SB RAS 核物理研究所的物理学家在超级 C-tau 工厂对撞机中创建了粒子运动模型

时间投影相机 A. Sokolov的 3D 模型

超级C-tau工厂是一个未来的正负电子对撞机，该项目由核物理研究所正在开发。特种兵Budkera SB RAS (BINP SB RAS)。该装置的科学计划包括研究含有粲夸克和τ轻子的粒子，以及寻找标准模型未描述的新物理效应。从概念上讲，该项目已经开发出来。如今，研究人员正在致力于各种实验过程的安装元件和建模的技术解决方案的详细开发。例如，对气体混合物中电子的行为(它们的速度、横向和纵向扩散)进行了建模，以用于内部跟踪系统——探测器的一部分，首先看到电子和正电子碰撞后产生的粒子。测量被检测粒子的飞行轨迹的质量取决于气体混合物的选择。

对撞机探测器的任务是恢复电子和正电子湮灭产生的粒子的图像，即记录碰撞产物并测量其参数。这种设备有很多子任务，所有这些子任务都必须高精度地解决，因此探测器由相互内置的各种系统组成，就像一个嵌套娃娃。内部跟踪系统或时间投影室是一个高 60 厘米、直径 40 厘米的小圆柱体，当颗粒到达探测器时，它首先被激活。

俄罗斯科学院核物理研究所高级研究员、该学院宇宙学和基本粒子物理实验室高级研究员解释说：“在充满特殊气体混合物的时间投影室中，使用电极产生均匀电场。”新西伯利亚州立大学物理学博士，物理和数学科学候选人安德烈·索科洛夫。 – 带电粒子飞过腔室，以电离气体原子的形式在气体混合物中留下痕迹或轨迹。离子在一个方向上缓慢漂移，而电子在另一个方向上快速漂移。我们对电子感兴趣。当它们到达腔室末端时，微结构气体探测器会在该区域检测到它们，该探测器能够每 100 纳秒记录一次单电子脉冲。这些高度敏感的设备是在 BINP SB RAS 的 3 号实验室在物理和数学科学博士 Lev Isaevich Shekhtman 的指导下制造的。如果我们能够高精度地测量漂移速度，那么我们就可以计算出粒子到达的位置。气体混合物是该系统的关键要素。粒子漂移速度取决于它，对于不同的混合物，其可能相差十倍。空间分辨率，即我们测量粒子轨迹的精确程度，也取决于它。”

在对跟踪系统进行原型设计之前，专家们进行了建模，即计算了各种气体混合物的参数，以确定最佳的一种。这些计算是由从印度来到新西伯利亚的 NSU 研究生 Vijayanand Kuttikattu Vadakeppattu 进行的。此次合作是在俄罗斯大学教育、科学和创新领域发展5-100计划的框架内进行的。该计划的方向之一是吸引外国学生和研究生到新国立大学学习。

“我们研究的主要目标是选择一种合适的气体混合物，用作时间投影室中电子漂移的介质，并减少其中的离子回流，”研究生 Vijayanand Vadakeppattu 评论道。 – 选择气体混合物没有具体规则，但主要取决于传输特性，即电子的横向和纵向扩散及其漂移速度。我们对各种气体混合物进行了详细的模拟研究以评估这些参数。选择氩气和氖气作为主要气体。我们的研究表明，尽管氖混合物中的电子扩散和反向离子流较少，但它们的漂移速度也较小。低漂移速度增加了轨道重叠的风险，这使它们的重建变得非常复杂。因此，我们决定使用氩基气体混合物，并继续研究其分辨率。”

物理学家对超过25种氩气混合物进行了模拟研究，并选择了两种：一种含有50%四氟化碳，另一种含有40%四氟化碳和15%甲烷。研究表明，在跟踪系统中使用这些类型的混合物将有可能获得优于 200 微米的横向空间分辨率和大约 1% 的小反向离子通量 - Super C 实验所需的参数-tau工厂对撞机。

“为了确认建模过程中获得的结果，有必要测试时间投影相机的原型，该原型机目前正在 BINP 进行开发。此后，我们将彻底完成这一阶段的工作。”Vijayanand Vadakeppattu 补充道。

超级 C-tau 工厂是一个加速器综合体，旨在进行能量为 2 至 5 GeV 的电子-正电子束碰撞实验，其亮度前所未有，比当今世界在该能量范围内达到的水平高出两个数量级。新对撞机的概念基于一种增加光度的新方法——蟹腰法，由INFN(意大利国家核物理研究所)和SB RAS核物理研究所的专家提出和开发。该物理项目基于在罕见或标准模型禁止的粲粒子和 tau 轻子衰变中寻找新物理。类似的问题正在粒子物理领域最大的现代实验的帮助下得到解决，其中最著名的是 KEK 实验室(日本高能加速器研究组织)SuperKEKB 对撞机的 Belle II 实验和大型 LHCb 实验。欧洲核子研究中心(瑞士)的强子对撞机。

电子-正电子束碰撞加速器复合体示意图 - Super S-Tau 工厂