Belle II

[Terra Cee]

лордэ говорит, что нравятся мои посты про физику. Ну, про то, что нравится, не грех ещё раз написать.

Вообще, мне давно следовало рассказать, чем я в своей научной жизни занимаюсь. А занимаюсь я обработкой данных эксперимента Belle. Belle — это детектор элементарных частиц, который стоит на электрон-позитронном коллайдере KEKB в городе Цукуба, в Японии. Если кто не знает, позитроны — это антиэлектроны, то есть у этих частиц та же масса и время жизни, что и у электронов, они так же взаимодействуют с другими частицами, но у них положительный электрический заряд. Откуда берут позитроны? Можно взять пучок электронов и жахнуть им, например, в железную пластину. Проходя через вещество, электроны излучают высокоэнергичные фотоны, которые могут превратиться в электрон-позитронные пары. С помощью магнитного поля можно разделить электроны и позитроны: частицы с разным электрическим зарядом поворачиваются в магнитном поля в противоположные стороны.
Итак, у нас есть электроны и позитроны. Сначала они проходят через линейный ускоритель, набирают небольшую энергию и затем запускаются в циклический ускоритель. Он состоит из вакуумной трубы, по которой движутся пучки электронов и позитронов, поворотных магнитов, фокусирующих магнитов, радиочастотной камеры с электромагнитным излучением, которое-то и ускоряет пучки, системы охлаждения и всякого такого. Я про это раньше писала, повторять не хочу. Сейчас речь пойдёт о самом интересном. Электроны и позитроны, в принципе, летают по разным трубам, которые расположены рядом, и в одной точке эти трубы пересекаются, электроны и позитроны сталкиваются и рождают всякие интересные частицы. Вокруг места встречи и стоит детектор Belle. Детектор элементарных частиц — это очень сложная система, которая позволяет измерять импульсы, скорости, энергии частиц, определять их тип, для заряженных частиц — восстанавливать их траектории. Сигнал от разных подсистем детектора в виде скачков напряжения и тока подаётся на оцифровывающую электронику, а от неё — на компьютеры, которые с помощью программ реконструкции восстанавливают частицы. Они отбрасывают совсем глупые события (например, если из космоса прилетела частица и прошла через детектор) и записывают оставшиеся на магнитные ленты (!). А потом эту информацию анализируют учёные и ищут новые частицы или изучают старые.
Эксперимент Belle работал с 1998 по 2010 год, потом коллайдер и детектор подверглись модернизации. В прошлом году впервые был запущен новый коллайдер SuperKEKB, а осенью этого года, как планируется, детектор Belle II начнёт собирать данные. Я раздобыла фотографии, сделанные во время сборки и установки детектора. Наверное, будет интересно не только читать про него, но и посмотреть, как он выглядит в натуре.

Про физику и детектор

На этом фото можно видеть ту самую вакуумную трубу, по которой движутся частицы. Здесь надо сделать небольшое отступление и сказать, что частицы в принципе по-разному взаимодействуют с веществом, когда проходят через него, и на этом как раз и основана работа детектора частиц. Заряженные частицы взаимодействуют с электронами и ядрами атомов вещества (в основном с электронами). Они передают электронам часть своей энергии, могут даже оторвать электрон (то есть ионизовать атом). Так вот, чтобы заряженная частица, вылетая из вакуумной трубы в детектор, тратила на ионизацию как можно меньше энергии, вакуумная труба, во-первых, имеет тонкие стенки, во-вторых, сделана из бериллия — одного из самых лёгких металлов (легче него только литий). Кстати, бериллий ядовит: известны смертельные случаи среди рабочих, которые пренебрегали техникой безопасности. Правда, тонкие стенки — не всегда хорошо: дело в том, что заряженный частицы, движущиеся с ускорением, испускают электромагнитное излучение. В коллайдере они движутся по окружности, следовательно, испытывают центростремительное ускорение и излучают рентгеновское излучение. Однажды это излучение прожгло дыру в вакуумной трубе. Пришлось менять и заново откачивать вакуум.



За вакуумной трубой находится первая подсистема детектора Belle — кремниевый вершинный детектор. Он состоит из кремниевых пластин, расположенных в несколько слоёв (на фотографии можно их увидеть). К каждой пластине прикладывается напряжение. Заряженная частица, проходя через кремний, рождает электрон-дырочные пары , которые создают электрический ток. Зная, какая пластина в какое время сработала, можно восстановить траекторию частицы. Почему это детектор называют вершинным? Большинство элементарных частиц распадаются ещё внутри вакуумной трубы. Если восстановить треки частиц, которые в результате родились, и продлить их внутрь вакуумной трубы, то они сойдутся в одну точку. Её и называют вершиной распада. Таким образом, кремниевый вершинный детектор с высокой точностью реконструирует треки и, тем самым, вершины.



Здесь закончили собирать верхнюю половину детектора (обратите внимание на количество проводов). Работа проходит в чистой комнате, чтобы никакая пыль или мусор не попали внутрь установки.



А здесь к вершинному детектору подсоединяют трубки охлаждения.



За кремниевым вершинным детектором находится дрейфовая камера — ещё одна подсистема детектора, реконструирующая треки. Представляет собой она здоровую бочку, заполненную специально подобранной смесью газов, внутри которой натянута куча тоненьких проволочек. К каждой из них приложено напряжение. Частица пролетает через камеру, ионизует газ в ней, рождённые электроны летят к проволочке, ускоряются, сами ионизуют вещество и таким образом рождают электронную лавину. Лавина падает на проволочку, и по ней протекает ток. Лавина нужна, чтобы усилить сигнал, а большой сигнал можно измерить с большей точностью. Дрейфовая камера находится в магнитном поле. Заряженные частицы в магнитом поле движутся по окружности, и чем больше импульс частицы, тем больше радиус окружности. Таким образом, с помощью дрейфовой камеры можно определить импульс частицы.



Проволочки натягивали в чистой комнате. Это очень кропотливая работа: надо, чтобы у каждой проволочки было определённое натяжение (будет меньше — провиснет, будет больше — лопнет). Всего надо было натянуть около 10000 проволочек.



На эту работу ушло примерно два года.



За трековой системой следует система идентификации частиц. Зная импульс частицы и её скорость, можно вычислить массу и таким образом понять, что это за частица. Скорость можно измерять по-разному. Самый прямолинейный способ — измерить, за какое время она пролетит заданное расстояние. Для этого на некотором расстоянии друг от друга ставят два сцинтилляционных кристалла. Пролетая через них, частица заставляет молекулы кристаллов светиться, и этот свет можно зарегистрировать. Такая схема была реализована в детекторе Belle. На Belle II решили использовать способ, основанный на существовании черенковского излучения.
Когда говорят, что свет — самая быстрая вещь в мире, то имеют в виду свет в вакууме. В прозрачном веществе скорость света равна скорости света в вакууме, делённой на показатель преломления этого вещества. И может так случиться, что какая-нибудь частица обгонит свет в данном веществе. Тогда она излучает электромагнитное излучение, пик которого находится в области синего света. Его впервые увидел советский учёный Черенков (да, у него было очень острое зрение). Ещё этот свет излучается не во все стороны, а в виде конуса, причём угол у вершины этого конуса тем больше, чем больше скорость частицы.
В детекторе Belle использовалась простая схема использования черенковского света, называемая пороговым детектором. Детектор этот состоял из стопки брусков аэрогеля с разными показателями преломления (аэрогель использовался именно потому, что его можно сделать с разным показателем преломления). Когда частица пролетала через стопку, смотрели, в каких брусках высветилось черенковское излучение, а в каких — нет, брали наибольший показатель преломления из тех брусков, от которых не было сигнала, и говорили, что скорость частицы меньше, чем скорость света, делённая на этот показатель преломления. При всей грубости эта схема позволяет неплохо различать разные частицы. Но гораздо приятнее знать скорость частицы точно. Это можно сделать, если зарегистрировать само кольцо черенковского света. Затем при помощи формул геометрии из радиуса кольца получается угол при вершине черенковского конуса, а из него — скорость. Именно такие детекторы и стоят на Belle II.
На фото внизу показана кварцевая пластина — элемент одного из черенковских детекторов. Внутри пластины "бегает" луч лазера, отражаясь от стенок.



А здесь устанавливают фотоприёмники, которые будут регистрировать черенковские кольца другого детектора, на этот раз — на основе аэрогеля.



Детектор элементарных частиц — это много проводов. Очень много проводов. Данные провода подсоединены к дрейфовой камере. Синие "капли" — это высоковольтные конденсаторы.



Здесь проверяют микрочипы для вершинного детектора.



Этот дядечка подсоединяет провода и трубки охлаждения.



Детектор — фиговина немаленькая.



Чтобы его передвигать, используют специальный кран. Однажды краном зацепили и выдернули приличную охапку проводов. Пришлось всё заново подключать.



Детектор в сборе. Рядом с ним — фокусирующий магнит.



А вот довольная команда инженеров, трудившаяся над Belle II.





Момент первых столкновений пучков.



Платы с электроникой (картинка для привлечения внимания).

@темы: новый ПЧ, волшебный мир физики, слава Омниссии!

Comments

[SilverSable]

О, я давно хотела тебя спросить про твою работу!
Какой это все сложно и красиво!
То есть получается, что ты работаешь с данными, приходящими из Японии?

[Terra Cee]

SilverSable,

То есть получается, что ты работаешь с данными, приходящими из Японии?

Да.

[Lubov-D]

Можно ли Belle II назвать электронным коллайдером?

[Terra Cee]

Lubov-D, электрон-позитронным.
И не сам Belle II (Belle II — это детектор), а ускоритель SuperKEKB, на котором оный детектор стоит.

[Lubov-D]

Terra Cee, точно, позитроны там тоже есть