Детектор ALICE

Детектор ALICE — это крупный детектор, построенный, в целом, по классической схеме детектора, но оптимизированный для изучения столкновений тяжелых ядер. Его размеры составляют 26 метров в длину и 16 на 16 метров в поперечной плоскости; полная масса детектора — 10 тысяч тонн.

Рис. 1. Общий вид детектора ALICE. Рис. с сайта public.web.cern.ch Столкновения тяжелых ядер имеют свою специфику. Во-первых, столкновения точно лоб в лоб происходят редко. Гораздо чаще случается нецентральное столкновение, при котором ядра как бы «задевают плечом» друг друга. Ядра при этом разделяются на две части: столкнувшиеся нуклоны остаются в центре, порождая на короткое время кварк-глюонную плазму, а не столкнувшиеся — просто пролетают мимо. Поэтому в каждом конкретном столкновении температура и плотность кварк-глюонной плазмы получаются разными.

Во-вторых, картина разлета кварк-глюонной плазмы очень непохожа на результат столкновения двух протонов. При расширении и остывании кварк-глюонной плазмы образуется очень много (десятки тысяч) частиц, но их энергии при этом получаются умеренно большими — порядка десятков ГэВ. Столкновения, в которых рождались бы очень высокоэнергетические частицы (с энергией порядка ТэВ), намного менее вероятны, чем при столкновении протонов.

Наконец, при изучении столкновения ядер возрастает роль хорошей идентификации частиц. Частицы, игравшие не очень заметную роль в столкновении протонов, теперь выходят на первый план, поскольку они позволяют заглянуть в самый центр кварк-глюонной плазмы.

Трековые детекторы

В самом центре детектора несколькими цилиндрическими слоями расположены трековые детекторы. Непосредственно снаружи вакуумной трубы расположен двухслойный вершинный пиксельный детектор, который позволяет восстановить траекторию с точностью лучше 50 микрон. За ними идут дрейфовая камера и полосковые детекторы, которые вместе с пиксельным детектором образуют «внутреннюю трековую систему» детектора ALICE.

Рис. 2. Устройство время-проекционной камеры детектора ALICE. Рис. с сайта aliceinfo.cern.ch Внутреннюю трековую систему охватывает особый трековый детектор — время-проекционная камера. Это огромная (88 м³) и практически пустая цилиндрическая камера, заполненная специальной газовой смесью (неон и углекислый газ), в которой создано однородное электрическое поле параллельно оси напряженностью 400 вольт/см (то есть разность потенциалов между катодом и анодом примерно составляет 100 киловольт!). Ровно посередине камеры находится катод, поэтому электрическое поле направлено от торцов к середине. Когда заряженные частицы пролетают через объем, они ионизирую газ на своем пути. Свободные электроны начинают дрейфовать к торцам цилиндра, при этом трехмерная форма траектории (а точнее, переплетенных друг с другом тысяч траекторий) остается неизменной. Достигнув торца цилиндра, электроны регистрируются считывающими камерами, которые определяют поперечные координаты сигнала и время его прихода (а значит, и продольную координату).

Идентификация частиц

Идентификация частиц осуществляется в детекторе ALICE комбинированным способом. Информация о том, какой именно частице отвечает тот или иной трек, извлекается из плотности ионизационного следа внутри время-проекционной камеры, а также по отклику двух специальных детекторов: детектора переходного излучения и времяпролетной камеры. Первый из них хорошо опознает электроны, а времяпролетная камера способна очень точно засечь время прохода частиц, а значит, и их скорость, что вместе со знанием импульса позволит вычислить массу частиц. Такая схема особенно хорошо работает для адронов (пионов, каонов и протонов) небольшой энергии, в районе нескольких ГэВ, которые как раз будут рождаться при разлете облачка кварк-глюонной плазмы.

Калориметрия

Внешние слои детектора состоят, как правило, из калориметров и мюонных систем. Детектор ALICE тут не исключение, однако калориметрия у него специфическая. Главным ее компонентом является фотонный спектрометр — электромагнитный калориметр, сделанный из 18 тысяч тяжелых сцинтилляционных кристаллов вольфрамата свинца. Его задача — аккуратно измерить энергию фотонов, поскольку именно фотоны служат прекрасным индикатором тех условий, которые сопровождают образование кварк-глюонной плазмы (маленького облачка материи с температурой порядка триллиона градусов).

Специфические детекторы для изучения столкновений ядер

Поскольку ядра далеко не всегда сталкиваются лоб в лоб, условия образования кварк-глюонной плазмы раз от разу меняются. Поэтому, в идеале, про каждое столкновение ядер требуется узнать, в какой степени оно было центральным, то есть сколько конкретно нуклонов при этом столкнулось.

Для выяснения этого в ALICE имеются специальные детекторы — ZDC (Zero Degree Calorimeters). Это адронные калориметры, которые установлены рядом с ускорительным кольцом на расстоянии 115 метров в обе стороны от основного детектора. Эти детекторы регистрируют протоны и нейтроны, вылетевшие в направлении прямо вперед, то есть под нулевым углом к оси столкновений. По измеренной суммарной энергии с этих детекторов можно вычислить, сколько нуклонов пролетело мимо, а значит, узнать, сколько нуклонов участвовало в столкновении.

Рис. 3. Кварцевые оптоволокна в процессе укладки в пазы латунной матрицы ZDC. Фото с сайта cdsweb.cern.ch Калориметры для ZDC выполнены по технологии «спагетти-калориметров». В них толстый блок вещества-поглотителя (вольфрам для нейтронов и латунь для протонов) пронизан многочисленными тонкими прозрачными кварцевыми волокнами, ориентированными примерно вдоль направления прилета частиц. Когда внутри калориметра развивается адронный ливень, то, проходя через кварц, частицы испускают черенковское излучение, которое бежит вдоль волокна и регистрируется на торце. По полной яркости собранного света можно восстановить суммарную энергию частиц, попавших в детектор.

Еще один компонент детектора, который будет играть важную роль при изучении ядерных столкновений, — это FMD (Forward Multiplicity Detector). Главной его задачей будет измерение количества частиц (multiplicity), вылетающих под небольшими углами к оси столкновения (от 0,75° до 21°, что отвечает области по быстроте от 1,7 до 5,1). Угловое распределение эти частиц и флуктуации их числа несут информацию о свойствах кварк-глюонной плазмы. Детектор FMD — это трековый детектор, состоящий из нескольких слоев полупроводниковых полосковых детекторов.

Мюонный детектор в ALICE тоже имеет особенное строение. Он называется димюонным спектрометром и оптимизирован для детектирования близких μ⁺μ^–-пар. Такие пары получаются при распаде так называемых «кваркониев» — тяжелых мезонов, состоящих из c- или b-кварка и его же антикварка. Кварконии удобны тем, что они могут вылетать из самых глубин кварк-глюонной плазмы, а значит, могут рассказать о свойствах ядерного вещества при максимальных доступных на LHC давлениях и температурах.

Рис. 4. Моделирование результата столкновения двух ядер свинца в детекторе ALICE. Изображение с сайта aliceinfo.cern.ch Изучение ядерных столкновений накладывает также особые требования и на компьютерные мощности, на обработку информации. В отличие от протон-протонных столкновений, ядерные столкновения будут происходить не так часто, однако в каждом событии будут рождаться десятки тысяч отдельных частиц, за которыми необходимо тщательно следить (см. рис. 4). Информационный объем каждого ядерного столкновения составляет под сотню мегабайт, а пропускная способность канала связи между детектором и компьютерным центром должна быть не менее 2,5 гигабайта в секунду (кто-то подсчитал, что это эквивалентно нескольким многотомникам «Энциклопедии Британника» в секунду).

Коллаборация

По состоянию на апрель 2008 года коллаборация ALICE насчитывала более 1000 ученых из 109 институтов 31 страны мира.

Дополнительная литература:

• ALICE — официальный сайт детектора.
• The ALICE experiment at the CERN LHC // Journal of Instrumentation, 3 S08002 (2008) — технический обзор эксперимента.