Эксперимент MoEDAL

    Предназначение эксперимента MoEDAL (Monopole and Exotics Detector at the LHC) − поиск магнитного монополя и других гипотетических сильно ионизирующих стабильных (или псевдо-стабильных) массивных частиц (SMP − Stable Massive Particles) на LHC. А именно:

  • массивных частиц с магнитным зарядом, таких как магнитный монополь или дион,
  • SMP с единичным электрическим зарядом, сильно ионизирующих из-за малой скорости,
  • частиц с большим электрическим зарядом, например, остатков черных дыр или долгоживущего двухзарядного бозона Хиггса.

    Поиск монополей любого заряда и массы предполагается провести тремя методами: 1) используя специальные триггеры в детекторе общего назначения ATLAS, 2) с помощью диэлектрических детекторов и 3) используя индукционный метод для анализа как специально установленных поглотителей, так и материала ионопровода.
    В детекторе ATLAS диапазон энергий и магнитных зарядов ограничивается его конструкцией и системой триггеров. Со старыми триггерами было возможно детектировать монополи с единичным магнитным зарядом начиная с энергии > 500 ГэВ. Новые триггеры позволили снизить минимальную энергию до 300 ГэВ, что ограничивает способность детектирования массивных долгоживущих частиц с электрическими зарядами до 100е или магнитными зарядами до 2gD (gD = 137e/2 − элементарный магнитный заряд).
    Время между столкновениями сгустков в LHC 25 нс и в "обычных" детекторах это время определяет временной диапазон, в котором зарегистрированное событие может быть привязано к данному столкновению. Так в ATLASе можно реконструировать трек SMP во временном окне, только если его скорость β > 0.5, т.к. медленные частицы могут не уложится во временной диапазон 25 нс.

Диэлектрические детекторы

    В MoEDAL этих ограничений нет, т.к. в нем используются диэлектрические детекторы, которым не нужен триггер. Диэлектрические детекторы могут записывать треки сильно ионизирующих частиц с магнитным/электрическим зарядами > 3gD/~200e.

    Блоки детектора MoEDAL расположены на стенах и потолке помещения, в котором находится детектор VELO комплекса LHCb. Общая площадь покрытая блоками ~25 м2.


Рис. 1. Расположение детектора MoEDAL.


Рис. 2. Блок детектора MoEDAL.

    Блок детектора MoEDAL − стопка из листов пластиковых диэлектрических детекторов. В стопке 3 листа CR39 (C12H18O7), каждый толщиной по 0.5 мм, 3 листа Makrofol (C16H14O3) толщиной 0.5 мм и 3 листа Lexan (C16H14O3) толщиной 0.2 мм, расположенных в начале, середине и конце стопки. Размер каждого листа 25 × 25 см. Стопка заключена в алюминиевый корпус толщиной 1 мм . Общая толщина стопки составляет 3.6 мм.
    Makrofol имеет гораздо более высокий порог регистрации (Z/β ~ 50), чем CR39 (Z/β ~ 5). Таким образом, Makrofol чувствителен только к релятивистским монополям. Lexan имеет еще более высокий порог Z/β ~ 65. Более высокий порог Makrofol и Lexan позволяет работать при значительно более высоком уровне радиации (до 200 Мрад), так как Makrofol и Lexan  приблизительно в 100 раз менее чувствительны к фону, чем CR39. Кроме того, различные пороги дают информацию о свойствах обнаруженной частицы.
    Для сильно ионизирующих частиц, таких как быстрые магнитные монополи, потери энергии вдоль трека будут постоянны. Таким образом, после травления конические ямки будут одинакового размера и находится на одной прямой во всей стопке. Такое событие легко отличить от фонового, вызванного низко энергетическими частицами, которые замедляются и даже поглощаются внутри детектора. В этом случае, по мере уменьшения энергии размер конических ямок по треку будет увеличиваться.

Обработка листов

    При травлении листов применяются различные режимы.
    Жесткое травление применяется для быстрого удаления большого количества материала, позволяет получать более высокое качество поверхности и более крупные конические ямки, которые легче обнаружить при визуальном сканировании.
    Мягкое травление позволяет производить травление в несколько этапов для изучения образования конических ямок, дающих надежные измерения поглощенной энергии и направлением падающей частицы.
    Чувствительность при мягком травлении выше, чем при жестком.

Поиск магнитных монополей

    Методика обработки результатов эксеримента состоит в следующем. В качестве "offline триггера" при  поиске магнитного монополя используется только один слой CR39. Этот слой подвергается жесткому травлению с целью выявления каких-либо соответствий между коническими ямками по обе стороны слоя. Все кандидаты анализируются при сильном увеличении микроскопа, чтобы сделать «карту», которая используется для идентификации "представляющий интерес области" (ROI − regions of interest). Третий/четвертый слой подвергают мягкому травлению и соответствующая ROI рассматривается при большом увеличении. Если находится совпадение между первым и третьим/четвертым листами, рассматривается второй и третий лист.
    Если видно совпадение между всеми тремя/четырьмя листами CR39, то анализируется все листы Makrofol, которые подвергаются мягкому травлению. Если во всех листах Makrofol обнаруживают совпадение, анализируются листы Lexan.

Поиск заряженных тяжелых стабильных частиц

    Описанная выше процедура применима также для поиска тяжелых стабильных заряженных частиц с Z/β ≥ 14. Тем не менее, для поиска тяжелых стабильных заряженных частиц с 7 ≤ Z/β ≤ 14 можно использовать два/три листа CR39, которые должны быть подвергнуты мягкому травлению, чтобы сохранить низкий порог. Можно также подвегнуть мягкому травлению первый слой CR39 и использовать его как "карту", чтобы определить ROI для других одного/двух листов. Если видны совпадения между двумя/тремя листами, то анализируются листы MAKRFOFOL. Можно снизить порог для CR39 до Z/β ~ 5, использовав "супер-мягкое" травления, но это требует большего времени.

Индукционный метод

    Магнитные монополи или дионы могут пролететь всего несколько мм и поглотиться в веществе, не долетев до детекторов. Предполагается, что монополи должны образовывать связанные состояния с атомными ядрами, тем более с ядрами, имеющими большие магнитные моменты, такими как 9Be и 27Al. Они могут быть зафиксированы с помощью индукционного метода.
    В эксперименте MoEDAL, наряду с попытками зарегистрировать магнитные монополи или дионы с помощью диэлектрических детекторов, также используется индукционный метод или MMT (Magnetic Monopole Trapper), что позволило повысить чувствительность эксперимента. Индукционный метод позволяет определять магнитные заряды вплоть до очень высоких значений (10000gD).


Рис. 3. Схема сверхпроводящего квантового интерферометра.

    В сентябре 2012 года под детектором VELO комплекса LHCb было установлен массив из 198 поглощающих алюминиевых стержней длиной 60 см  диаметром 2.5 см. Этот массив находится на расстоянии  ~1.8 м от точки взаимодействия и охватывает 1.3% полного телесного угла. После окончания  сеанса стержни были извлечены и нарезаны на образцы для анализа. Анализ проводился с помощью магнитометра SQUID. SQUID − Superconducting Quantum Interference Device − сверхпроводящий квантовый интерферометр на основе эффекта Джозефсона для измерения очень слабых магнитных полей.
    При прохождение магнитного образца через сверхпроводящие измерительные контуры в них индуцируется ток. Чувствительная область квантового интерферометра экранирована от внешних полей.
    В дальнейшем предполагается установить более толстые поглотители, охватывающие больший телесный угол. Кроме того планируется исследовать также материал бериллиевого ионопровода вблизи от точки столкновения, который может содержать монополи в связанных состояниях. 

Литература

На головную страницу

Рейтинг@Mail.ru