Сибирские ученые впервые в мире создали многослойный аэрогель, который позволит с рекордной точностью измерять скорости элементарных частиц, например, в экспериментах на Большом адронном коллайдере, сообщил РИА Новости старший научный сотрудник Института ядерной физики имени Будкера СО РАН Евгений Кравченко.

Аэрогель – наименее плотный из всех твердых материалов. Он на 99,8% состоит из воздуха и на 0,2% – из наноразмерных волокон диоксида кремния. Оборудование с использованием аэрогеля работает как в ускорителях, так и в открытом космосе: на борту станции «Мир» аэрогель использовали для улавливания микрометеоритов, а американский зонд Stardust с его помощью «поймал» миллионы крошечных частиц из хвоста кометы Вильда (81P/Wild 2) и доставил эти образцы на Землю. В программе BESS, которая проводилась в 2004-м и 2007-м годах в Антарктиде международной коллаборацией под эгидой НАСА, оборудование с радиатором из аэрогеля поднимали на стратостате в верхние слои атмосферы, чтобы регистрировать заряженные частицы из космоса.

Рис. 1. Кремниевый фотоумножитель для
детектора частиц «чарм-тау фабрики».

«Когда заряженная частица – электрон, мюон, протон или ядро антивещества – проходит через аэрогель быстрее, чем скорость света в этом веществе, она производит в нем вспышку черенковского излучения, направленного под определенным углом от линии движения частицы. Направление излучения в сочетании с другими расчетными данными позволяет определить скорость частицы, на основании которого можно идентифицировать ее. Для проведения измерений за блоками аэрогеля установлена матрица из кремниевых фотоумножителей, а сами блоки играют роль радиатора, который излучает на эту матрицу фотоны. Чем больше фотонов, тем точнее информация», – пояснил Кравченко.

Заведующий группой аэрогелевых материалов Института катализа СО РАН Александр Данилюк объяснил, что

производство аэрогеля очень дорого обходится, а его потребителями, в основном, являются научные организации.

Поэтому массово его производят лишь две лаборатории в мире, которые смогли получить этот материал с лучшими оптическими параметрами – японская компания Matsushita и Институт катализа, лидирующий по прозрачности и размеру блоков аэрогеля. Технология производства многослойного аэрогеля – полностью сибирская разработка. Систему с его использованием назвали ФАРИЧ – фокусирующий аэрогелевый черенковский детектор частиц.

Каждый слой аэрогеля толщиной 5–7 миллиметров имеет свою плотность и показатель преломления света.

«Это нужно, чтобы все фотоны, рожденные от прошедшей сквозь аэрогель частицы, попадали в одну область на матрице кремниевого фотоумножителя и давали рекордную точность при измерении скорости, не увеличивая при этом ширину светового кольца, то есть не "размазывая» изображение по матрице", – пояснил Кравченко.

Он отметил, что при больших скоростях для определения типа частицы нужна очень высокая точность измерений. Например, если импульс мюона превышает 0,6 гигаэлектронвольт на скорость света в вакууме (ГэВ/с), то его нельзя отличить от пиона с помощью существовавших до сих пор методов.

«Многослойный аэрогель позволит "узнавать» частицы с импульсом до 1,6 ГэВ/с. Испуская фотоны в ту же область, каждый слой увеличивает точность измерений. Четыре слоя аэрогеля дают четырехкратное увеличение точности", – сказал ученый.

По словам Кравченко, детекторы ФАРИЧ предложены сотрудниками ИЯФ для проекта «супер чарм-тау фабрики» – это электрон-позитронный коллайдер, который позволит с высокой точностью измерять параметры частиц, рождающихся в области энергий от 1 до 2,5 ГэВ. В первую очередь, к ним относятся тау-лептон и «очарованный» (charm) кварк.

«Фабрика» вошла в число шести научных мегаустановок, которые получат поддержку государства при условии широкого международного участния.

Площадь аэрогелевого радиатора в нем составит 17 квадратных метров, а фотонного детектора – 21 квадратный метр, или миллион пикселей кремниевого фотоумножителя. Для сравнения масштабов: матрицы используемых сегодня фотоумножителей содержат десятки и сотни пикселей. Желание участвовать в создании супер чарм-тау фабрики в Новосибирске выразили такие крупные научные центры, как европейский ЦЕРН, японская лаборатория КЕК, итальянский Институт ядерной физики (INFN) и другие.

«Чтобы вывести такой поток информации, понадобится тысяча десятигигабитных оптических линков, а для ее обработки будет нужен мощный суперкомпьютерный центр, поэтому этот мегапроект даст мощный импульс развития технологий параллельного вычисления, передачи и хранения больших объемов данных и разработки узкоспециальных чипов и процессоров под наши задачи», – сказал Кравченко.

Вместе с группой физиков из Института ядерных исследований РАН (Москва) ИЯФ разработал проект системы ФАРИЧ для модернизации детектора ALICE на Большом адронном коллайдере в Европейской организации ядерных исследований (ЦЕРН). Эксперимент с четырехслойным аэрогелем в ЦЕРНе планируется провести в июне 2012 года.