Производство пилотных модулей мюонной вето системы и их тестирование для эксперимента Mu2e
Чем интересен эксперимент Mu2e? Несмотря на то, что Стандартная модель, описывающая в рамках единого подхода электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия, подтверждена в огромном количестве экспериментов, существует множество указаний на то, что она является лишь частью некой общей теории и, что взаимодействия, не описываемые Стандартной моделью ("Новая физика"), должны проявиться при энергиях, значительно ниже планковских. Поиски "Новой физики" ведутся сразу в нескольких направлениях: поиск новых частиц на Большом адронном коллайдере, в астрофизических наблюдениях («темная материя» и «темная энергия»), другим перспективным подходом к поиску "Новой физики" являются прецизионные измерения и поиск процессов, проявления которых расходятся с теоретическими расчетами в рамках Стандартной модели. Даже небольшое отклонение измеряемой величины от ее теоретического предсказания позволит сделать вывод о неполноте теории и поставить ограничения на ее расширения.
Один из таких экспериментов по поиску "Новой физики", входящий в мюонную программу Фермилаб – эксперимент Mu2e. Этот эксперимент посвящен поиску прямой конверсии мюона в электрон в поле ядра µ-+N → e-+N. Такой процесс происходит с нарушением лептонного числа для лептонов с ненулевым зарядом и в рамках Стандартной модели его вероятность исключительно мала и составляет ~10-50, т.е. процесс практически ненаблюдаем. Наблюдение любого процесса подобного рода однозначно указывает на наличие взаимодействий за рамками Стандартной Модели. Во многих моделях «Новой физики» вероятности этих процессов существенно увеличиваются и становятся доступными для наблюдений. Создание установки Mu2e началось и пробный запуск ожидается в конце 2020 года. Набор статистики на первом этапе запланирован на 2021-2023 гг. Чувствительность установки к регистрации одиночного события прямой конверсии мюона в электрон ожидается на уровне ~ 2,9 х 10-17, что на три порядка лучше достигнутого на сегодняшний день результата.
Сотрудники НЭОМАП (Ю. Будагов, В. Глаголев, Ю. Давыдов, А. Артиков, Д. Чохели, Ю. Харжеев, В. Баранов, А. Симоненко, И. Васильев, З. Усубов) провели научно-исследовательскую работу и добились 40% увеличения светосбора со счетчиков путем заливки синтетического каучука в отверстие для файберов, разработали методику заливки пятиметровых счетчиков, провели радиационные тесты залитых образцов на реакторе в ЛНФ, создали стенд для тестирования на космических мюонах готовых вето модулей, а также стенд для тестирования сцинтилляционных счетчиков длиной до 7 м с радиоактивным источником, и, совместно с американскими коллегами, наладили процесс сборки модулей для вето системы.
Вето система состоит из сдвоенных сцинтилляционных брусков различной длины (от 90 см до 7 м) с поперечными размерами 5х2 см2 и двумя сквозными по всей длине отверстиями с диаметром 2,6 мм, расположенными симметрично между центром и краями по ширине бруска. В отверстия уложены переизлучающие оптические волокна (WLS fiber) с диаметром 1,4 мм, с обеих концов которых свет регистрируется кремниевыми фотоумножителями (SiPM) и далее передается на считывающее устройство. Из 32-х подобных сдвоенных счетчиков (будем называть их дальше дикаунтерами) собирается модуль. Вето система, состоящая из 85 модулей, должна обеспечить эффективность регистрации космических мюонов на 99.99%.
Акрам Артиков и Давид Чохели запускают процесс сборки модулей в Университете Вирджиния ( США ) для вето системы эксперимента Mu2e в Фермилаб:
В сборочном помещении отделения физики высоких энергий (HEP division) университета Вирджинии происходит изготовление сдвоенных счетчиков (дикаунтеров) и сборка модулей вето системы космических мюонов для эксперимента Mu2e:
На фото показана сборка третьего модуля длиной 6 м и весом около 2 тонн:
Экспериментаторы подготовили достаточное количество дикаунтеров длиной 6 м для изготовления еще двух модулей. После сборки 5-го модуля будет осуществлена первая отправка в Фермилаб:
Процесс сборки модуля заключается в приклеивания эпоксидной смолой 8-ми дикаунтеров к алюминиевой пластине толщиной 1,27 см (0,5 дюйма), затем на поверхность этих 8-ми дикаунтеров первого слоя наносится эпоксидный клей и приклеивается алюминиевая пластина 2-ого слоя (2-4-я пластины имеют толщину 0,95 см, 5-я – 0,32 см) и т.д. До получения «пирога» из 5 алюминиевых пластин и 4-х слоев пластика (дикаунтеров) между ними.
С обеих сторон на каждый слой пластика по периметру, на расстоянии примерно 3-4 см закрытом алюминиевой фольгой, наносятся полоски черного геля для предотвращения попадания света между пластиком и алюминиевой пластиной.
После приклеивания последней алюминиевой пластины вся конструкция накрывается толстой полиэтиленовой пленкой, затем пледом из искусственной ткани для предохранения от порезов острыми деталями конструкции, следующей за пледом полиэтиленовой пленки с вмонтированными в нее манометрами и трубками для откачки воздуха. Верхняя полиэтиленовая пленка прикрепляется к столу по всему периметру толстым двухсторонним скотчем, обеспечивая герметичность при откачке воздуха. Таким образом, модуль выдерживается под атмосферным давлением сутки. Давление и вспомогательные конструкции обеспечивают заданные габаритные размеры модуля с точностью 2 мм.
Сборке модуля предшествует большая и длительная работа по изготовлению дикаунтеров:
- обрезка стрипов (каждый с двумя продольными отверстиями для волокон) необходимой длины с точностью 100 мкм. Стрип – длинный брусок из сцинтиллятора с двумя сквозными продольными отверстиями для оптического волокна. Размеры бруска для этого модуля 5х2х600 см3, отверстия в нем расположены симметрично, посередине от центра до краев;
- приклеивание стрипов попарно параллельно по узкой кромке – получается дикаунтер;
- протягивание оптоволокон сквозь отверстия;
- приклеивание (Light Guide Board) адаптеров к обоим концам дикаунтеров с одновременным приклеиванием волокон к отвестиям адаптеров.
- обрезание излишков волокон и окончательная доводка алмазным резцом концов оптоволокон на адаптере.
- проведение тестов:
а) измерение ширины каждого дикаунтера в 3-х точках;
б) фото каждого конца оптоволокна, показывающее качество алмазного реза;
в) измерение неровности поверхности адаптера после алмазного реза;
г) измерение пропускания света оптоволокном, т.е. прозрачность каждого канала;
д) проведение измерений с радиоактивным источником для сравнения откликов фотоприемников (SIPM) всех каналов. Этот тест проводится после установки на адаптер дополнительных деталей, обеспечивающих прикрепление к адаптеру сборки с SIPM.
После изготовления достаточного количества «дикаунтеров» необходимой длины приступают к процессу изготовления модуля, описанному выше.
На данный момент изготовлено 3 модуля длиной 6 м, один из которых проходит испытания на созданном нами стенде. Также подготовлены к сборке модулей более сотни дикаунтеров длиной 4,5 м.
Ниже два фото – отклик в дикаунтерах первого модуля на трек от космического мюона, проведенный по двум катодно-стриповым камерам (8 слоев). Отклик от мюона наблюдается только в двух верхних слоях модуля вето-системы, так как нижние слои не были еще оснащены электроникой на момент данного теста.
Внешний вид установки Mu2e, синим цветом показано расположение модулей вето системы:
Коллаборация планирует начать и закончить сборку установки Mu2e в 2020 г. На 2021 г. запланированы первые пробные наборы данных и ввод в эксплуатацию установки. Успешная сборка нескольких сотен дикаунтеров и первых трех модулей вето системы в сжатые сроки показало реальность данного графика работ. Ученые и инженеры университета Вирджинии и нашего института надеются завершить создание всех 85 модулей к концу 2020 г.
Будучи в командировке в университете Вирджинии, Акрам Артиков снял видеоролик об изготовления дикаунтеров (автор монтажа - Михаил Жуков).
Весь процесс по сборке второго модуля также был снят на видео сотрудниками университета.
Статья подготовлена Владимиром Викторовичем Глаголевым и Акрамом Музафаровичем Артиковым.
