Подготовка проекта международного нейтринного эксперимента Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) на базе ускорительного комплекса Национальной лаборатории им. Энрико Ферми (Фермилаб, США) началась уже давно. Важной вехой для всего проекта стала церемония начала строительства инфраструктуры дальнего детектора 21 июля 2017 года. Сегодня проект DUNE насчитывает более 1000 ученых из различных стран мира, и среди участников этой большой международной коллаборации — ученые из Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ). Запуск эксперимента DUNE планируется после 2025 года. 

О значении проекта DUNE для мировой науки, его задачах и этапах, а также об участии и роли в проекте группы ОИЯИ рассказывает один из ее руководителей, кандидат физико-математических наук, начальник Сектора методических исследований Научно-экспериментального отдела физики элементарных частиц (НЭОФЭЧ) ЛЯП ОИЯИ Николай Анфимов.

Почему нейтринная физика сегодня так важна?

Нейтрино — удивительная частица, которая может стать ключом ко многим загадкам природы. Например, подсказать, почему во Вселенной почти нет антиматерии. Помочь исследовать нейтронные звезды и черные дыры в далеком космосе. Проверить, совпадают ли свойства нейтрино и антинейтрино. Изучить иерархию масс трех состояний нейтрино. Именно такие научные цели ставят перед собой исследователи из коллаборации DUNE. 

DUNE принадлежит к числу экспериментов с ускорительными нейтрино. Искусственные источники нейтрино предоставляют ученым гораздо больше возможностей для исследования, поэтому эксперименты с реакторными и ускорительными нейтрино являются наиболее эффективными для изучения осцилляций (превращений) неуловимых частиц.

Почему сейчас, когда нейтринные осцилляции уже открыты, ученые продолжают их изучать? “Теперь мы пользуемся ими как хорошим инструментом для изучения параметров самих нейтрино, например для определения иерархии масс”, — отвечает Николай Анфимов.

Изучение осцилляций нейтрино является одним из приоритетных научных направлений Лаборатории ядерных проблем. Проекты в этой области объединены в Теме 1099 “Исследование нейтринных осцилляций” Проблемно-тематического плана ОИЯИ (ПТП). Эксперимент DUNE здесь представлен вместе с экспериментом NOvA и, по сути, является его продолжением. “NOvA достаточно успешный эксперимент, в котором группа ученых из ОИЯИ давно участвует с хорошим научным вкладом, — отмечает Николай Анфимов. — Он проводится в Фермилаб, одной из лучших мировых ускорительных лабораторий, сотрудничество с которой крайне важно и интересно”.

Как устроен эксперимент DUNE?

По своему устройству он похож на завершающийся проект NOvA. В чем же их сходство и отличие? Это нейтринные эксперименты с длинной базой, основой которых является источник частиц (ускоритель) и два детектора: ближний и дальний.

Источником частиц для NOvA является ускорительный комплекс лаборатории Фермилаб, и он же после завершения амбициозного проекта обновления PIP-II (Proton Improvement Plan II) будет работать в эксперименте DUNE — флагманском проекте лаборатории. Ускоритель будет сбрасывать пучок частиц на мишень, полученные вторичные частицы распадутся на нейтрино, которые, в свою очередь, отправятся на ближний детектор. Он будет расположен примерно в полукилометре от ускорителя глубоко под землей, что необходимо для защиты детектора от космических лучей. Задача ближнего детектора — определение потока нейтрино на выходе из мишени.

Далее пучку нейтрино предстоит путешествие до дальнего детектора прямо сквозь землю, без туннеля. В отличие от остальных частиц, нейтрино пролетят этот путь почти без взаимодействия с веществом Земли. Часть из них осциллирует, то есть превратится в нейтрино другого сорта, например из мюонных в электронные. Дальний детектор эксперимента зафиксирует изменения в составе пучка, что будет видно в данных при анализе.

По сравнению с NOvA модернизированный ускоритель даст более мощный пучок частиц, а расстояние между ближним и дальним детектором увеличится с 800 до 1300 км. Детекторы эксперимента будут спроектированы и построены с нуля. И располагаться они будут в новых местах. Дальний детектор NOvA располагается в штате Миннесота, недалеко от канадской границы, а детектор DUNE будет находиться в Южной Дакоте, в городе Лид.

Такое расположение детектора и увеличение интенсивности пучка позволят получить новые данные, а также повысить статистическую значимость результатов эксперимента. Например, значимость определения иерархии масс нейтрино будет не менее пяти стандартных отклонений для всех значений фазы, нарушающей пространственно-зарядовую четность (для сравнения: точность эксперимента JUNO, который также исследует иерархию масс, не более 4,2 сигм). 

“Это будет более прецизионный детектор по сравнению с детектором эксперимента NOvA, — рассказывает Николай Анфимов. — Кроме того, выбранное рабочее вещество — жидкий аргон — будет более плотным, чем минеральное масло со спектросмещающими добавками, которое используется в детекторе NOvA. Правда, работать придется при криогенных температурах и потребуется сложное криогенное оборудование”.

В составе ближнего детектора предполагается использование модульной времяпроекционной камеры, заполненной жидким аргоном, — ND-LAr TPC. 

TPC давно и успешно используются в экспериментах по физике частиц. Например, этот детектор будет “сердцем” установки MPD на коллайдере NICA (ОИЯИ). По существу, TPC является гибридом дрейфовой и пропорциональной камер и позволяет получать трехмерное изображение треков движения частиц через детектор. В жидком аргоне приходится работать без усиления, поэтому к считывающей заряд электронике (разработка США) предъявляются гораздо более серьезные требования.

Для расшифровки информации с такой камеры важно знать начальный момент времени взаимодействования, а в случае с нейтрино это, увы, невозможно. Какой же выход был предложен для TPC эксперимента DUNE? Николай Анфимов отвечает: “При взаимодействии частиц в жидком аргоне рождается не только заряд, но и сцинтилляционный свет. И вот эту световую вспышку можно использовать для фиксирования времени взаимодействия. Как ее зарегистрировать? Это свет с очень короткой длиной волны, примерно 127-128 нанометров. Он даже не проходит в воздушной среде, так как его поглощает кислород. Поэтому очень трудно сделать систему регистрации этой вспышки: нужны дополнительные методики, например использование веществ, которые могут поглотить этот свет и затем переизлучить его с другой длиной волны.
Но это не все трудности. Чтобы регистрировать такие световые потоки, обычно используют вакуумные или кремниевые фотоумножители. В данном эксперименте свет надо регистрировать вдоль сильного электрического поля, напряженность которого может достигать киловольт на сантиметр. Поэтому системы регистрации света должны быть сделаны из диэлектрических материалов как раз в той части камеры, где этот свет и распространяется. И ОИЯИ взялся такую систему сделать”. 

Объединенный институт ядерных исследований в коллаборации DUNE

“У нас давние дружеские отношения с Бернским университетом, — продолжает Николай Анфимов, — еще со времен создания и работы другого ускорительного нейтринного эксперимента — OPERA, где пучок нейтрино из ЦЕРН регистрировался на расстоянии 730 км в Лаборатории Гран-Сассо в Италии. Коллеги из Берна знали, что у нас есть хорошие компетенции в области создания детекторов. И, когда у них возникла необходимость создать систему считывания света в детекторе, они обратились в ОИЯИ. Ведь такая система требует огромного творческого и финансового ресурса: это проект масштаба национальной лаборатории или крупного института. У Бернского университета были собственные идеи конструкции такой системы, но мы решили развивать свою разработку считывания на основе волоконной оптики, основываясь на опыте эксперимента GERDA, который нам очень помог.

Мы воспользовались опытом коллег из Научно-экспериментального отдела ядерной спектроскопии и радиохимии (НЭОЯСиРХ) нашей Лаборатории, которые участвуют в эксперименте GERDA. Там был применен похожий метод регистрации света в жидком аргоне с использованием сдвигающего спектр вещества — тетрафенилбутадиена (TPB). Покрытие из TPB наносится на зеленые спектросмещающие волокна. Вакуумный ультрафиолет преобразуется в голубой свет, который может захватываться зелеными спектросмещающими волокнами и далее транспортироваться за область сильного электрического поля, где уже можно поставить стандартный кремниевый фотоумножитель — SiPM.

В GERDA нет электрического поля, но мы использовали идею наших коллег, адаптировав ее под наши задачи и условия”.

Светосчитвающие модули для жидкоаргоновой TPC ND-LAr. Слева: на этапе производства, сверху: дизайн-модель

На сегодняшний день готова опытная партия таких светосчитывающих модулей. В Бернском университете собран прототип времяпроекционной камеры со всеми необходимыми компонентами. В марте-апреле 2021 года Николай Анфимов и Александр Селюнин, младший научный сотрудник Сектора методических исследований НЭОФЭЧ, ездили в командировку в Берн для проведения тестовых испытаний камеры. Собранная установка показала прекрасные результаты. “Это большой успех, — делится впечатлениями Николай Анфимов. — Тем более, что обсуждение проекта шло удаленно из-за ковидных ограничений”.

Участие в эксперименте DUNE — важный опыт

Участие в эксперименте DUNE — уникальный опыт для сотрудников ЛЯП ОИЯИ. Часто коллективы научной коллаборации работают над какой-то отдельной частью установки или обособленным компонентом детекторной системы: stand-alone. “В данном же случае мы делаем проект совместно с американскими коллегами с очень высокой степенью интеграции, — говорит Николай Анфимов. — И надо очень тщательно координировать совместную работу, чтобы всё собралось и заработало корректно. Ведь помимо светосчитывающих модулей, мы делаем всю цепочку считывающей электроники, систему питания, систему Data Acquisition, программное обеспечение для управления всеми этими системами, включая АЦП. Отмечу, что АЦП, который мы используем, — разработка наших коллег из ЛФВЭ ОИЯИ”.

Успеху помог высочайший уровень организации работы. “Такой уровень подготовки я за свою карьеру вижу впервые: тут и оценка рисков, и возможных последствий. Пакет чертежей тщательно подготовлен, прописаны процедуры интеграции и установки, есть оценка объемов финансирования с учетом всех рисков. В команде есть группа специальных менеджеров, которые контролируют все процессы и следят, чтобы участники проекта постоянно обновляли реестр требований и рисков. Дополнительный плюс: если появляются новые члены команды, то при наличии проработанной и развернутой документации им легче влиться в проект. Такая проработка требует огромного количества времени: только онлайн-совещаний с американскими коллегами проходит три-четыре каждую неделю”.

Настоящее и будущее сотрудничества DUNE и ЛЯП ОИЯИ

В настоящее время в Бернском университете проводятся тесты прототипов  детекторов. “То, как в этих тестах работает детектор, это что-то фантастическое: прекрасно видно треки частиц, всё очень хорошо сшивается. Даже на космических лучах видно суперинтересную физику”.

Смотреть gif

Смотреть gif

Следующий этап — сделать четыре модуля, проверить их в Берне, а затем отвезти в Фермилаб, чтобы из этих модулей собрать матрицу 2 х 2. Это будет уже серьезный и мощный прототип будущего детектора, в котором потребуется около 400 элементов регистрации. Тесты в Фермилабе запланированы на следующий год, и работа идет семимильными шагами. 

Многоканальный источник питания для  SiPM сотрудники ЛЯП ОИЯИ разработали совместно с компанией “Марафон” (Москва). Источник получился превосходный, он будет также использоваться для работы SiPM в детекторе ТАО эксперимента JUNO. 

Программное обеспечение для проекта команда ЛЯП ОИЯИ делает самостоятельно: “ведь оно должно “разговаривать” с нашей электроникой”.

Для тестирования элементов детектора в 2019 году в ЛЯП установили криогенный стенд. Это позволяет на месте проводить часть испытаний и тестов.

Костяк команды DUNE в ЛЯП ОИЯИ — двенадцать человек, которые имеют прямое отношение к разработке детектора. “А есть еще разработчики, тестировщики, сборщики оборудования. Те, кто занимается компьютингом (Олег Самойлов (ЛЯП) и Никита Балашов (ЛИТ)), те, кто делает симуляцию детекторов (для ближнего детектора — Артем Чуканов), и другие. Руководитель проекта — Александр Григорьевич Ольшевский. И все работают не покладая рук, чтобы укладываться в намеченные сроки”.

Работу большого коллектива координирует Николай Анфимов.

“После завершения тестирования прототипов будем выходить на промышленное производство детекторов, — делится планами на будущее Николай Анфимов. — Мы очень рассчитываем на сотрудничество с отечественными компаниями, которым сможем передать наши разработки в серийное производство. Необходимо будет сделать партию в тысячи детекторов и восемь тысяч каналов электроники”.

Требований к будущему партнерскому производству очень много, в том числе по уровню квалификации персонала. Необходимо будет масштабировать нынешнюю версию детектора, так как прототип спроектирован в уменьшенном масштабе. Запустить массовое производство необходимо в следующем году.

“Приложенные колоссальные усилия привели к тому, что мы успешно прошли этап внутреннего рецензирования — Internal Review, и сейчас готовимся к этапу Preliminary Design Review. Он будет проводиться на уровне коллаборации в конце 2021 года. А в следующем году, когда мы сможем организовать массовое промышленное производство, перед полным запуском нас ждет Final Design Review. 

Мы присоединились к проекту в 2017 году на уровне разработки опытных образцов. Затем стало понятно, что мы готовы сделать хороший, масштабный детектор. Это требует огромного количества ресурсов даже на этапе прототипирования. И в мае прошлого года мы официально вступили в коллаборацию DUNE. Проект был успешно представлен на ПКК ОИЯИ и включен в Тему 1099 Проблемно-тематического плана Института до 2023 года как проект создания прототипа. Надеюсь, к 2023 году мы придем к созданию всей системы и в этом статусе наш проект в рамках ПТП будет продлеваться”.

Благодарим Николая Анфимова за подробный рассказ и желаем ему и всей команде успехов в работе!