В начале марта 2022 года в павильоне детектора MPD комплекса NICA были установлены два малогабаритных прецизионных лазерных инклинометра (МПЛИ). С помощью этих устройств ученые смогут детектировать угловые микросейсмические колебания, чтобы оценить их влияние на светимость коллайдера. Событие прокомментировали замдиректора Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ Владимир Глаголев и начальник сектора №3 Научно-экспериментального отдела множественных адронных процессов (НЭОМАП) ЛЯП Михаил Ляблин.

Используя МПЛИ ученые определят интенсивность угловых колебаний поверхности Земли, которые действуют в районе размещения коллайдера NICA. Угловые колебания поверхности Земли создают некую деформацию коллайдера, что в конечном итоге может влиять на точность сведения пучков внутри детекторов MPD и SPD. Значимые угловые колебания основания коллайдера могут привести к изменению его светимости.

МПЛИ регистрирует интенсивность и частоты угловых колебаний поверхности Земли в широком частотном диапазоне. Это позволит определить изменение геометрии поверхности Земли под коллайдером в режиме онлайн.

NICA находится вблизи технической зоны Дубны: рядом расположена восточная котельная города, проходят объездная трасса для большегрузных автомобилей и железная дорога, на площадке ЛФВЭ работает криогенный цех с мощными насосами, в пяти километрах от комплекса функционирует Иваньковская ГЭС с двумя турбинами. То есть, по сути, речь идет о большом количестве индустриальных шумов. Если их влияние окажется значительным, то следующим этапом работ станет наладка системы обратной связи, которая позволит нивелировать или, по крайней мере, уменьшить влияние этих колебаний, стабилизировать сведение пучков в «точках» взаимодействий и тем самым уменьшить влияние микросейсмов на светимость коллайдера. Предполагается использовать два типа обратной связи: размещение пьезостакеров, механически корректирующих колебания основания под ускорительными элементами, и введение обратной связи на обмотки питания элементов ускорителя, что даст возможность корректировать смещения пучков частиц.

Сборка детектора MPD в экспериментальном павильоне. На переднем плане — МПЛИ перед сборкой на специальной плите, прикрепленной к рельсу. Слева направо: А. А. Плужников, А. М. Кузькин, В. В. Глаголев, К. Поляков

МПЛИ – это, по сути, компактная версия прецизионного лазерного инклинометра, изобретателями которого в 2014 году стали Михаил Ляблин вместе с советником при дирекции ЛЯП ОИЯИ Юлианом Будаговым (1932 – 2021). Две версии работающего по одному принципу устройства отличаются своими габаритами и весами. В экспериментальных помещениях различных экспериментов специалисты сталкиваются с проблемой ограниченного пространства, поэтому в НЭОМАП ЛЯП было решено разработать ПЛИ меньшего размера для удобства их размещения, при этом была сохранена высокая чувствительность устройств.

МПЛИ весит в семь раз меньше своего 70-килограммового предшественника. Изменились и размеры устройства: теперь оно заключено в металлический корпус размерами 20х20х20 см. Именно такие инклинометры недавно были установлены в павильоне MPD, и именно из этого типа ПЛИ будет создана их сеть по периметру коллайдера NICA. Ученые подчеркнули, что 10 инклинометров именно этого типа планируется разместить по периметру коллайдера NIСA, чтобы получить полную картину влияния индустриальных шумов и наметить действия по стабилизации светимости коллайдера в зоне расположения детекторов MPD и SPD.

«MPD – это центральная точка ускорителя NICA, точка пересечения будущих пучков, — сказал Михаил Ляблин, — и собранные здесь данные чрезвычайно важны для анализа и оценки ситуации с колебаниями коллайдера».

Пять ПЛИ первой, крупногабаритной версии в настоящее время уже служат на благо науки — они были установлены в ЦЕРН на экспериментах CMS и ALICE.

К. Поляков и М. В. Ляблин за монтажом МПЛИ в павильоне MPD

«Прибор обладает уникальной чувствительностью, — отмечает Владимир Глаголев. – Он способен регистрировать даже мельчайшие колебания от шагов человека. Иллюстрацией чувствительности ПЛИ также служит тот факт, что инклинометры в ЦЕРН регистрировали кратковременную просадку светимости, вызванную землетрясениями, произошедшими в Латинской Америке».

Сама идея стабилизации коллайдерных установок от воздействия сейсмологических колебаний важна, так как при отсутствии колебаний пучков заряженных частиц в коллайдерах относительно друг друга возможно уменьшить диаметр пучков частиц и соответственно увеличить светимость коллайдера. Например, в рамках программы HL-LHC ученые планируют в десять раз повысить светимость Большого адронного коллайдера. Для этого требуется переоборудовать весь ускоритель. Однако, гипотетически есть и другой способ: можно стабилизировать пучки, уменьшить их диаметр и эффективно повысить светимость коллайдера.

Весьма значительное применение лазерные инклинометры находят в интерферометрических гравитационных антеннах (ИГА). Так, уже установлены ПЛИ в экспериментальном зале Северного Зеркала ИГА VIRGO для уменьшения влияния колебаний подвеса зеркал. Важно отметить, что разработка малогабаритных ПЛИ началась по запросу ученых, работающих на VIRGO.

Область применений прецизионных лазерных инклинометров не ограничивается задачами фундаментальных исследований. Так, ПЛИ способны помочь в прогнозе землетрясений. Напомним, что учеными ЛЯП ОИЯИ уже были установлены два ПЛИ в Гарнийской геофизической обсерватории (Армения).

Михаил Ляблин пояснил, что базовая идея сейсмических прогнозов с использованием МПЛИ основана на их способности работать в течение долгого времени. «За длительный период, речь идет о годе и более, наблюдения за той или иной территорией можно отслеживать изменения ландшафта, которые позволят определять зоны накопления сейсмической энергии, т.е. зоны предстоящих землетрясений. Эта информация крайне важна для планирования гражданского строительства в сейсмоопасном районе. В зоне накопления сейсмической энергии непосредственно перед землетрясением происходит множество подземных толчков — предвестников землетрясения, наблюдение за которыми позволяет оценивать ситуацию и предупреждать людей об опасности», — сказал он.

По словам ученых ЛЯП ОИЯИ, МПЛИ находятся на переднем крае сейсмологических исследований. В настоящее время для проведения совместных исследований в этой области заключается договор между ОИЯИ, Камчатским филиалом Федерального исследовательского центра «Единая геофизическая служба РАН» (КФ ФИЦ ЕГС РАН) и Камчатским государственным университетом им. Витуса Беринга (КамГУ им Витуса Беринга), для этой же цели планируется установка МПЛИ в Узбекистане.