Співробітники Інституту ядерних досліджень (ІЯД) НАН України випробували нову радіаційно стійку систему RMS-R3 для моніторингу пучків і фону в модернізованому експерименті LHCb на Великому адронному колайдері.
 Логотип колаборації LHCb (джерело: uk.wikipedia.org) |
ІЯД НАН України – повноправний член міжнародної Колаборації LHCb (Large Hadron Collider beauty) в Європейській організації з ядерних досліджень (ЦЕРН, Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire, CERN), яка збудувала Великий адронний колайдер (ВАК, Large Hadron Collider, LHC), і належить до ініціаторів експерименту LHCb. Сьогодні членами колаборації LHCb є тринадцятеро співробітників Інституту. Очолює цю групу науковців завідувач відділу фізики високих енергій ІЯД НАН України член-кореспондент НАН України Валерій Пугач. Цьогоріч представляти Інститут в експерименті LHCb було відряджено аспірантів відділу фізики високих енергій – аспіранта 4-го року, заступника голови Ради молодих вчених (РМВ) ІЯД НАН України Василя Добішука й аспіранта 2-го року Сергія Чернишенка, які успішно навчаються та мають високий фаховий рівень (Василь Добішук, до того ж, є стипендіатом Президента України). Окрім навчання в аспірантурі, вони працюють провідними інженерами згаданого відділу.
Від моменту проєктування детекторного комплексу LHCb група брала участь у створенні Внутрішнього трекера на основі технології мікростріпових кремнієвих детекторів, а згодом, після старту вимірювань в експерименті LHCb — у його технічному обслуговуванні. За виключною відповідальністю ІЯД НАН України було розроблено та забезпечено функціонування системи радіаційного моніторингу (СРМ) цього трекера протягом усього часу виконання досліджень на Великому адронному колайдері (ВАК) у двох серіях вимірів (Run 1, Run 2) з 2009 по 2018 роки. З 2019 року здійснювалася модернізація системи радіаційного моніторингу RMS-R3, призначеної для постійного контролю умов зіткнення пучків та фону в експерименті LHCb протягом Run 3. Нещодавно систему RMS-R3 було включено в центральну систему зчитування LHCb та протестовано під час випробувань пілотних пучків ВАК. Окрім того, група бере активну участь в аналізі фізичних даних LHCb та дослідженнях у рамках робочої групи із фізики важких йонів та фізики режиму фіксованої мішені. Запропоноване і триває успішне розроблення нового режиму фіксованої мішені LHCb на основі унікальної технології ІЯД НАН України — металевих мікростріпів, рух яких у гало пучка ВАК здійснюється мікродвигунами за технологією MEMS (мікроелектронно-механічна система). Ці роботи підтримує Національний фонд досліджень України (НФДУ) – за ґрантом
№ 2020.02/0257 «Режим фіксованої твердотільної мішені в експерименті LHCb (CERN) і пошук екстремальних станів матерії в зіткненнях важких ядер на Великому адронному колайдері». Між іншим, з 9 листопада 2021 року в Києві на базі Музею науки триває міжнародна виставка ЦЕРН «Прискорюй науку», на якій можна поринути у захопливий світ фізики елементарних частинок і дізнатись, яке обладнання використовують під час досліджень у цій сфері. Завдяки виставці можна на власні очі побачити складові ВАК, не подорожуючи до Швейцарії та Франції.
Після повернення Василя Добішука і Сергія Чернишенка до України голова РМВ ІЯД НАН України, науковий співробітник відділу радіаційної фізики цього Інституту кандидат фізико-математичних наук Євген Малий поспілкувався з колегами, і Василь Добішук дав йому невелике ексклюзивне інтерв’ю для сайту НАН України.
 Науковці-ядерники: зліва направо – Василь Добішук, Євген Малий, Сергій Чернишенко |
* * *
– Від 2019 року і донині в ЦЕРН триває модернізація техніки ВАК, експериментальних установок і методик, тож наборів фізичних даних поки немає. ІЯД НАН України бере безпосередню участь у дослідженнях на детекторній установці LHCb, розміщеній на ВАК. У яких роботах нині задіяні співробітники відділу фізики високих енергій Інституту?
– Почну з того, що керівник наукової групи ІЯД НАН України в LHCb член-кореспондент НАН України Валерій Михайлович Пугач є одним з ініціаторів цього експерименту, а Інститут – офіційним членом колаборації LHCb з часу її створення. У рамках планового етапу модернізації детектора LHCb задля поліпшення характеристик експериментальної методики колаборація LHCb здійснює їх модернізацію (Upgrade I, 2019–2021 рр.) для виконання вимірів у серії майбутніх експериментів протягом 2022–2030 рр. Оновлюється більшість детекторних підсистем, зчитувальної електроніки та системи накопичення й обробки даних.
Оригінальний внесок ІЯД НАН України – розроблення та впровадження оновленої системи радіаційного моніторингу RMS-R3 для відстеження й вимірювання нових умов зіткнення пучків ВАК та індукованого машиною ВАК фону в експерименті LHCb. А цими новими умовами є збільшена в рази, порівняно з попередніми кампаніями набору даних, світність, тобто кількість колізій на один перетин пучків ВАК зросте до п’яти, а енергія зіткнень у системі центра мас налітальних протонів – до 14 ТеВ (!). Окрім цього, область світності додатково формуватиметься ще й за рахунок режиму фіксованої газової мішені (SMOG2), що функціонуватиме паралельно до колайдерного режиму. Ця експериментальна методика LHCb є унікальною, з погляду дослідження різних фізичних процесів у відносно простих системах «протон–протон» і значно складніших – «протон–ядро» або «ядро–ядро», одночасно виміряних на одній експериментальній базі [термін «ядро» вжито тут на позначення ядер хімічних елементів, важчих за ядро H-1, – Є.М.]. Є й деякі інші технічні новації, що створюватимуть цілком нове радіаційне середовище, характеристики якого необхідно всебічно контролювати й вимірювати. Це ті технічні виклики, без відповіді на які неможливо буде оцінювати ефективність роботи величезного детекторного комплексу LHCb.
Але це не єдині роботи, в котрих задіяні співробітники нашого відділу. Ще одним вагомим внеском у роботу колаборації є виконання аналізу фізичних даних, виміряних за Run 2. Співробітники відділу досліджують закономірності, спричинені впливом «холодної» ядерної речовини та кварково-глюонної плазми (QGP) у диференціальних перерізах генерації важких адронів при релятивістських ядерних зіткненнях. Ці роботи тривають у рамках діяльності робочої групи LHCb Ion and Fixed Target. Отримані результати регулярно публікуються у наукових журналах із квартилями високого рангу за співавторства наших співробітників.
 3D-вигляд модернізованого детекторного комплексу LHCb.Система RMS-R3, призначена для моніторингу та вимірювання умов зіткнення пучків ВАК і генерованого фону в експерименті LHCb, розміщується дуже близько біля області світності колайдерних пучків, яку оточує Вершинний детектор |
– Розкажіть, будь ласка, докладніше про організацію цієї роботи у ЦЕРН. Зокрема, про ту роботу, в якій Ви безпосередньо брали участь.
– Це роботи, пов’язані зі впровадженням оновленої системи радіаційного моніторингу RMS-R3. Введенню в дію системи RMS-R3 передувало копітке розроблення й узгодження технічного завдання, проєктування, конструювання і тестування нових прототипів детекторів, заміна, компонування та програмування зчитувальної мікроелектроніки тощо. У підсумку було виготовлено нові детекторні модулі на основі оригінальної радіаційно стійкої технології металевих фольгових детекторів та оновлено зчитувальний тракт. Специфікацію системи RMS-R3 розроблено у тісній співпраці з науковцями ЦЕРН і згідно з вимогами до систем моніторингу радіаційних умов створюваного пучками ВАК середовища поблизу точки взаємодії IP8. Підготовка до розгортання системи RMS-R3 здійснювалася за підтримки інженерно-технічного персоналу ЦЕРН та своєчасно, аби забезпечити онлайн-моніторинг уже під час тестування перших пучків ВАК у жовтні–листопаді 2021 року.
 Змонтована детекторна система RMS-R3, розміщена у номінальному положенні приблизно за 2 м від точки взаємодії IP8 експерименту LHCb.Для наочності праворуч унизу показано схему розміщення цих детекторних модулів (ЦЕРН, експериментальний зал LHCb, область перед Вершинним детектором, м. Ферне-Вольтер, Франція, 11 жовтня 2021 року) |
Під час відрядження до ЦЕРН – з 5 жовтня по 3 листопада 2021 року – ми підключили всі функціональні підсистеми (детектори, блоки зчитувальної електроніки, модулі живлення), налаштували зчитувальний тракт. Результатом роботи є включення системи RMS-R3 до центральної системи зчитування із виведенням сигналів із детекторів RMS-R3 на панель моніторингу “Beam and Background” у режимі реального часу й архівуванням даних до бази даних. Тепер, під’єднавшись до віддаленої машини ЦЕРН через Інтернет, можна моніторити й аналізувати первинні дані просто з робочого місця в Інституті або будь-де, де є підключення до мережі.
 Панорамне фото з центру управління експериментом LHCb (ЦЕРН, LHCb Control Centre, м. Ферне-Вольтер, Франція, 1 листопада 2021 року) |
– Я знаю, що це вже не перше Ваше відрядження до ЦЕРНу. Який новий досвід вдалось отримати цього разу?
– Кожне відрядження, крім виконання запланованої роботи, відзначається якимось новим досвідом роботи з людьми чи технікою. Цього разу новим був досвід чергування на пультовій експерименту LHCb під час тестування деяких його оновлених систем. Цікаво, що до нового старту ВАК, запланованого на 2022 рік, зіткнення пучків офіційно вирішили назвати «тертями». Загалом, чергування є добровільними і тривають по 8,5 годин у три зміни: ранню, післяобідню та нічну. За правилами, в цей час на пультовій обов’язковою є присутність двох осіб — керівника зміни та менеджера даних. Хоча на практиці там присутні експерти з підсистем, або ж із ними за потреби завжди можна зв’язатися. Перш ніж заступити на варту, потрібно було пройти відповідний тренінг, курси з безпеки, отримати персональний дозиметр тощо. На перший погляд, новачкові може здатися, що в центрі управління експериментом LHCb можна загубитися серед моніторів та екранів, і це правда. Щоб управляти величезним детекторним комплексом LHCb, треба бути підготовленим і досвідченим.
 Провідні інженери ІЯД НАН України Василь Добішук і Сергій Чернишенко виконують локальну перевірку підключених зчитувальних каналів системи RMS-R3 (ЦЕРН, експеримент LHCb, зал для електроніки та серверної ферми, м. Ферне-Вольтер, Франція, 21 жовтня 2021 року) |
– Як фінансується експеримент?
– На різних етапах проєкту фінансова підтримка надходила з різних джерел. Спочатку робота виконувалась у рамках діяльності в Міжнародній асоційованій лабораторії LIA IDEATE з частковою фінансовою підтримкою в рамках проєкту УНТЦ P9903 Українського науково-технологічного центру і цільової програми наукових досліджень НАН України «Фундаментальні дослідження з фізики високих енергій та ядерної фізики (міжнародна співпраця)».
Монтажні та пусконалагоджувальні роботи виконувалися за рахунок ґрантової підтримки Національного фонду досліджень України за проєктом 2020.02/0257 «Режим фіксованої твердотільної мішені в експерименті LHCb (CERN) і пошук екстремальних станів матерії в зіткненнях важких ядер на Великому адронному колайдері». У рамках цього проєкту з розроблення режиму фіксованої мішені (LHCb Upgrade II, Run 5) система RMS-R3 є прототипом елементу управління динамічним положенням мікромішені у гало пучка ВАК для забезпечення стабільної частоти ядерних колізій пучка ВАК та ядер мішені.
 Речник колаборації LHCb професор Кріс Паркс (сьомий зліва у першому ряду) та координатор LHCb зі введення детекторних систем в експлуатацію доктор Федеріко Алессіо (шостий зліва у першому ряду)разом із представниками різних субдетекторних систем під час пусконалагоджувальних робіт і тестування на пілотних пучках ВАК (ЦЕРН, центр управління експериментом LHCb, м. Ферне-Вольтер, Франція, 27 жовтня 2021 року) |
– Чи задоволені ви результатом своєї роботи?
– Так, ми успішно протестували роботу системи RMS-R3 під час тестових запусків ВАК. І це результат самовідданої праці та злагоджених дій співробітників Інституту й колег із ЦЕРН. Керівництво LHCb належно оцінило нашу розробку як некомерційний внесок Інституту до спільного фонду колаборації. Особливо відзначу важливість досвіду співпраці та відчуття приналежності до такої великої колаборації науковців, інженерів, аспірантів тощо, як LHCb. У цій великій команді однодумців ставлять амбітні цілі та не бояться їх перевершувати. І взагалі позитивні емоції переповнюють, коли експериментальна техніка працює, наче швейцарський годинник.
– Які можливості для співробітників ІЯД НАН України відкриває членство Інституту в колаборації LHCb?
– Можливості дуже широкі. По-перше, доступ до дослідницької експериментальної інфраструктури LHCb, баз фізичних даних LHCb, вебресурсів, обчислювальної ґрід-системи й онлайн-інфраструктури ЦЕРН. По-друге, проведення передових досліджень із вивчення фізики аромату, зокрема прецизійні вимірюванні фізики c- та b-кварків, в яких, імовірно, пояснять причину асиметричної еволюції Всесвіту; дослідження фізики, що виходить за межі ароматів (наприклад, електрослабка, екзотична фізика, квантова хромодинаміка тощо), та пошук процесів, не передбачених Стандартною моделлю; дослідження фізики важких йонів, де невтомно шукають новий стан матерії – кварк-глюонну плазму – та властивості взаємодій при високих температурах і густинах ядерної матерії. По-третє, величезна база знань: дослідницьких статей, технічних документів, (відео)презентацій, (відео)лекцій тощо. Усе це є невід’ємною складовою наукової роботи фізика-експериментатора чи фізика-теоретика. Ба більше, можна пропонувати власні методи дослідження чи розробки для реалізації в ЦЕРН.
За інформацією Інституту ядерних досліджень НАН України