Эксперимент COMPASS был задуман как «Общая Мюонная и Протонная установка для изучения Структуры и Спектроскопии Адронов». Детектор состоит из многоцелевого высокоточного спектрометра и самой большой в мире поляризованной мишени. Ядра, дейтерий или водород, входящие в состав рабочего вещества мишени ⁶LiD или NH³, могут быть поляризованы продольно или поперечно и сохранять направление «замороженной» поляризации в течении длительного времени. COMPASS размещен на уникальном канале SPS M2 в ЦЕРН, который формирует пучки пионов или поляризованных мюонов в области энергий от 50 ГэВ до 280 ГэВ. Установка уже доказала свою жизнеспособность, предоставляя уникальную возможность найти решения для целого ряда фундаментальных проблем как в структуре нуклона, так и в адронной спектроскопии.

Эксперимент COMPASS-II, одобренный в 2010 году, заложил основу для проведения исследований 3-х мерной структуры нуклона на следующее десятилетие. Одной из главных задач COMPASS-II является изучение Обобщенных партонных функций распределений (GPD) в нуклонах. Последние теоретические разработки GPD на основе экспериментальных данных, позволяют получить информацию по поперечной локализации партона в нуклоне, как функцию от доли поперечного импульса нуклона, которую уносит партон. Получение такой 3х-мерной картины называют «томографией нуклона». Кроме того, концепция GPD, привлекла большое внимание ученых после того, как было показано, что полный угловой момент определенного вида партонов, J ^ƒ, для кварков (ƒ = u; d or s) или J ^g для глюонов, который зависит от второго момента суммы двух GPDs H и E. Получение данных по этим GPD через измерения эксклюзивного Глубоко Виртуального Комптоновского Рассеяния (DVCS), μp → μγp, или Глубоко Виртуального Рассеяния с Рождением Мезонов (DVMP), μp → μMp, является единственно известным способом определить компоненты «вклада» в спин нуклона 1/2 = ∑ _{ƒ= u;d;s} J ^ƒ + J ^g. И тем самым покончить с так называемым «спиновым кризисом». Реакции DVCS и DVMP являются эксклюзивными. Для того, чтобы померить их сечения, существующая установка COMPASS должна быть дополнена 2-мя новыми детекторами – Детектором протонов отдачи (RPD), измеряющего характеристики протонов, и электромагнитным калориметром ECAL0 перед первым магнитом (SM1) спектрометра (рис.1). Внутри RPD установлена новая жидководородная мишень длиной 2,5 м. Новый калориметр ECAL0 обеспечит регистрацию событий в существенно более широкой кинематической области реакции по сравнению с существующими калориметрами ECAL1 и ECAL2. Детектор ECAL0 был предложен и разработан в ОИЯИ в сотрудничестве с группами физиков из Мюнхена, Фрайбурга, Варшавы, Сакле (Франция), Праги, ЦЕРНа и коллегами из Харькова (Украина).

Новый электромагнитный калориметр является уникальным прибором типа “шашлык” (сцинтиллятор, свинец), в котором вместо традиционных фотоэлектронных умножителей применены самые современные фотоприемники – микропиксельные лавинные фотодиоды (МЛФД) с ультравысокой плотностью пикселей (до 15 тыс./мм²). Таким образом, МЛФД впервые применены для электромагнитного калориметра в крупной физической установке. Следует отметить, что уже более 20 лет этот тип фотодетекторов разрабатывается и тестируется во многих институтах, а ОИЯИ является одним из ведущих центров в этой области. МЛФД с плотностью пикселей 15 тыс./мм², разработанные в нашем институте под руководством З.Я. Садыгова, были использованы в калориметре в составе экспериментальной установки КОМПАСС в 2012 году, во время тестового набора данных. Для этого, в качестве прототипа, было собрано более четверти модулей калориметра. После успешных тестов была начата финальная стадия производства калориметра и 250 модулей были произведены и протестированы в Институте Сцинтилляционных Материалов (ИСМА, г. Харьков, Украина). Конструкцию модуля разработал И.Е. Чириков-Зорин (ОИЯИ, ЛЯП). В декабре 2013 году эти модули были доставлены в ЦЕРН. Дальнейшие тесты МЛФД для калориметра, связанные с появившимися новыми физическими задачами – использование этого детектора в интенсивных пучках адронов – привели к необходимости применения новых быстрых МЛФД фирмы Hamamatsu типа MPPC S12572-10P с плотностью пикселей 10 тыс./мм². Разработка, производство и тестирование блоков регистрации на основе этих МЛФД заняли почти полтора года и были успешно выполнены в сотрудничестве с российской компанией Rusalox (г. Владимир). Эта российская компания является производителем печатных плат с повышенной теплопроводностью на основе алюмооксидной технологии, обеспечивающей высокую эффективность охлаждения любых тепловыделяющих электронных компонентов. Печатные платы, произведенные по алюмооксидной технологии, состоят из проводящего слоя алюминия и диэлектрического материала, имеющего нанопористую структуру. Нам потребовался новый технологический процесс – сверление отверстий, их оксидирование и металлизация, при этом токи утечки должны были быть на уровне пикоампера при напряжении 100 В. Дополнительно в ОИЯИ выполнялась припайка пинов и приклейка МЛФД к алюмооксидной плате, приклейка конусов Винстона к МЛФД и другие операции сборки регистрирующих блоков. Первые блоки регистрации были готовы к началу июня 2015 года, а в конце июня 20 таких блоков были поставлены в ЦЕРН и протестированы на пучке. В результате – после многолетней напряженной работы по разработке и оптимизации систем детектора, многочисленных тестов прототипов модулей и системы считывания калориметра на пучках в ЦЕРН, комплексе ЭЛСА (Бонн) и в ДЕЗИ (Гамбург) был разработан финальный вариант модуля калориметра, показанный на рисунке 2. Блоки регистрации были разработаны и изготовлены И.Е. Чириковым-Зориным (ОИЯИ, ЛЯП).

Важно отметить, что в разработке систем калориметра принимали участие группы из других научных центров и производственных компаний. Кроме уже упомянутых выше коллег из ИСМА и Rusalox, системы питания, контроля и термостабилизации были разработаны и произведены фирмой HVSYS, система считывания (АЦП) и усилители были созданы группами из Мюнхена и Варшавы, а группа из Праги изготовила оптические разветвители для системы мониторирования и контроля.

В марте-апреле 2016 года ECAL0 был полностью собран, проверен и включен в состав установки КОМПАСС, и в данный момент успешно используется для набора данных. Основные свойства нового калориметра можно сформулировать таким образом: ECAL0 эффективно регистрирует прямые фотоны от реакций DVSC и DVMP в широком диапазоне энергий (0,2 – 40 ГэВ); и вместе с ECAL1 (Рис.1) эффективно регистрирует π⁰, что позволяет существенно снизить вклад фоновых процессов, а также дает возможность для дополнительных измерений реакций с выходом других мезонов. Такие свойства нашего прибора существенно расширяют диапазон измерений c минимальными систематическими неопределенностями.

Стабильная работа нашего калориметра уже в течение первых месяцев набора данных была отмечена руководством коллаборации КОМПАСС. Мы ожидаем получения новых физических результатов с данными от ECAL0 уже в 2017 году. Кроме того, приобретенный опыт будет использован при разработке подобных калориметров для установок MPD и SPD на комплексе НИКА.

Зиновий Крумштейн, Александр Нагайцев, Александр Ольшевский, Игорь Савин

Рисунок 1: Экспериментальная установка КОМПАСС (слева) и передняя часть спектрометра, дополненная детекторами для изучения обобщенных партонных распределений

Рисунок 2: Модуль калориметра ECAL0

Рисунок 3: Подготовленный к работе калориметр в составе установки КОМПАСС

Читайте также статью «COMPASS и COMPASS-II. Двадцать лет успешных измерений» от 22 июля 2020 г.