определяющую роль в преодолении ряда трудных организационных проблем, возникших при восстановлении завода.

Сейчас работа идет в тесной кооперации. В Курчатовском центре организован аттестационный центр, одна из задач которого 100% контроль всех монокристаллов. Контролируются оптические характеристики кристаллов (световыход, зависимость световыхода от времени, прозрачность), радиационная стойкость. В результате совместных усилий удалось существенно повысить световыход кристаллов, повысить их радиационную стойкость. В основе технологии, как и в Богородицке – метод Чохральского, но многие &quotknow-how" принадлежат "Северным кристаллам". Оба российских производителя – богородицкий завод и "Северные кристаллы", имеют одинаково высококачественные кристаллы. Посмотрите на фотографию (рис.2) наших кристаллов, произведенных заводом "Северные Кристаллы" (это фото обошло многие зарубежные научные издания). Такими кристаллами, продуктами высоких российских технологий, можно гордиться!

3_22_2.jpg (13824 bytes)

Рис. 2. Внешний вид монокристалла PbWO4, изготовленного в Аппатитах

Апатиты обеспечат плановые сроки поставок кристаллов для ALICE?

В.И.М. Да, былое напряжение снято. На сегодня мы уже отправили в ЦЕРН 3600 кристаллов, количество, достаточное для изготовления первого модуля (всего их должно быть 5). Наша задача в следующем году обеспечить сборку этого модуля. Мы уже изготовили прототип детектора на 256 каналов, который успешно прошел предварительные испытания, в том числе и на пучках ускорителя в ЦЕРН.

По проекту ALICE/PHOS будет изготовлено 5 детекторных модулей, внутри каждого 3584 кристалла PWO. Для увеличения световыхода спектрометр будет охлаждаться до температуры -25?С, достигаемой без больших затрат. Вся система охлаждения делается в Сарове.

"Северные кристаллы" – один из самых больших российских заводов-производителей монокристаллов. На нем имеется 180 ростовых установок, из них 35 – выполняют заказ ALICE, обеспечивая производство 300 кристаллов в месяц (расширение упирается в финансы). Эта производительность позволит нам в плановые сроки обеспечить создание своего детектора. В 2006 году мы должны установить детектор на пучок и в 2007 году приступить к захватывающим экспериментам.

Фотоны в ALICE – это наше всё?

В.И.М. Проект ALICE/PHOS (и создание оборудования, и планирование будущих экспериментов) идет под руководством российских физиков. Кристаллы PWO для электромагнитного спектрометра ALICE/PHOS – главный вклад России в эксперимент ALICE. Решающую роль в его обеспечении играет МинАтом, который вносит определяющий финансовый вклад. Значительные средства предоставляют также Минпронауки и Курчатовский центр. После контроля всех кристаллов в Курчатовском аттестационном центре они отправляются в ЦЕРН, где также работает наша группа физиков, занятых контролем кристаллов непосредственно на пучках и сборкой детектора.

Свет от сцинциллятора регистрируется лавинными полупроводниковыми фотодиодами, которые предоставляются японскими участниками проекта. Как уже было упомянуто, в проекте участвуют учёные ещё 7 стран, но основа детектора – кристаллы вольфрамата свинца создаются в России, и весь проект идёт под руководством российских учёных.

Так что, ответ на вопрос звучит скорее так – "Фотонная физика в ALICE – вся наша!".