Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В рамках работ по созданию вершинного детектора (ВД) эксперимента MPD на коллайдере NICA, была разработана модель шестислойной конструкции ВД на основе кремниевых тонких и ультратонких пиксельных детекторов в качестве первых трех слоев. На основе разработанных программных модулей была исследована идентификационная способность шестислойного ВД при реконструкции распадов мезонов D+, D0 и D+s мезонов, рождающихся в ядро-ядерных столкновениях при энергии коллайдера NICA. Это позволило провести идентификацию заряженных продуктов распада D мезонов (пионов и каонов) в фоновых и сигнальных событиях. Полученные средние значения выходов за 1 месяц непрерывной работы коллайдера составляют: 20000 частиц для D+, 3000 частиц для D0 и 1000 частиц для D+s. Теоретический подход, разработанный ранее для микроскопического описания кумулятивных явлений в протон-ядерных взаимодействиях и учитывающего только взаимодействие нуклона с флуктоном, обобщен на случай взаимодействия двух флуктонов при столкновении ядер. На его основе проведен анализ процесса рождения пиона в АА-столкновениях в новой кумулятивной области центральных быстрот и больших поперечных импульсов, доступной для экспериментального изучения на установках SPD и MPD коллайдера NICA. Показано, что в этой области доминирует вклад флуктон-флуктонного взаимодействия с испусканием кварка, фрагментирующего в пион. Рассчитано асимптотическое поведение сечения этого процесса при больших начальных энергиях вблизи кинематической границы процесса и сформулированы правила кваркового счета для инклюзивного сечения в области центральных быстрот и больших поперечных импульсов. Показано, что согласно полученным новым правилам кваркового счета убывание инклюзивного сечения с ростом начальной энергии оказывается значительно более медленным, чем для упругих и квазиупругих процессов. При этом для надежной регистрации очень редкого рождения частиц в кумулятивной области важно иметь сигнал от ВД, позволяющий подтвердить выход трека кумулятивной частицы из первичной вершины взаимодействия. Одним из основных направлений исследований эксперимента MPD на коллайдере NICA является сканирование фазовой диаграммы сильновзаимодействующей материи и изучение фазового перехода между адронным газом и кварк-глюонной плазмой, а также поиск критической точки. В связи с этим был разработан подход пособытийного определения термодинамических параметров, продемонстрирована самосогласованность метода и определена его разрешающая способность (15%) в широком диапазоне температуры и бариохимического потенциала. В ходе экспериментальных работ были получены данные о эффективности срабатывания пиксельных детекторов (на прямых треках), при их облучении пучками протонов в диапазоне энергий от 200 МэВ до 1 ГэВ. Эффективность регистрации детекторов доходит до 99.6% для энергии 1 ГэВ и убывает всего на 2% при уменьшении энергии до 200 МэВ. Результаты анализа экспериментальных данных показали, что число шумовых срабатываний пикселей в ходе облучения меняется не более чем на 9%, а координатные характеристики позволяют выявлять области неработающих пикселей даже при низких энергиях. Были проведены исследования множественности образования пиксельных кластеров от интенсивности пучков протонов при данной энергии. Результаты свидетельствуют о том, что при увеличении энергий протонов уменьшаются размеры кластеров, тогда как при увеличении интенсивности не обнаруживается зависимость в образовании кластеров. При изучении радиационных эффектов, впервые для такого типа пиксельных детекторов были получены величины изменения порогов и их шумов при облучении альфа-частицами с поглощенной дозой 710 крад. Итог данных исследований свидетельствует о том, что детектор (в его пиксельной части) при ухудшении ряда характеристик после облучения большими дозами продолжает адекватно работать. Все это свидетельствует о высокой радиационной стойкости данного типа детекторов. Была проведена модернизация экспериментальной установки с использованием пиксельных детекторов в телескопном варианте. Результатом работ этой установки стало точное определение поперечного эмиттанса протонного пучка с энергиями до 1 ГэВ на сравнительно малой (40 см) пролетной базе. На основе метода клеточных автоматов был создан и применён алгоритм реконструкции треков протонов с энергией 200 МэВ, и сделана оценка эффектов многократного рассеяния новых углекомпозитных материалов. В контексте задач по реконструкции треков и минимизации многократного рассеяния, регистрируемых частиц были проведены исследований новых углекомпозитных материалов на пучках протонов различных энергий. Основной вывод заключается в том, что разработанные многослойные углекомпозитные панели не приводят к ослаблению пучка протонов и являются радиационно-прозрачными. В рамках проекта был создан новый экспериментальный стенд для изучения процессов охлаждения ультратонких детекторов МАПС в соответствии с шестислойной геометрией вершинного детектора эксперимента MPD. Была разработана система распределения холодного азота по слоям для обеспечения оптимального съёма тепла. В итоге были выбраны оптимальные режимы охлаждения детекторных слоев, как при рабочей мощности, так и при повышенной мощности. Были разработаны и созданы новые фермы структур поддержки модулей кремниевых детекторов на основе отечественных углекомпозитных материалов, обладающие минимальной массой (40 г.) и высокими прочностными характеристиками. Измерены и получены основные характеристики этих структур: плоскостность, прогибы. Данные этих измерений показали, что такие структуры обладают повышенной жесткостью. Были проведены исследования новых многослойных сверхлегких радиационно-прозрачных углекомпозитных структур поддержки детекторных комплексов. При энерговыделении на образце до 40 мВт/см2 удалось понизить температуру нагрева всего образца до требуемого уровня для нормальной эксплуатации пиксельных детекторов, что составило +25 °С в самой нагретой области образца. Результаты деформационных исследований таких многослойных углекомпозитных панелей показали, что все образцы обладают практически одинаковыми деформационными свойствами: деформация почти линейна и при центральной нагрузке, углекомпозитные панели толщиной 300 мкм прогибаются не более 1.6 мм. Таким образом, созданные ультралегкие углекомпозитные панели охлаждения можно использовать в детекторных комплексах физики высоких энергий и при создании протонного томографа в области ядерной медицины, с применением только воздушной системы охлаждения и в сочетании с большой жесткостью и прочностью таких конструкций. https://spbu.ru/news-events/novosti/uchenye-spbgu-razrabotali-koncepciyu-detektornoy-sistemy-dlya-issledovaniy https://rscf.ru/news/found/den-bez-turniketov/ https://www.mdpi.com/2073-8994/16/1/79

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В результате конструкторской проработки с учётом имеющегося опыта по созданию вершинного детектора эксперимента ALICE на БАК и работ, проведённых на предыдущих этапах Проекта, а также технических особенностей работы коллайдера NICA, были созданы две финальные концепции вершинного детектора (ВД) для эксперимента MPD для первого и второго его этапов. Первая модель ВД, состоит из шести слоёв тонких детекторов МАПС (монолитные активные пикcельные сенсоры, созданные по КМОП технологии) на сверхлёгких углекомпозитных структурах поддержки (созданы и исследованы на предыдущих этапах проекта). Вторая модель ВД использует в качестве трёх внутренних слоёв ультратонкие изогнутые детекторы МАПС большой площади, а в качестве трёх внешних – слои МАПС, взятые у предыдущей модели ВД. В данной концепции внутренние слои имеют минимум поддерживающих углекомпозитных структур и охлаждаются парами азота. Внешние слои охлаждаются с использованием жидкостной системы. Разработана и внедрена программа для реконструкции распадов D мезонов, и проведено сравнение эффективности выделения сигналов методом топологических катов и методом машинного обучения. В случае двухчастичных распадов D0 оба метода приводят к одинаковому результату, а в случае трехчастичных распадов эффективность реконструкции D+, методом машинного обучения в 2 раза выше. Эта программа была применена для реконструкции треков распадов Λс+ барионов в предложенной модели ВД с учётом особенностей работы коллайдера NICA. Моделирование с применением методики машинного обучения показало, что выделить сигналы от Λс+ на большом комбинаторном фоне в ядро-ядерных столкновениях при энергиях NICA не представляется возможным. Механизм рождения частиц в новой кумулятивной области центральных быстрот и больших поперечных импульсов за счет взаимодействия двух флуктонов обобщен на случай рождения пионов, протонов, каонов, антипротонов. Показано, что рассчитанное инклюзивное сечение протонов зависит от свертки кварковых волновых функций сталкивающихся флуктонов и образующегося кумулятивного протона, а не от волновых функций при нулевом значении относительных импульсов. Поэтому для описания этого процесса нельзя использовать факторизационную теорему. С использованием генератора событий Pythia8 проведено моделирование рождения пионов, протонов, каонов и антипротонов с большими поперечными импульсами в области центральных быстрот в p-p и D-D столкновениях при энергиях NICA. Получены зависимости инклюзивных сечений рождения этих частиц от кумулятивного числа и энергии столкновения, а абсолютные числа выходов частиц в единицу времени остаются достаточными для их экспериментального исследования в эксперименте SPD из-за увеличения светимости коллайдера NICA в области энергий от 4 до 8 ГэВ. Была также проведена оценка выхода кумулятивных протонов в D-D столкновениях при энергии 4 ГэВ за счет процесса рассеяния флуктона на флуктоне. Полученные результаты свидетельствуют о возможности выделения вклада этого процесса по сравнению с фоном, происходящим от вклада процессов перерассеяния. При этом показано, что для регистрации редких событий рождения частиц в кумулятивной области и реконструкции их треков на фоне шумов, необходимо иметь сигнал от вершинных детекторов MPD и SPD с использованием новых ультратонких пиксельных МАПС. В рамках исследований фазовой диаграммы квантовой хромодинамики в эксперименте MPD, была разработана новая методика пособытийного определения ключевых термодинамических параметров — температуры (T) и барионного химического потенциала (μB). В результате моделирования показано, что относительная погрешность определения μB составляет ~10–15% для центральных столкновений. Базовый учет детекторных эффектов установки MPD снижает разрешение лишь на ~17-25%, что подтверждает практическую применимость метода. Проведен сравнительный анализ различных моделей столкновений (EPOS4, SMASH, UrQMD, DCM-QGSM-SMM). Обнаружено, что в то время как μB демонстрирует в основном статистические флуктуации, в ряде моделей наблюдаются существенные нестатистические вариации температуры, что указывает на разные динамические сценарии адронизации. Разработанный подход создает основу для поиска в экспериментальных данных физических флуктуаций, связанных с фазовыми переходами в сильно взаимодействующей материи. В ходе исследований эффективности регистрации заряженных частиц телескопом МАПС и гибридных детекторов на протонных пучках, как синхротрона, так и синхроциклотрона эффектов влияющих на работоспособность аналоговой и цифровой частей электроники МАПС обнаружено не было. Впервые были получены карты пиксельной множественности (количество пикселей в кластере) для энергий в диапазоне от 30 МэВ до 1 ГэВ. Получены результаты по эффективности регистрации протонов детекторами МАПС, причём для энергии 1 ГэВ эффективность составила 99% для всех детекторов, а с падением энергии до 50 МэВ эффективность ухудшается всего на 4%. Синхронизация гибридных детекторов в телескопном включении позволила получить корреляции зарегистрированных событий в двух детекторных плоскостях. Оценки эффективности регистрации составили: 94.8, 94.3%, что на 3-4% хуже, чем аналогичные величины для детекторов МАПС. Изучалась радиационной стойкость периферийной области МАПС, где находятся структурные блоки электроники считывания данных с пикселей, контроля и управления при облучении α-источником: 233U+238Pu+239Pu дозой 425 крад. Было определено число ложных срабатываний пикселей в матрице и число таких шумящих пикселей до и после облучения. Показано, что применение обратного смещения к подложке МАПС уменьшает количество шумовых срабатываний в 2.6 раза. Были получены распределения множественности пикселей в кластерах при облучении детектора МАПС радионуклидными источниками α,β,γ и нейтронами. Основной вывод: γ-излучение формирует двухпиксельные кластеры; бета-излучение кластеры с размером 4.5 пикселей; α-излучение, формирует кластеры в 20 пикселей и более. Нейтроны практически не взаимодействуют с МАПС и сигнал находится на уровне фона. Был создан экспериментальный стенд, в котором реализована система газового охлаждения протяженных детекторных образцов (тонкая кремниевая пластина большой площади, смонтированная на углекомпозитной структуре поддержки) разрабатываемого ВД. На стенде были проведены измерения и получена предельная температура охлаждения, при которой образец детектора сохраняет целостность. Результат эксперимента показал, что достигнутая предельная температура намного ниже рабочего диапазона температур охлаждения детекторов, при которой поддерживается оптимальная работа модулей тонких пиксельных детекторов большой площади. https://minobrnauki.gov.ru/press-center/news/nauka/98685/ https://link.springer.com/article/10.1134/S0020441225700368 https://link.springer.com/article/10.1134/S1063778825700462