Создание первой очереди центральной трековой системы установки BM@N

Публикации, 13 октября 2020

Второй премией ОИЯИ за 2019 г. в номинации «Научно-методические и научно-технические работы» был награжден коллектив авторов в составе А. В. Галаванов, С. Е. Васильев, Е. М. Кулиш, М. Н. Капишин, А. М. Маканькин, А. И. Максимчук, С. В. Хабаров за цикл работ «Создание первой очереди центральной трековой системы установки BM@N».

Исследование свойств ядерной материи в экстремальных условиях — одно из наиболее интенсивно развивающихся направлений современной физики. Эксперименты по столкновению тяжелых ионов, в которых создаются условия сверхвысоких температур и плотностей, интенсивно ведутся или планируются в различных мировых научных центрах. На изучение ядро-ядерных (вплоть до «золото-золото») столкновений при больших плотностях направлен и эксперимент BM@N (Барионная материя на Нуклотроне) – первый эксперимент, который начал свою работу на ускорительном комплексе NICA-Nuclotron. Целью эксперимента является изучение взаимодействия пучков релятивистских тяжелых ионов с фиксированными мишенями. В центре внимания экспериментальных исследований находятся адроны со странностью, которые рождаются в столкновении и не присутствуют в исходном состоянии двух сталкивающихся ядер. Диапазон энергий пучка тяжелых ионов Нуклотрона соответствует √sNN=2.3÷3.5 ГэВ. Такие энергии хорошо подходят для изучения странных мезонов и мульти-странных гиперонов, которые рождаются в ядро-ядерных столкновениях близко к кинематическому порогу, а также близки к энергиям, где, согласно предсказаниям тепловой модели, максимальна вероятность рождения гиперядер.

Рис. 1-2. Интеграция GEM детекторов в состав экспериментальной установки BM@N

Эксперимент BM@N сочетает в себе измерение параметров треков с высокой точностью с времяпролетной информацией для идентификации частиц. Значение магнитного поля анализирующего магнита может быть изменено до максимальной величины 1Т, что позволяет оптимизировать геометрическую эффективность и импульсное разрешение для различных реакций и энергий пучка. Первые физические данные были зарегистрированы установкой на пучке углерода в 2017 году. После запуска источника тяжелых ионов «Крион» в феврале-марте 2018 года релятивистские пучки ионов аргона и криптона были впервые выведены на установку BM@N. В ходе эксперимента было зарегистрировано около 130 миллионов событий, анализ которых позволит получить информацию о продуктах взаимодействия пучков ионов «средней» тяжести с различными мишенями (углерод, алюминий, медь, олово, свинец).

Широко-апертурная центральная трековая система экспериментальной установки BM@N расположена за мишенью внутри анализирующего магнита. Импульс заряженных частиц – продуктов взаимодействия пучка и мишени — измеряется по кривизне их траектории в магнитном поле. Высокая интенсивность взаимодействий и большая множественность заряженных частиц в каждом событии обуславливают повышенные требования к детекторам: высокое пространственное и временное разрешение, способность работать при загрузках до 106 ионов/с и возможность стабильного функционирования в сильных магнитных полях. Именно по этой причине впервые в ОИЯИ в качестве главного трекового детектора были выбраны многослойные GEM (Gas Electron Multipliers). Для того чтобы достичь максимально возможного аксептанса в пределах размеров апертуры анализирующего магнита установки BM@N, коллективом авторов были разработаны и собраны GEM детекторы с активной областью 1630×450 мм2, которые в настоящее время являются самыми большими GEM детекторами в мире.

Каждый детектор состоит из катодной плоскости, трех газовых электронных умножителей (ГЭУ/GEM) и анодной считывающей плоскости. Используемый ГЭУ представляет собой тонкую диэлектрическую каптоновую пленку толщиной 50 мкм, покрытую с обеих сторон медью толщиной 5 мкм, с регулярной структурой отверстий диаметром 70 мкм и шагом 140 мкм.

Для эксперимента BM@N были выбраны детекторы с тремя пленками (трехслойные GEM-детекторы) со следующей геометрией газовых зазоров: дрейфовый зазор 3 мм, первый трансферный зазор 2,5 мм, второй трансферный зазор 2 мм и индукционный зазор 1,5 мм. Такая конструкция позволяет достичь стабильной работы при величине газового усиления до 105.

Рис. 3. Процесс сборки GEM детектора

Работы по созданию центральной трековой системы эксперимента BM@N были начаты в 2014 году. В течение ряда лет коллективом авторов был проделан большой объем работ по моделированию, разработке, сборке, исследованию характеристик GEM детекторов и считывающей электроники. Площадь активной области первой очереди трековой системы составляет 5 м2, а для сбора информации необходимо 45000 каналов считывающей электроники.

Первая очередь центральной трековой системы была успешно интегрирована в состав экспериментальной установки BM@N и прошла проверку во время сеансов облучения выведенными пучками ионов дейтерия, углерода, аргона и криптона. Работа трековой системы позволила восстановить сигналы распадов гиперонов, рожденных при взаимодействии пучков Нуклотрона с фиксированными мишенями.

Список публикаций:

  1. D. Baranov, S. Bazylev, M. Kapishin, K. Kapusniak, V. Karjavine, S. Khabarov, A. Kolesnikov, E. Kulish, V. Lenivenko, A. Makankin, A. Maksymchuk, B. Mehl, R. De Oliveira, V. Palchik, A. Rodriguez, I. Rufanov, A. Shutov, I. Slepnev, V. Slepnev and S. Vasiliev, «GEM tracking system of the BM@N experiment». International Conference on Instrumentation for Colliding Beam Physics (INSTR17) proceeding. Journal of Instrumentation, Volume 12, ISSN:1748-0221, June 2017.
  2. S. Bazylev, M. Kapishin, K. Kapusniak, V. Karjavine, S. Khabarov, A. Kolesnikov, E. Kulish, V. Lenivenko, A. Makankin, A. Maksymchuk, B. Mehl, R. De Oliveira, V. Palchik, G. Pokatashkin, A. Rodriguez, I. Rufanov, A. Shutov, I. Slepnev, V. Slepnev, S. Vasiliev and A. Zinchenko, «Triple GEM tracking detectors for the BM@N experiment». The 3rd International Conference on Particle Physics and Astrophysics (ICCPA 2017) proceeding. Knowledge E, KnE Energy & Physics, ISSN: 2413-5453, p. 268-274.
  3. S. Bazylev, M. Kapishin, K. Kapusniak, V. Karjavine, S. Khabarov, A. Kolesnikov, E. Kulish, V. Lenivenko, A. Makankin, A. Maksymchuk, B. Mehl, R. De Oliveira, V. Palchik, G. Pokatashkin, A. Rodriguez, I. Rufanov, A. Shutov, I. Slepnev, V. Slepnev, S. Vasiliev and A. Zinchenko, «Study of the GEM detector performance in BM@N experiment». The XXI International Scientific Conference of Young Scientists and Specialists (AYSS-2017) proceeding. EPJ Web Conf., 177 (2018) 04004.
  4. M. Kapishin, V. Karjavine, E. Kulish, V. Lenivenko, A. Makankin, A. Maksymchuk, V. Palchik and S. Vasiliev, «GEM Detector Performance Assessment in the BM@N». International Conference «Mathematical Modeling and Computational Physics» (MMCP 2017) proceeding. EPJ Web of Conferences, 173(2018), 04007.
  5. Sergey Khabarov, Elena Kulish, Vasilisa Lenivenko, Alexander Makankin, Anna Maksymchuk , Vladimir Palichik , Maria Patsyuk , Sergey Vasiliev , Aleksander Vishnevskij, Nikolay Voytishin, «First glance at the tracking detectors data collected in the first BM@N SRC run». The XXII International Scientific Conference of Young Scientists and Specialists (AYSS-2018) proceeding. EPJ Web of Conferences 201, 04002 (2019).
  6. D. Baranov, M. Kapishin, E. Kulish, A. Maksymchuk, T. Mamontova, G. Pokatashkin, I. Rufanov, V. Vasendina, and A. Zinchenko, «First results from BM@N technical run with deuteron beam». Physics of Particles and Nuclei Letters, ISSN:1547-4771, eISSN:1531-8567, p. 148-156.
  7. A. Galavanov, M. Kapishin, K. Kapusniak, V. Karjavine, S. Khabarov, Y. Kirushin, A. Kolesnikov, E. Kulish, V. Lenivenko, A. Makankin, A. Maksymchuk, B. Mehl, R. De Oliveira, V. Plotnikov, G. Pokatashkin, A. Rodriguez, M. Rumyantcev, I. Rufanov, V. Sidorenko, S. Vasiliev, and A. Vishnevskiy, «GEM/CSC tracking system of the BM@N experiment at the Nuclotron». XXIVth International Baldin Seminar on High Energy Physics Problems proceeding. EPJ Web of Conferences, 204 (2019) 07009.
  8. A. Galavanov, M. Kapishin, V. Karjavine, S. Khabarov, Y. Kirushin, E. Kulish, N. Kuzmin, V. Lenivenko, A. Makankin, A. Maksymchuk, S. Piyadin, V. Plotnikov, G. Pokatashkin, M. Rumyantcev, I. Rufanov, V. Sidorenko, A. Vishnevskiy, and S. Vasiliev, «Study of the BM@N GEM/CSC Tracking System Performance», The XXIII International Scientific Conference of Young Scientists and Specialists (AYSS-2019) proceeding. AIP Publishing to be published.
  9. A. Galavanov, M. Kapishin, V. Karjavine, S. Khabarov, E. Kulish, V. Lenivenko, A. Makankin, A. Maksymchuk, G. Pokatashkin, I. Rufanov, S. Vasiliev, «Large area BM@N GEM detectors». The 6th International Conference on Micro Pattern Gaseous Detectors (MPGD19) proceeding. Journal of Physics: Conference Series (JPCS), to be published.
  10. Васильев С.Е., Галаванов А.В., Капишин М.Н., Каржавин В.Ю., Кулиш Е.М., Ленивенко В.В., Маканькин А.М., Максимчук А.И., Пиядин С.М. и Хабаров С.В., «Исследование характеристик GEM детекторов эксперимента BM@N», Письма в ЭЧАЯ, т.16, №6 (2019) ISSN:1814-5957, eISSN:1814-5973, Изд:ОИЯИ

Максимчук Анна, старший научный сотрудник ЛФВЭ