Эксперимент TOTEM

Устройство детектора

Рис. 1. Схема расположения различных детекторных модулей эксперимента TOTEM на участке ускорителя вблизи детектора CMS. Синим цветом показаны «телескопы», расположенные рядом с детектором CMS; красным — детекторы Roman Pots, находящиеся на удалении 147 и 220 метров от центра детектора CMS. Между отдельными детекторными модулями расположено еще множество элементов ускорителя, не показанных на схеме. Осторожно: схема не отражает реальные масштабы! Рис. И. Иванова

Эксперимент TOTEM будет проводиться не на одном детекторе, а на нескольких детекторных модулях небольшого размера, установленных в разных частях ускорителя. Аппаратура этого эксперимента состоит из:

пары трековых детекторов, называемых «телескопами» и расположенных близко к вакуумной трубе по бокам детектора CMS,
нескольких модулей детекторов Roman pots, расположенных на удалении 147 и 220 метров по обе стороны от центра детектора CMS.

Аппаратура эксперимента TOTEM технически объединена с аппаратурой детектора CMS, но тем не менее это независимый эксперимент. На первом этапе он будет работать в самостоятельном режиме, а затем — вместе с детектором CMS.

Рис. 2. Схема устройства внутреннего «телескопа» детектора TOTEM. Изображение из статьи Journal of Instrumentation, 3 S08007 (2008)

Два «телескопа» будут расположен на расстоянии 9 метров и 13,5 метров от центра детектора CMS. Более близкий детектор будет детектировать частицы, вылетающие под углом от 1° до 5° (которым соответствует область по быстроте от 3,1 до 4,7), а более далекий — под углом от 10' до 35' (область по быстроте от 5,3 до 6,5). Каждый их них является не сплошным, а «наборным», состоящим из нескольких секторов, расположенных в последовательных плоскостях (см. рис. 2). Технология, выбранная для этих детекторов (специальные тонкие газовые камеры), учитывает требования как к скорости регистрации, так и к огромной дозе радиации, которую эти детекторы поглотят.

Рис. 3. Пластина с полупроводниковым детектором вместе с front-end электроникой, снимающей показания этого детектора. На этой пластине, на обеих ее сторонах, смонтированы сразу два детектора. Фото из статьи Journal of Instrumentation, 3 S08007 (2008)

На рис. 3 приведена фотография одной пары полупроводниковых детекторов для Roman Pots вместе со считывающей электроникой. Каждый полупроводниковый детектор представляет собой квадрат, у которого срезан один угол. Именно срезанной кромкой эта пластина будет подводиться в непосредственную близость к пучку. Полупроводниковые детекторы были разработаны с таким расчетом, чтобы минимизировать нечувствительную зону на этой кромке (“edgeless”-технология).

Геометрия всей системы детекторов Roman Pots, при взгляде вдоль оси пучка, в состоянии их максимального сближения с пучком показана на рис. 4.

Рис. 4. Моделирование того, как близко детекторы Roman Pots будут пододвигаться к пучку. Три пятиугольные пластины показывают три детектора Roman Pots. Они расположены в разных местах в пространстве, но при взгляде вдоль пучка они частично перекрываются. Красным эллипсом показана опасная область, занятая пучком, в которую детекторы заходить не должны (более точно — 10σ-область пучка). Точками показаны упруго рассеявшиеся протоны. Изображение из статьи Journal of Instrumentation, 3 S08007 (2008)

Научная программа эксперимента

В названии эксперимента TOTEM включены слова “total” (полный) и “elastic” (упругий), поскольку главной его задачей будет измерение полного сечения столкновения двух протонов и сечения их упругого рассеяния на малые углы (упругим называется процесс столкновения частиц, при котором они просто отклоняются на небольшой угол, но не разрушаются и не порождают новых частиц). Кроме того, TOTEM, уже вместе с детектором CMS, будет изучать неупруго-дифракционное рассеяние протонов — то есть такой процесс, при котором один или оба протона от удара «разваливаются» на несколько адронов, но в целом продолжают лететь вперед.

Одновременно с этим эксперимент TOTEM измерит также и светимость столкновений в детекторе CMS. Напомним, что светимость — это инструментальная характеристика коллайдера, характеризующая, насколько часто протоны сталкиваются друг с другом. Светимость — это соотношение между частотой тех или иных событий (которая детектируется в эксперименте) и сечением процесса (которое вычисляют теоретики). Поэтому чем точнее известна светимость, тем надежнее можно сравнивать теорию с экспериментом. Ожидается, что на ранних стадиях работы коллайдера эксперимент TOTEM измерит светимость с точностью 5%, а затем, после изучения погрешностей и проведения специального сеанса работы, точность можно будет улучшить до 1%.

Необходимо подчеркнуть, что поставленные перед экспериментом TOTEM задачи очень специфичны и даже отчасти вступают в противоречие с остальной программой исследований на LHC. Подавляющее большинство задач, стоящих перед LHC, связаны с изучением очень редких процессов. Именно поэтому физики-ускорительщики прикладывают все усилия, чтобы увеличить светимость коллайдера. TOTEM же будет измерять процессы с очень большим сечением, которые происходят на много порядков чаще. Настолько часто, что при нормальной работе LHC они начнут накладываться друг на друга, так что их уже нельзя будет толком изучить. Поэтому измерить их можно только при низкой светимости коллайдера. Кроме того, отклонения протонов на очень малые углы можно заметить только тогда, когда угловое расхождение самого пучка после столкновения невелико, то есть когда пучки не слишком сильно фокусируются перед столкновениями.

В результате, все эти задачи можно будет решать только в особом режиме работы Большого адронного коллайдера, когда сталкивающиеся сгустки протонов специально разрежены и дефокусированы. Ясно, что сеансы работы в таком режиме будут короткими, чтобы не отнимать драгоценное «столкновительное время» у детектора CMS.

Стоит также объяснить, каким образом этот детектор будет измерять полное сечение. По определению, полное сечение рассеяния описывает вероятность столкновения двух протонов и превращения их во что угодно, в любой разрешенный законами сохранения набор частиц. Причем частицы эти могут разлетаться в произвольных направлениях, а не только вперед. Зарегистрировать эти частицы такой небольшой детектор, как TOTEM, разумеется, не сможет.

Однако в квантовой механике то же самое полное сечение абсолютно однозначно связано с вероятностью упругого рассеяния строго вперед. Эта связь называется оптической теоремой; она не опирается ни на какие теории устройства элементарных частиц, а выражает только тот элементарный факт, что вероятность двух протонов превратиться хоть во что-нибудь равна 100%. Эксперимент TOTEM сможет измерить амплитуду упругого рассеяния (за счет сильного взаимодействия) на нулевой угол и извлечь отсюда полное сечение рассеяния двух протонов.