Университет Канзаса получил финансирование Министерства энергетики США на создание детекторов нового поколения для Большого адронного коллайдера ЦЕРН

Проект по разработке детектора частиц, возглавляемый Университетом Канзаса, недавно получил финансирование в рамках программы Министерства энергетики США «Установленная программа стимулирования конкурентных исследований» (DOE EPSCoR). Сумма финансирования составляет 1 миллион долларов США и будет направлена на проектирование и строительство двух высокосветимых нуль-градусных калориметров (HL-ZDC) для эксперимента CMS (компактный мюонный соленоид) на Большом адронном коллайдере (LHC) Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН).

Срок проекта — четыре года, его возглавляют профессор физики и астрономии Университета Канзаса Майкл Мюррей и выдающийся профессор Университета Канзаса Кристоф Ройон. При этом Мюррей также является руководителем проекта модернизации высокосветимого нуль-градусного калориметра CMS. Постдокторант Университета Канзаса Георгиос Кринтирас примет участие в разработке программного обеспечения для реконструкции данных детектора.

Согласно плану, два детектора HL-ZDC будут изготовлены и собраны в механической прототипной лаборатории Университета Канзаса, после чего будут доставлены в Национальную ускорительную лабораторию Ферми для испытаний с использованием высокоэнергетических пучков частиц. После завершения испытаний детекторы будут отправлены в ЦЕРН и интегрированы в калориметрическую систему CMS для исследований физики тяжёлых ионов на этапе высокосветимого Большого адронного коллайдера. Первый сбор данных по тяжёлым ионам на этом этапе в настоящее время планируется начать в середине 2030-х годов.

Взаимодействие детектора HL-ZDC с пучком частиц. Изображение предоставлено Георгиосом Кринтирасом

Нуль-градусные калориметры устанавливаются по обе стороны линии пучка частиц CMS и主要用于探测沿束线方向逸出的高能中子和光子. Основное их назначение — регистрация высокоэнергетических нейтронов и фотонов, вылетающих вдоль направления пучка. На основе этих измерений физики могут реконструировать тип столкновения. Например, при столкновениях ядер свинца количество и пространственное распределение нейтронов, движущихся в прямом направлении, помогают определить, было ли столкновение ядер почти лобовым или произошло по касательной. Такая информация имеет важное значение для изучения кварк-глюонной плазмы — состояния вещества при экстремально высокой температуре, которое, как считается, существовало в первые миллионные доли секунды после рождения Вселенной. Кроме того, эти данные помогают идентифицировать сверхпериферические столкновения — процессы, при которых ядра взаимодействуют через сильные электромагнитные поля.

Лаборатория физики частиц Университета Канзаса ранее построила традиционные нуль-градусные калориметры, использовавшиеся в эксперименте CMS, и поддерживала исследования тяжёлых ионов на первых трёх этапах работы Большого адронного коллайдера. С наступлением этапа высокосветимого Большого адронного коллайдера условия эксперимента станут более жёсткими: более высокий уровень радиации, более короткие интервалы между столкновениями и меньшее доступное пространство для детекторов. Поэтому новое поколение HL-ZDC должно обладать более компактной конструкцией, более быстрым временем отклика и повышенной радиационной стойкостью.

Представители проекта отметили, что данное финансирование также обеспечит студентам Университета Канзаса возможность пройти полный цикл научно-исследовательской подготовки — от изготовления детекторов и испытаний на пучке до имитационного анализа и разработки программного обеспечения. Студенты и исследователи будут сотрудничать со специалистами Fermilab и пройдут соответствующее обучение через Центр физики Большого адронного коллайдера при Fermilab, чтобы подготовиться к сбору и анализу данных после начала работы высокосветимого Большого адронного коллайдера. Этот проект также укрепит сотрудничество между Университетом Канзаса и Fermilab в области технологий детекторов для ядерной физики и физики частиц.