РАЗРАБОТКА ДЕТЕКТОРНЫХ ПОДСИСТЕМ ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТА SPD НА КОЛЛАЙДЕРЕ NICA

Объектом исследований являются элементарные частицы и их свойства, особенности и закономерности формирования спина составных частиц, таких как легкие нуклоны (протон, дейтрон), методы регистрации и измерения параметров элементарных частиц в условиях экспериментов на встречных пучках. В ходе исследований также рассмотрены некоторые технические моменты и методические подходы в разработке и прототипировании ключевых детекторных систем для экспериментов на встречных пучках (pp ̅ и dd ̅) с энергией взаимодействия до 27 ГэВ в системе центра масс, при светимости 1032см-2с-1. Цель работы – проведение фундаментальных и ориентированных научных исследований с целью получения новых научных знаний, развития методов научных исследований, создания научного и научно-технического задела для развития и проведения фундаментальных исследований в области физики высоких энергий и, в частности, в эксперименте SPD (Spin Physics Detector) на коллайдере NICA (Nuclotron based Ion Collidung fAcility). В процессе работы проводились теоретические и экспериментальные исследования с использованием экспериментальных стендов и установок (установка «Выведенные пучки комплекса ВЭПП-4» и др.), входящих в состав уникальной научной установки «Комплекс ВЭПП-4». Важнейшим результатом полученным в 2024 году в рамках данного проекта является испытание прототипа детектора ФАРИЧ на релятивистских электронах, которое продемонстрировало возможность обеспечить надежное π/K–разделение в рабочей области импульсов эксперимента SPD (P≤5.5 ГэВ/c) при использовании в качестве фотонного детектора коммерчески доступных квадратных позиционно-чувствительных ФЭУ с МКП, как Китайского (NNVT), так и отечественного производства (ЗАО Экран ФЭП). В отчёте представлены результаты методических исследовательских работ и разработок 2024 года по теме «Разработка детекторных подсистем для эксперимента SPD на коллайдере NICA», часть из которых была выполнены на установке «Выведенные пучки комплекса ВЭПП-4М», относящийся к комплексу уникальных научных установок «Комплекс ВЭПП-4». Работы в 2024 году в основном были ориентированы на разработку специализированной системы идентификации частиц на основе аэрогелевых черенковских счетчиков, оптимизацию параметров системы при помощи моделирования, а так же прототипирование двух опций (АШИФ с КФЭУ и ФАРИЧ) с последующим испытанием этих прототипов с пучками релятивистских электронов. Так же в рамках проекта были проведены работы по разработке стенда для измерения основных оптических параметров и их неоднородности в аэрогелевых радиаторах черенковского излучения с большими геометрическими размерами (≥100х100х35 мм3). Данный стенд будет востребован при массовом производстве таких радиаторов для полномасштабной системы, так как предполагается, что характерный поперечный размер одного модуля радиатора будет порядка 200 мм. На этом этапе проекта была начата разработка портативного прототипа детектора черенковских колец с регистрацией полного черенковского кольца (≥80%). В первой версии прототипа считывание многоанодных фотоприемников планируется реализовать на основе имеющейся в ИЯФ СО РАН электроники разработки GSI (г. Дармштадт, Германия). Данный прототип необходим для проведения экспериментов и прямой демонстрации качества разделения частиц на смешанном адронном пучке вне ИЯФ СО РАН. Сегодня прорабатываются варианты испытаний этого прототипа в таких научных центрах, как ИФВЭ (г. Протвино, Россия), ОИЯИ (ОИЯИ, г. Дубна, Россия), CERN (г. Женева, Швейцария), HIAF (г. Хуэйчжоу, Китай). Данный прототип планируется запустит в эксплуатацию в 2025 году, когда появятся дополнительные позиционно-чувствительный ФЭУ на основе МКП китайского производства N6021 от фирмы NNVT и отечественного производства «Квадратный позиционно-чувствительный ФЭУ с МКП» от ЗАО Экран ФЭП. Именно, под эти две марки приборов и разрабатывается конструкция прототипа. На данный момент конструкция прототипа разработана, выпущены чертежи на детали, закуплены основные комплектующие, ведется производство деталей в мастерских ИЯФ СО РАН. В 2024 году на установке «Выведенные пучки на комплексе ВЭПП-4М» были проведены несколько сеансов испытаний прототипов аэрогелевых черенковских счетчиков с релятивистскими электронами. Были получены результаты испытаний прототипа ФАРИЧ с частичной регистрации черенковского кольца, которые находятся в хорошем согласии с результатами расчетов и при пересчете в терминах эффективности идентификации частиц демонстрируют надежное π/K–разделение до импульсов P≤6 ГэВ/c. Так же были проведены испытания прототипа порогового аэрогелевого черенковского счетчика построенного по схеме АШИФ (Аэрогель ШИфтер Фотоприемник) c Кремниевым ФЭУ (КФЭУ) в качестве фотонного детектора. Результаты находятся в стадии обработки и в начале 2025 года будут представлены на одном из научных мероприятий (конференции и рабочем совещании по проекту SPD – NICA). Концепция детектора черенковских колец на основе Фокусирующего Аэрогелевого радиатора (ФАРИЧ) была описана в пакете программ для моделирования эксперимента SPD. Полученные первые результаты моделирования системы в составе полномасштабной модели детектора находятся в хорошем согласии с результатами, так называемого, stand-alone моделирования в среде GEANT-4 и с результатами испытания прототипа на пучке релятивистских электронов с частичной регистрацией черенковского кольца. Пакет программ на данный момент доступен для генерации различных наборов данных с физическими генераторами для проведения различных анализов, как с целью реализации, так называемых, feasibility study, так и для последующей оптимизации параметров системы идентификации и, как следствие выработки детальных технических требований к ней, которые необходимо будет учесть в процессе разработки. В 2024 году в Нижегородском университете Лобачевского согласно техническому заданию, сформулированному в ИЯФ СО РАН, были разработаны и произведены несколько серий прецизионных датчиков Холла для измерения и долговременного мониторинга магнитных полей, как в детекторе SPD, так и в других элементах магнитной структуры ускорительного комплекса NICA. Особенным требованием к датчикам для мониторинга магнитного поля внутри универсального детектора является необходимость длительного (~1÷5 лет) функционирования в условиях эксперимента без замены и(или) перекалибровки. Поэтому разрабатываемые датчики Холла должны обладать минимально-возможным напряжением смещения, коэффициентом температурного дрейфа и радиационной стойкостью. Основные характеристики датчиков Холла из первых партий Нижегородского производства были измерены, в дальнейшем планируется провести ряд испытаний, включая тесты на радиационную стойкость, и оптимизацию технологии производства в зависимости от полученных результатов. Один из основных элементов любого детектора черенковских колец является позиционно-чувствительный фотонный детектор. Для системы ФАРИЧ эксперимента SPD в качестве базовой опцией такого детектора рассматривается многоанодный ФЭУ на основе микроканальных пластин (МКП) производства таких компаний как NNVT (Китай) и ЗАО Экран ФЭП (Россия), а в качестве дополнительной опции также рассматриваются матрицы КФЭУ от производителей KETEK (Германия), Hamamatsu (Япония), NDL и Joinbon (Китай). В рамках данного проекта был разработан стенд, позволяющий осуществлять точечную засветку разных областей фотоприемника с субмиллиметровой точностью и изучать не только параметры фотоприемника в точке, но и однородность этих параметров, как внутри одного прибора, так и проводить сравнительный анализ приборов между собой. Такой контроль параметров фотодетекторов и их однородности, как внутри прибора, так и внутри производственных партий должен положительно сказаться и на качестве системы идентификации в целом, и на технологических процессах производства фотоприемников, при условии тесного сотрудничества с производителями. Суммируя результаты проведённых исследовательских работ, которые опубликованы в 3 научных публикациях, и представлены на двух международных рабочих совещаниях коллаборации SPD (20-24 мая 2024г. в г.Алматы, Казахстан, и 5-8 ноябре 2024г. в ОИЯИ, г. Дубна, Россия) [1,2], а так же на Сессии-конференции Секции ядерной физики отделения физических наук РАН 1-5 апреля 2024г. в ОИЯИ (г. Дубна, Россия) можно сделать вывод, что государственное задание 2024 года по теме «Разработка детекторных подсистем для эксперимента SPD на коллайдере NICA» выполнено