на один нуклон.

Рис. 15.5. Энергетический спектр черенковского детектора D1 показывает надежное выделение сигналов от ядер антигелия .

    На рис. 15.5 показан спектр сигналов с черенковского счетчика D1. Гистограмма показывает спектр антидейтронов, полученный при калибровке установки частицами с единичным электрическим зарядом с импульсом регистрируемых частиц p = 13.3 ГэВ/с. Сплошная кривая соответствует распределению Пуассона. Пунктирная кривая показывает фон от отрицательно заряженных пионов. Кривая с максимумом при A_D1 – вычисленный спектр ядер антигелия . Прямоугольники показывают все 5 случаев зарегистрированный ядер антигелия . Приведенные данные свидетельствуют о надежности регистрации ядер антигелия.

Рис. 15.6. Зависимость выхода антипротонов , антидейтронов  и ядер антигелия  от массового числа А.

    На рис. 15.6 показана экспериментально измеренная зависимость выхода различных антиядер от их массы. По оси х отложена масса антиядра, отнесенная к массе антипротона. Точки показывают вероятности образования антипротона (), анти­дейтрона () и антигелия (). Прямая линия, проходящая через экспериментальные точки показывает, что вероятность образования антиядер уменьшается в 10⁴ раз при каждом увеличении массы антиядра по сравнению с массой антипротона на единицу.

Антитритий

    Ядра антитрития впервые были обнаружены на ускорителе ИФВЭ (Серпухов) в 1973 г. Группой физиков под руководством В. Рыкалина и В. Петрухина. Ядра  обнаружены на той же установке, что и ядра антигелия . Однако их наблюдение оказалось гораздо более сложной задачей, т.к. ядра  имеют единичный отрицательный заряд, совпадающий с фоном отрицательных частиц π^-, K^-, , . Поэтому в этих экспериментах основной упор был сделан на изучении отличия скорости пролета ядер антитрития от других частиц с единичным отрицательным зарядом. В результате эксперимента, длившегося несколько месяцев, было обнаружено 4 ядра антитрития.
    В 2011 г. ядра антитрития также наблюдались в эксперименте ALICE на LHC.

Установка, с помощью которой обнаружено новое ядро антивещества – ядро антитрития. Слева направо: В.И. Рыкалин, В.И. Петру хин

Антигелий  

    В марте 2011 г. появилось сообщение, что коллаборация STAR (Solenoidal Tracer At RHIC), в эксперименте со встречными пучками ядер .Auна .релятивистском. коллайдере. тяжёлых ионов. RHIC (Relativistic Heavy  Ion Collider.) зарегистрировала ядра антигелия .
    До начала ноября 2010 г., когда Большой адронный коллайдер LHC (Larger Hadron Collider.) перешёл в режим столкновений тяжёлых ионов Pb и энергия сталкивающихся ядер была увеличена до 1.4 ТэВ/нуклон, RHIC был наиболее высокоэнергичным коллайдером тяжёлых ионов в мире.
    Ускорение и ионизация ядер золота (Z = 49) в коллайдере RHIC осуществлялись в несколько этапов. В начале ионы золота Au (Z = 49), ионизированные до Q = +31, ускорялись в тандеме до энергии приблизительно 1 МэВ/нуклон. Затем ионы поступали в бустер и ускорялись до энергии 95 МэВ/нуклон, после чего они дополнительно ионизуются до Q = +77 и поступают в AGF (Alternating Gradient Facility – синхротрон с переменным градиентом). Ускоренные до 10.8 ГэВ/нуклон в AGF ионы полностью ионизуются (Q = +79) и поступают в два встречных кольца коллайдера RHIC. В конце ускорения в RHIC, энергия столкновения Au+Au.в с.ц.м. достигает 100 ГэВ/нуклон.
    Коллайдер RHIC имеет два кольца длиной 3.8 км. Пучки пересекаются в шести местах. В четырех из них находятся детекторы.

• STAR (Solenoidal Tracker At RHIC) − многоцелевой детектор, предназначенный для общего анализа событий, изучения корреляций частиц и их идентификации.
• PHENIX (Pioneering High Energy Nuclear Interaction eXperiment) − детектор для исследования редкихсобытий. Он более быстрый по сравнению с детектором STAR и, соответственно, у него меньшее мертвое время при больших загрузках.
• PHOBOS имел наибольший диапазон регистрации частиц по псевдобыстроте. Измерения на этом детекторе закончились в 2005 г.
• BRAHMS (Broad RAnge Hadron Magnetic Spectrometer) предназначен для измерения заряженных адронов в широком диапазоне псевдобыстрот и поперечных импульсов. Измерения на этом детекторе закончились в 2006 г.

    Один из основных детекторных комплексов RHIC – детектор STAR предназначен. для детектирования заряженных и нейтральных частиц, образующихся в результате столкновения релятивистских тяжелых ионов.
    Основной частью детекторного комплекса STAR является время-проекционная камера TPC(Time Projection Chamber). TPC является основным средством идентификации частиц с помощью измерения удельных .потерь.. Внутри .TPCнаходятся вершинный трекер SVT(Silicon VertexTracker) и стриповый детектор SSD (Silicon Strip Detector).
    Встречные пучки в центральную часть детектора STAR.направляются по вакуумному каналу (RHIC beam pipe), расположенному на центральной оси детектора RHIC. Образующиеся в результате столкновения ускоренных ионов частицы последовательно пролетают через несколько детекторных систем, расположенных внутри время-проекционной камеры.

.

Рис. 15.7. Ускорительный комплекс RHICи его детекторы. Ускорение ионов в ускорительном комплексе RHIC проходит в несколько этапов. Частично ионизованные ядра из источника ядер ускоряются в тандеме до энергии 1 МэВ/нуклон, затем ускоряются в бустере до энергии ≈ 100 МэВ/нуклон, затем полностью ионизованные и ускоренные до энергии ≈ 11 ГэВ/нуклон в синхротроне с переменным градиентом AGF поступают в два встречных кольца основного ускорителя RHIC. Энергия ускоренных ионов в коллайдере RHIC ≈ 100 ГэВ/нуклон. Пучки ускоренных ионов сталкиваются в 4 точках, в которых расположены 4 детектора − STAR, PHENIX, .PHOBOS, BRAHMS.

Рис. 15.8. Детектор STAR.

Рис. 15.9. Детектор STARв разрезе

Рис. 15.10. Схематическое расположение время-проекционной камеры (STAR TPC) и внешней системы времени пролёта TOFp tray относительно вакуумного канала пучка ускорителя RHIC (RHIC beam pipe).

Рис. 15.11. Время-проекционная камера TPC. С помощью системы градиентных колец между катодом и анодом формируется однородное электрическое поле.

TPC (Time Projection Chamber) показана на рис. 15.10 и 15.11.
    Время-проекционная камера TPC служит для построения . траекториии идентификации образующихся в результате столкновения частиц. TPC (длина 4.2 м, внешний диаметр 4 м, внутренний диаметр 1 м) расположена внутри тороидального магнита (до 0.5 Т) на расстоянии от 50 до 200 см от оси пучка. Объем TPC заполнен газовой смесью (10% метана, 90% аргона). В центре камеры находится катод (Central Membrane) под потенциалом 28 кВ. В камере создано однородное электрическое поле параллельно оси пучка сталкивающихся частиц.
    Время-проекционная камера это комбинация. дрейфовой и пропорциональной камер. .Когда заряженные частицы пролетают через объем, заполненный газовой смесью метана и аргона, они ионизирую газ, образуя ионизованные кластеры, в каждом из которых от 1 до 5 электронов..Трек релятивистской заряженной частицы, пересекающей объём время-проекционной камеры, состоит из цепочки. таких кластеров. Электронные кластеры начинают дрейфовать к торцам цилиндра, при этом трехмерная форма траектории остается неизменной. Достигнув торцов цилиндра, электроны регистрируются расположенными там многопроволочными пропорциональными камерами. Поперечные координаты фиксируются пропорциональными камерами. Продольная координата определяется по времени дрейфа цепочки кластеров.
    Внутри время-проекционной камеры находится несколько слоёв детекторов, позволяющих улучшить пространственное и энергетическое разрешение детектора STAR. Наиболее близко к оси пучка находится вершинный детектор SVT.

SVT (S.ilicon Vertex Tracker) показаннарис. 15.12.
    Вершинный детектор SVT находится внутри время-проекционной камеры. SVTсостоит из 216 кремний-дрейфовых детекторов, образующих три цилиндрических слоя с радиусами приблизительно 6.9 см, 10.8 см и 14.5 см вокруг ионопровода в области столкновения ускоренных релятивистских ядер. SVTслужит для прецизионного определения как первичной вершины взаимодействия, так и вторичной, при слабом распаде короткоживущих частиц. Пространственное разрешение детектора SVT составляет 20 мкм по каждой координате. Кроме того, SVT позволяет идентифицировать траектории частиц с небольшими импульсами, которые отклоняются магнитным полем и не попадают в TPC. Высокое энергетическое разрешение SVTпри измерении удельных потерь обеспечивает хорошую идентификацию частиц.

Рис. 15.12. Вершинный детектор SVT, состоящий из 216 кремниевых детекторов, образующих 3 цилиндрических слоя.

    Кремний-дрейфовый детектор SVT представляет собой твердотельный аналог время проекционной камеры SVT покрывает область по псевдобыстроте -1 ≤ η ≤ 1 и по азимутальному углу 0 ≤ φ ≤ 2π.

SSD (Silicon Strip Detector)  показан на рис. 15.13.
    Кремниевый стриповый детектор  SSD расположен на расстоянии 230 мм от оси пучка и образует четвертый слой внутренней детектирующей системы, покрывая диапазон псевдобыстрот |η| ≤ 1.2. Кремниевые пластинки с двусторонними стрипами (768 стрипов на каждой стороне) размещены на 20 держателях из углепластика, длиной 106 см, по 16 пластинок на каждом держателе.  SSD.позволяет улучшить точность определения точки взаимодействия и энергетических потерь заряженных частиц. Кроме того, позволяет согласовать параметры треков, полученные от SVT и  TPC и увеличить количество точек для восстановления трека. В частности это помогает увеличить эффективность детектирование долгоживу­щих метастабильных частиц. Пространственное разрешение  SSD лучше чем ≈ 30 мкм по R.и φ и ≈ 860 мкм по Z.

Рис. 15.13 .Кремниевый стриповый детектор SSD.

    Совместное разрешение систем SVTи SSD при определении удельных потерь ~7%. Для большинства треков разрешение по импульсам  δp/p = 0.02.
    Возможности идентификации частиц в детекторном комплексе STAR были расширены за счет установки сегментированной системы времени пролета  TOF (Time Of  Flight). Цилиндрический сегментированный детектор TOF окружает TPC. Все эти детекторы находятся в магнитном поле 0.5 Т.
    Система TOF показана на рис. 15.10.
    Идентификация частиц в системе TOF происходит с помощью информации о времени пролета, т.е. времени между возникновением события и .попаданиемчастицы в определенный сегмент системы TOF.
    В системе TOFетекторного комплекса STARспользуется многозазорные камеры с резистивными пластинами MRPC (Multigap Resistive Plate Chamber). Система содержит 3840 6‑канальных MRPC расположенных на 120 полосах. Каждая полоса покрывает около 0.9 единиц по псевдобыстроте и 1/60 по азимуту.
    Трековая информация от TPC позволяет определить импульс частицы и длину траектории от точки взаимодействия до точки регистрации. Таким образом, для каждого трека по длине траектории и времени ее пролета определяется скорость β. Зная импульс, можно определить массу частицы, что позволяет проводить идентификацию частиц в заметно большем диапазоне импульсов, чем только с одной время проекционной камерой.
    Кроме перечисленных детекторов в детекторном комплексе STAR используются и другие детекторы, в частности детекторы триггерной системы.

Рис. 15.14. Трехмерное изображение треков, в трековой системе, окруженной секционированной системой времени-пролета. Жирно выделен трек .

    В результате центральных столкновений ядер Au–Au образуется свыше 1000 первичных частиц. Кроме того, при взаимодействии первичных частиц с веществом детектора и распаде короткоживущих частиц дополнительно возникает большое число вторичных частиц. При каждом столкновении в детекторах получается гигантское количество информации. Однако не вся она представляет интерес. Более того, хранение всей этой информации невозможно из-за ограниченного объема памяти. Реализованная в STARтрехуровневая триггерная система служит для предварительного отбора «интересных» событий.
    Идентификация частиц проводится двумя способами.
    В первом способе используются данные по кривизне треков в магнитном поле и удельным потерям (dE/dx), полученным с помощью время-проекционной камеры TPC, вершинного трекера SVT и стрипового детектора .SSD.. Кривизна треков дает информацию о магнитной жесткости частицы p/|Z|. Удельные потери (dE/dx) пропорциональны массе частицы и обратно пропорциональны квадрату скорости (формула Бете-Блоха).

Рис. 15.15. Зависимость (dE/dx)от магнитной жесткости p/|Z|.

     На рис. 15.15 показана зависимость энергетических потерь различных частиц (dE/dx)от магнитной жесткостичастиц p/|Z| (positive.particles – правая часть рисунка) и античастиц (negative.particles – левая часть рисунка).
    Видно, что частицы (правая часть рисунка) ложатся на ожидаемые распределения жесткости, согласно формуле Бете-Блоха, что говорит о хорошей калибровке детектора. На левой части рис. 15.15 в области жесткости p/|Z| < 1.4 ГэВ/c, четыре события, которые можно ассоциировать с  хорошо отделены от . При жесткости большей 1.75 ГэВ/с распределения  и  сливаются. Для разделения событий в этой области импульсов частиц используется второй способ.Определяется время, необходимое частице для пролёта фиксированного расстояния, пропорциональное массе частицы и обратно пропорционально ее импульсу. Время пролета частиц фиксировалось с помощью ..сегментированной системы времени пролета . TOF с временным разрешением 95 пс, а длины треков – системой трековых детекторов TPC, SVT и SSD. В результате удалось разделить события  и  в области p/|Z| > 1.75 ГэВ/c. Совместное использование первого и второго методов идентификации позволило провести надёжную идентификацию в наборе из 0.5×10¹² треков, образующихся в результате 10⁹ столкновений Au+Au.

Рис. 15.16. Зависимость количества событий от массы детектируемых ядер (антиядер), определенная с помощью измерения времени пролета.

    На рис. 15.16 показана зависимость количества событий от массы частиц и античастиц, определенная с помощью измерения времени пролета. Видно, что группы с |Z| = 3 и |Z| = 4 хорошо разделены. Массы ³He() 2.81 ГэВ/с² и ⁴He() 3.73 ГэВ/с² показаны вертикальными линиями. Область масс 3.35–4.04 ГэВ/с² соответствует трём доверительным интервалам идентификации ядер антигелия  с массой 3.73 ГэВ/с².

Рис. 15.17. Зависимость вероятности образования ядер (антиядер) от барионного числа.

    Всего в детекторе STARбыло зарегистрировано 18 ядер , из них 16 в 2010 г. и 2 ядра в 2007 г. На рис. 15.17 показаны только события 2010 г., т.к. в 2007 г. система ТOFещё не функционировала.

С помощью полученных экспериментальных данных удалось оценить зависимость выхода ядер от барионного числа . Подтверждено, что выход антиядер уменьшается приблизительно в 10³–10⁴ раз с добавлением одного антинуклона, что находится в согласии с результатами, полученными в экспериментах на ускорителе Серпухова.

С 2010 г. на ускорителе LHC начались эксперименты по изучению кварк-глюонной плазмы в столкновениях тяжелых ионов свинца Pb. Для этих целей на LHC был построен специализированный детектор ALICE.

Рис. 15.18. Детектор ALICE.

    Основное предназначение детектора ALICE – исследование механизма столкновения тяжелых ядер. Несмотря на то, что детектор построен по классической для такого типа детекторов схеме, его структура максимально оптимизирована для наблюдения треков и идентификации частиц от относительно малых импульсов ~100 МэВ/с до 100 ГэВ/с, что позволяет идентифицировать короткоживущие частицы, такие как гипероны, В и D-мезоны. Согласно теоретическим оценкам, полученным на основе данных RHIC, при энергиях, достижимых на LHC, число заряженных частиц, образующихся в одном столкновении тяжелых ядер, может варьироваться от 2000 до 6000. Детектор сегментирован так, что сможет надёжно разделять до 8000 заряженных частиц, образующихся в одном столкновении. Размеры детектора: длина 26 м, размеры в поперечной плоскости 16×16 м².
    Схематическое устройство детектора показано на рис. 15.18. В центральной части детектора от точки столкновения ускоренных пучков к периферии детектора последовательно располагаются

• внутренняя трековая система, состоящая из 6 слоев кремниевых детекторов высокого разрешения – ITS (Inner Tracing System),
• основная трековая детектирующая система детектора время-проекционная камера TPC (Time Projection Chamber),
• детектор, регистрирующий переходное излучение для идентификации электронов TRD (Transition Radiation Detector),
• детектор идентификации частиц по времени пролёта TOF (Time Of Flight),
• система черенковских детекторов для идентификации частиц с большими импульсами HMPID (High-Momentum Particle Identification Detector),
• электромагнитный калориметр, состоящий из 18000 кристаллов из материала большой плотности вольфрамата свинца PHOS (PHOton Spectrometer),
• детектор фотонов PMD (Photon Multiplicity Detector),
• система тригерных сигналов, состоящая из сцинтилляционных и кварцевых счетчиков,
• две системы нейтронных и адронных калориметров расположены под углом ~0° на расстоянии 115 м от вершины столкновения пучков ZDC (Zero-Degree Calorimeter),
• мюонный спектрометр, состоящий из нескольких систем детекторов мюонов, фильтра для экранирования мюонного детектора, основная задача которого поглотить оставшиеся адроны (Absorber), и дипольного магнита.

    Система ZDC предназначена для определения числа нуклонов, участвующих в столкновении, и тем самым определения насколько соударение ядер было центральным, т.к. параметр центральности соударения определяет параметры образовавшейся кварк-глюонной плазмы.
    Мюонный спектрометр оптимизирован так, чтобы максимально эффективно детектировать μ⁺μ^--пары, которые образуются при распаде кваркониев − систем c и b-кварков. Кварконии вылетают из центральной области образующейся кварк-глюонной плазмы и, следовательно, несут информацию о максимальном давлении и температурах кварк-глюонной плазмы, доступных на LHC.
    Схема регистрации частиц в детекторе ALICE во многом напоминает аналогичную схему детектора STAR. Время-проекционная камера TPC детектора ALICE представляет собой цилиндрический объем, охватывающий трековую систему определения координаты точки столкновения (рис. 15.19).

Рис. 15.19. Схематическое изображение время-проекционной камеры TPC детектора ALICE.

    Радиальный размер камеры TPC 780 < r < 2780 мм. Эффективный радиальный размер, в котором отбираются треки событий 845 < r < 2466 мм. Длина эффективного объёма составляет 5000 мм. Посередине камеры установлен ускоряющий электрод, разделяющий TPC на две части. На центральный электрод камеры подаётся напряжение 100 кВ, что создаёт градиент электрического поля между центральным электродом и торцевыми детекторами 400 кВ/см. На каждом торце TPC находится 36 многопроволочных пропорциональных камер, с которых считывается информация о треках, образующихся при столкновении тяжелых ядер. Камера TPC заполнена газовой смесью состоящей их углекислого газа (10%) и неона (90%). Когда заряженная частица пролетает через газовую среду TPC, она ионизует газ вдоль своей траектории. Образовавшиеся электроны начинают дрейфовать в электрическом поле к торцам камеры, где они регистрируются многопроволочными пропорциональными камерами, определяющими поперечные координаты трека и время прихода сигнала от трека, что позволяет воссоздать пространственную картину каждого из нескольких тысяч треков, образующихся при столкновении ядер. Для восстановления пространственной картины используется также информация с детектора переходного излучения TRD и время-пролетного детектора TOF. Смесь газов и дрейфовое напряжение подобраны так, чтобы минимизировать образование вторичных электронов при дрейфе электронов трека от центрального электрода к торцам. При этом обеспечивается малая радиационная длина и минимальная величина многократного рассеяния электронов. Время дрейфа электронов в TPC от центрального электрода, расположенного при потенциале 100 кВ, к торцевым считывающим детекторам составляет 88 мкс. Это время достаточно для подготовки TPC к регистрации следующего столкновения ионов. Полное число каналов считывания информации с торцевых проволочных пропорциональных камер ~ 557568.
    Подводя итоги поиска антиядер на ускорителях, следует отметить, что это чрезвычайно сложные и трудоемкие эксперименты на ускорителях, в которых необходимо создавать и использовать самую современную аппаратуру. Эксперименты требуют длительного времени работы ускорителя. Что же было получено в результате экспериментов по поиску антиядер? Обнаружение ядер антидейтерия было первым экспериментом, в котором было показано, что ядерное взаимодействие между антипротоном и антинейтроном не отличается от ядерного взаимодействия между протоном и нейтроном. Обнаружение ядер , , ,  показало, что эти антиядра существуют. Но это уже до начала экспериментов практически не вызывало сомнения. Нужны ли были такие эксперименты? Безусловно, нужны. Дело в том, что опыт истории физики учит, что часто в Природе обнаруживаются новые неожиданные явления, которые можно обнаружить только в результате тщательных экспериментов, может быть, и с очевидными результатами. Истина требует экспериментального подтверждения. Кроме того, необходимо было выяснить механизм образования янтиядер, измерить относительные вероятности их образования, возможности образования антиядер в природных условиях. Ответы на эти вопросы чрезвычайно важны не только для понимания процесса эволюции Вселенной после Большого взрыва, а вообще для понимания механизма возникновения Вселенной.