Аэрогель нового типа

Система идентификации частиц – важнейшая часть любого эксперимента в области физики высоких энергий. В результате электрон-позитронной аннигиляции (взаимного исчезновения) рождается множество похожих друг на друга частиц. Система идентификации позволяет понять, какие именно частицы родились – электроны, мюоны, пионы или каоны. В настоящий момент для универсального детектора на электрон-позитронном коллайдере Супер С-тау фабрика ведется разработка системы ФАРИЧ. Уникальность данной системы идентификации заключается в том, что она позволяет на рекордном уровне точности разделять самые близкие по массе частицы мюоны и пионы при импульсах в районе 1000 МэВ/с, но она не способна работать с этими же частицами в диапазоне импульсов менее 420 МэВ/с. В этом энергетическом диапазоне возможно наблюдение интересных явлений, поэтому крайне желательно найти способ охватить и его. Для этого специалисты Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) предложили модернизировать систему – за счет добавления в нее еще одного слоя аэрогеля, но с существенно более высоким показателем преломления. Такая возможность появилась благодаря новой разработке специалистов Института катализа им. Г. К. Борескова (ИК СО РАН): аэрогеля на основе оксида кремния (SiO2) с добавками оксида циркония (ZrО2).

Новый вид аэрогеля обладает хорошей оптической прозрачностью и высоким показателем преломления, что позволяет его использовать для регистрации частиц (мюонов и пионов) в необходимом энергетическом диапазоне.

Метод ФАРИЧ (детектор черенковских колец на основе фокусирующего аэрогеля) является перспективной детекторной технологией для идентификации частиц. Как и в обычном детекторе черенковских колец, заряженная частица, проходя через аэрогель, производит вспышку черенковского излучения, то есть образует фотоны. Они излучаются под определенным углом к направлению движения частицы, который зависит от её скорости. Зная координаты зарегистрированных фотонов, можно установить скорость частицы, что позволяет определить ее тип (массу). Благодаря сложной структуре аэрогелевого радиатора обеспечивается фокусировка излученного черенковского света на плоскости фотонного детектора, что позволяет существенно повысить точность восстановления скорости частицы, а соответственно достоверность определения ее массы.

«Порог излучения частиц в аэрогеле с показателем преломления 1.05, широко используемом в экспериментах по физике элементарных частиц, – пояснил старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН кандидат физико-математических наук Александр Барняков, – достаточно высокий. Мюоны и пионы начинают светиться при импульсе 400 МэВ/с, при этом во многих процессах в экспериментах на Супер С-Тау фабрике большая часть этих частиц может иметь импульс ниже этого значения. До 200 МэВ/с есть возможность разделять мюоны и пионы в трековой системе. А вот в диапазоне импульсов от 200 до 420 МэВ частицы не идентифицируется нашей системой – это слепая зона. Мы строим детектор в том числе и для поиска Новой физики, и для таких экспериментов важно знать как можно больше о частицах, которые попадают в детектор. Когда ты идешь в лес и не знаешь, что тебе попадется – грибы, шишка или заяц, то тебе надо взять и ружье, и мешок, и лукошко. Поэтому мы ищем способ решить проблему слепой зоны и рассматриваем вариант с модернизацией детектора за счет добавления в него слоя аэрогеля с добавкой оксида циркония».

При регистрации черенковского света от одной частицы нужно «увидеть» хотя бы 5-10 фотонов. Поскольку черенковского света всегда мало, химики вынуждены бороться за прозрачность материала. В аэрогелях, произведенных в ИК СО РАН, показатель прозрачности (длина Рэлеевского рассеяния на длине волны 400 нанометров) составляет более 40 мм. Это можно сравнить со стеклом, которое немного занесло изморозью. Еще одним важным параметром является показатель преломления – чем он выше, тем меньший импульс необходим частице, чтобы она начала излучать черенковский свет.

«Производство блоков силикатного аэрогеля (радиаторов череноковских детекторов) с показателем преломления выше 1,05 усложняется и даже ограничивается синтезом стабильных силикатных золей высокой концентрации, – пояснил научный сотрудник Института катализа им. Г. К. Борескова СО РАН кандидат химических наук Антон Шалыгин, – показатель преломления может быть увеличен путем введения оксида циркония в силикатный аэрогель. Это, в свою очередь, расширит диапазон идентификации частиц в сторону меньших импульсов. Мы около трех лет развиваем методику введения в аэрогель оксида циркония. Основная сложность заключается в том, что подходящие для синтеза реактивы, которые его содержат, – не стабильны в присутствии воды. Мы начали с синтеза образцов малого размера и показали, что можно получить блоки аэрогеля с добавками оксида циркония с приемлемыми оптическими свойствами для использования в черенковских детекторах. Сейчас мы работаем над увеличением размеров блоков аэрогеля. Возможно этот материал будет пригоден для высокотемпературной теплоизоляции в том числе в солнечной энергетике, поскольку температура плавления оксида циркония выше, чем у оксида кремния, при этом материал имеет высокую оптическую прозрачность».

Для решения проблемы исследования частиц в диапазоне энергий от 200 до 420 МэВ, специалисты ИЯФ СО РАН предложили концепцию детектора черенковских колец на основе двойного аэрогелевого радиатора.

«Он будет состоять из многослойного фокусирующего аэрогеля на основе оксида кремния и аэрогеля высокой оптической плотности с добавкой оксида циркония. Система идентификации частиц представляет из себя радиатор площадью 15 квадратных метров и толщиной примерно 45 миллиметров (вместе со слоем нового аэрогеля). Для проверки концепции мы сделали моделирование и провели эксперимент на установке «Выведенные пучки комплекса ВЭПП-4М». Мы показали, что такой детектор сможет обеспечивать надежное (с достоверностью лучше 3 стандартных отклонений) разделение пионов и мюонов в диапазоне импульсов, востребованном в эксперименте Супер С–Тау фабрика (от 200 до 1500 МэВ/с). Но чтобы эта концепция стала базовой опцией в программе разработки детектора для Супер С-Тау фабрики, необходимо серьезно проработать наше предложение, потому что эксперимент проходил в контролируемых условиях и идеальной искусственно созданной ситуации, а в реальной работе могут быть нюансы. Часть из них мы можем исследовать с помощью полного моделирования, а часть только при помощи испытания полномасштабного прототипа предложенного счетчика», – прокомментировал Александр Барняков.

Аэрогель – это твердый материал с рекордно низкой плотностью. Он состоит из очень маленьких частиц оксида кремния, которые соединены в хаотические цепочки, и образуют сеть мезопор. Основная его составляющая – до 99,8 % – воздух. Один кубический сантиметр аэрогеля на основе кремния может весить от 0,3 миллиграмм и способен выдержать нагрузку, в 4000 раз превышающую собственный вес. Этот материал обладает очень низкой теплопроводностью, благодаря чему выдерживает экстремально низкие и высокие температуры.

Блоки новосибирского аэрогеля используются в системе идентификации частиц детектора КЕДР на коллайдере ВЭПП-4М ИЯФ СО РАН, и в системе идентификации детектора СНД на коллайдере ВЭПП-2000 ИЯФ СО РАН. На основе блоков новосибирского аэрогеля изготовлены аэрогелевые черенковские детектороры на Большом адронном коллайдере (проект LHCb, ЦЕРН, Швейцария), он используется в проекте DIRAC в ЦЕРН (Швейцария), в проекте CLAS12 Национальной лаборатории Томаса Джефферсона (США), в детекторе АМS02 (Гренобль, международная космическая станция).

Пресс-служба ИЯФ СО РАН

Автор фото: Влада Трифонова.