Поощрительной премией ОИЯИ за 2020 год был награжден коллектив авторов в составе: Е. В. Васильева, П. В. Волков, Ю. В. Гусаков, Т. Л. Еник, И. А. Жуков, Г. Д. Кекелидзе, В. А. Крамаренко, В. М. Лысан, Д. В. Пешехонов, А. В. Солин за работу «Разработка и создание координатных детекторов на основе тонкостенных дрейфовых трубок для эксперимента NA-64 в ЦЕРН».

Газовые координатные детекторы уже много десятилетий являются основой трековых систем современных физических установок, но, несмотря на это, продолжают активно развиваться. В последние годы получили широкое распространение такие их модификации, как времяпроекционные детекторы (TPC) и детекторы с регистрирующими элементами суб-миллиметрового размера на основе газовых электронных умножителей (GEM и Micromegas). Интерес к этим детекторам связан с их способностью работать в условиях высоких загрузок, хорошей радиационной стойкостью и пространственным разрешением порядка 100 мкм. Классические дрейфовые камеры на основе металлических дрейфовых трубок. способные эффективно перекрывать большие площади, также переживают второе рождение с появлением технологии строу трубок, позволяющих использовать более гибкие конструкторские решения, обладающие невысокой стоимостью единицы чувствительной площади и обладающие таким важным достоинством, как малое количество вещества в активной зоне. Эти особенности строу трубок привели к их активному использованию в поисковых экспериментах по регистрации сверхредких распадов и поиску проявлений новой физики, где предъявляются особые требования к «прозрачности» и эффективности трековых систем.

В работе, представленной на конкурс Объединенного института ядерных исследований, описаны характеристики и свойства созданных в ОИЯИ трековых детекторов, изготовленных по технологии клееных строу трубок для эксперимента NA64 на выведенном пучке электронов SPS CERN.

Группой Лаборатории физики высоких энергий ОИЯИ были разработаны и изготовлены двухслойные строу камеры с рабочей зоной 20 х 20 см², 50 х 50 см² и 120 х 60 см². Каждая двухслойная камера состоит из двух раздельных плоскостей строу трубок, склеенных между собой со сдвигом на половину диаметра трубки. Строу трубки имеют внутренний диаметр 6 или 2мм, толщина стенки строу трубки составляет 62 мкм. Анодом служит позолоченная вольфрамовая проволока диаметром 20 (для 2 мм трубок), либо 30 мкм.

Руководитель научной группы к.ф.-м.н., начальник отделения №4 Физики на встречных пучках ЛФВЭ Дмитрий Владимирович Пешехонов

Учитывая требования эксперимента, была разработана оригинальная система подачи газа в рабочий объем камер с размером рабочей зоны 20 х 20 см² через боковые стенки строу, что позволило расположить считывающую электронику в непосредственной близости от анодов, существенно уменьшив паразитные индуктивно-емкостные связи. Для ее реализации использовался инновационный метод прожигания пленочных стенок строу трубок лазерным лучом, предложенный сотрудниками творческого коллектива.

Для работ на мюонном пучке проекта NA64 разработаны и изготовлены семь двухкоординатных камер размером 120 х 60 см². Для создания этих камер была предложена новая технология сборки камер, позволяющая исключить влияние влажности окружающей среды на механические свойства детекторов.

Впервые созданные камеры строу диаметром 2 мм в ходе лабораторных испытаний с помощью радиоактивных источников продемонстрировали возможность получения пространственного разрешения ~100 мкм и высокую эффективность (неэффективные зоны у анода и катода не превышают 100 мкм) при работе с избыточным давлением рабочей смеси в три атмосферы.

Считывание информации со всех представленных строу детекторов производится через 32-х канальные усилители, разработанные в Белорусском государственном университете. Далее информация анализируется время-цифровыми преобразователями, созданными в Мюнхенском университете.

Исследование характеристик строу камер проводилось на стендах, созданных в ОИЯИ, а также на пучке Н4 ускорителя SPS в ЦЕРН в ходе сеансов 2017-2018 гг. Станции со строу камерами диаметром 6 мм были включены в состав трековой части экспериментальной установки NA64 (Рис.1).

Рис. 1. Камеры строу-трубок в составе установки NA64 на канале Н4 ускорителя SPS CERN

Целью исследований на установке NA64 является поиск векторного бозона А’ (темный фотон), который может осуществлять связь между темным сектором и видимой материей. Вероятность рождения темного фотона чрезвычайно мала, поэтому в этом эксперименте предъявляются особые требования к чистоте первичного пучка, количеству вещества по оси пучка и к учету различных фоновых процессов. Важной частью обработки экспериментальной информации, позволяющей выполнить предъявляемые требования, является полная реконструкция событий, в том числе треков и кинематических параметров как первичного пучка так и вторичных частиц, рожденных на мишени установки с минимальными неопределенностями. Это определяет критерии выбора используемых трековых детекторов и требований к их характеристикам – малое содержание вещества, высокая эффективность и пространственно-временное разрешение, способность работать в условиях требуемых (высоких) загрузок.

Результаты сеансов показали, что строу камеры имеют существенное преимущество перед другими трековыми детекторами, используемыми в эксперименте NA64: Micromegas, GEM и сцинтилляционными счетчиками. В частности, высокое пространственное, временное разрешение и аксептанс строу камер позволили эффективно выделять и подавлять в процессе анализа фоновые взаимодействия, происходящие в веществе Micromegas и в вакуумной зоне между магнитом и электромагнитным калориметром установки. Это определило выбор строу в качестве основного детектора для анализа и подавления фона.

Дмитрий Пешехонов