Физики СПбГУ создали детектор очарованных частиц для ЦЕРН

Новый сверхчувствительный детектор, способный с высокой точностью определять траектории частиц, создали учёные Лаборатории физики сверхвысоких энергий Санкт-Петербургского государственного университета в сотрудничестве с коллегами из университетов Кракова (Польша) и Франкфурта (Германия).

Новый вершинный детектор призван фиксировать распады короткоживущих частиц, содержащих очарованный кварк (или c-кварк). Поясним, что речь идёт о кварк-глюонной плазме (КГП) - новом  сверхгорячем и сверхплотном агрегатном состоянии вещества. Предполагается, что именно в таком состоянии находилась наша Вселенная в первые микросекунды жизни, уточняется в пресс-релизе.

КГП — это своего рода жидкость из кварков и глюонов, незапертых в составные частицы (например, протоны и нейтроны), из которых состоит окружающая нас материя. Для изучения кварк-глюонной плазмы учёные разгоняют тяжёлые атомные ядра до световых скоростей на современных ускорителях и сталкивают между собой. Так как столкновения происходят при очень высокой энергии, её становится достаточно, чтобы "сплавить" протоны и нейтроны первоначальных ядер в одну кварк-глюонную каплю.

Создаваемая таким образом кварк-глюонная плазма крайне нестабильна: от момента создания до её распада проходит всего около 0,00000000000000000000001 секунды. В момент распада свободные кварки КГП объединяются в группы, образуя частицы, которые улавливаются детекторами.

В образовании КГП на эксперименте принимают участие не только кварки, изначально находящиеся внутри протонов и нейтронов, но и более тяжёлые виды этих частиц. Вообще процесс рождения новых кварков и аннигиляция старых происходит непрерывно до самого распада капли, однако тяжёлые виды рождаются в основном в самый первый момент столкновения, то есть до образования капли как таковой. Именно поэтому они представляют особый интерес для исследователей.

Изучение частиц, содержащих подобные первичные кварки, может служить своего рода "рентгеном" кварк-глюонной плазмы. Лучшим представителем семейства кварков для этой цели считается c-кварк. Он не содержится в обычной материи, как u- и d-кварки, достаточно тяжёл, чтобы практически не образовываться внутри самой капли, в отличие от s-кварка, и при этом достаточно лёгок, чтобы образовываться в первые моменты столкновения в необходимом для "рентгена" количестве. 

Поскольку такие частицы распадаются практически сразу после рождения, не пролетев и десятой доли миллиметра (что тем не менее в миллиарды раз больше размера образующихся капель КГП), их регистрация является серьёзной экспериментальной задачей. Для этого и создан новый детектор. 

Он представляет собой несколько плоскостей, образованных пластинами тончайших (50 микрон) матриц. Каждая матрица состоит из миниатюрных кремниевых чувствительных  ячеек — пикселей (1 пиксель — 0,018 миллиметра).

Рождённая частица, пролетая через пиксель, оставляет в нём сигнал. По получившимся точкам-пикселям восстанавливается траектория движения частицы, а по нескольким траекториям — положение точки их вылета (основная вершина). Наличие второй вершины, расположенной вблизи от основной, может свидетельствовать о распаде короткоживущей частицы.

"Мы ожидаем получить первые данные с нашего вершинного детектора к середине декабря, а затем в ЦЕРН наступит рождественское затишье, и мы проанализируем, что у нас получилось", — рассказал заведующий лабораторией Григорий Феофилов. Дальнейшая цель — создание детектора, который можно использовать в разных установках, не только в ЦЕРН, но и на коллайдере НИКА (Дубна, Подмосковье) и в других крупных научных центрах.

Напомним, что ранее специалисты ЦЕРН воссоздали первые секунды Вселенной.