Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В рамках данного проекта разрабатывается время-пролетнный детектор нейтронов высоких энергий для измерения азимутальных потоков нейтронов в столкновения тяжелых ионов в области энергий 1-4 ГэВ на нуклон на установке BM@N в ОИЯИ. Плотность ядерной материи при таких энергиях столкновений достигает значений в несколько раз превышающих плотность обычной ядерной материи. Уравнение состояния ядерной материи, устанавливающее связь между давлением, плотностью, энергией и температурой, зависит также и от члена, который характеризует изоспиновую асимметрию ядерной материи, образующейся в столкновении тяжелых ионов. В целом ряде теоретических моделей показано, что отношения азимутальных прямых и эллиптических потоков нейтронов и протонов должны быть чувствительны к вкладу в уравнение состояния энергии симметрии – члена уравнения, связанного с изоспиновой (протон-нейтронной) асимметрией. Азимутальные потоки протонов на действующей установке BM@N будут измеряться магнитным спектрометром, а вот для измерения потоков нейтронов необходимо разработать новый детектор нейтронов, что и является целью данного проекта. Этот проект является очень актуальным, поскольку только на BM@N в ближайшие годы можно будет выполнить эксперименты по исследованию азимутальных потоков и протонов, и нейтронов в данном диапазоне энергий. Полученные данные будут важны не только для ядерной физики, но и для астрофизики - для понимания процессов при взрывах сверхновых звезд, излучения гравитационных волн при слиянии звезд-компаньонов в двойных нейтронных звездах. За отчетный период было выполнено моделирование потоков протонов с использованием нескольких генераторов событий ядро-ядерных столкновений с необходимым набором настраиваемых параметров, характеризующих сильновзаимодействующую материю, и проведено сравнение полученных дифференциальных анизотропных потоков протонов с экспериментальными результатами, экспериментов HADES и STAR. Показано влияние потенциала среднего поля на формирование потоков протонов при энергиях, характерных для ускорителя Nuclotron. Наилучшее качественное описание анизотропных потоков протонов в рассматриваемой области энергий ядро-ядерных столкновений получено в моделях UrQMD и JAM с использованием потенциалов среднего поля. Статья с результатами этого исследования опубликована в реферируемом журнале «Particles”. Моделирование анизотропных прямых и эллиптических потоков нейтронов с использованием модели JAM для сталкивающихся систем Au+Au и Xe+CsI планируется выполнить в 2023г. В 2022г. была проведена работа по разработке, моделированию и оптимизации параметров предлагаемого гранулированного время-пролетного нейтронного детектора. Предложена слоистая конфигурация нейтронного детектора с чередующими 14 слоями сцинтилляционных детекторов и поглотителей. В качестве активных слоев детектора предложено использовать сборки из пластмассовых сцинтилляционных детекторов с размерами 40х40х25 мм3 с детектированием света кремниевыми фотоумножителями с чувствительной областью 6 мм2. Для первых 5 пассивных слоев детектора предложено использовать поглотители из свинца толщиной 8 мм, для остальных 9 слоев - медные поглотители толщиной 30 мм. Из результатов моделирования следует, что при временном разрешении сцинтилляционных детекторов порядка 150 пс обеспечивается возможность адаптации имеющихся алгоритмов реконструкции нейтронов и разделения отдельных кластеров от нескольких нейтронов в детекторе. При этом, для однонейтронных кластеров получается достаточного хорошее разрешение по энергии нейтронов и достигается эффективность регистрации 95% при энергии нейтронов 4000 МэВ. Одна из задач проекта, в первый год его выполнения, заключалась в экспериментальном исследовании временного разрешения нескольких прототипов сцинтилляционных детекторов - активных элементов время-пролетного нейтронного детектора. Несколько прототипов сцинтилляционных детекторов были изготовлены из доступных в России быстрых пластмассовых сцинтилляторов и с использованием доступных кремниевых фотоумножителей. В результате проведенной работы, на созданном в ИЯИ РАН стенде, были измерены временное разрешение и световыход нескольких таких прототипов сцинтилляционных детекторов. Наилучший результат получен для детектора 40х40х25 мм3 на основе сцинтиллятора, изготовленного в ОИЯИ, и с фотоприемником EQR15 11-6060D-S, производства КНР, с чувствительной областью 6х6 мм2. Для такого сцинтилляционного детектора временное разрешение получилось равным 136 ± 7 пс, а измеренный световыход - 340 ± 75 фотоэлектронов. Сцинтилляционный детектор с таким временным разрешением и световыходом удовлетворяет требованиям для создания время-пролетного нейтронного детектора. Статья с изложением деталей и результатов этих исследований принята в печать в реферируемом российском журнале «ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА». На основе анализа электроники для считывания и обработки сигналов с фотоприемников, используемых в существующих время-пролетных детекторах, была предложена концепция собственной электронной схемы считывания и обработки сигналов для разрабатываемого нейтронного детектора на основе коммерчески доступных в настоящее время электронных компонентов. Предполагается, что электроника нейтронного детектора будет состоять из двух типов электронных модулей. Первый модуль, который будет установлен после каждого слоя сцинтилляторов, будет состоять из матриц кремниевых фотоумножителей с малошумящими усилителями и вспомогательных схем. Второй модуль, модуль обработки сигналов, включает пороговые компараторы, схемы задания порогов, коррекции напряжения смещения фотодетекторов, время-амплитудные преобразователи на основе коммерческих интегральных схем ПЛИС. Разработка этой электроники запланирована на 2023г. Часть полученных результатов, выполненных в 2022г исследований по данному проекту, могут быть уже использованы при создании прототипа и полномасштабного время-пролетных детекторов нейтронов для эксперимента BM@N.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В 2023г., в рамках выполнения работ по проекту РНФ 22-12-00132, продолжалась разработка время-пролетного детектора нейтронов высоких энергий для проведения измерений азимутальных потоков нейтронов в столкновения тяжелых ионов в области энергий 1-4 ГэВ на нуклон в экспериментах на установке BM@N в ОИЯИ. Важность таких измерений связана с тем, что при столкновениях ядер в этой области энергии образуется ядерная материя с плотностью, в несколько раз превышающей номинальную ядерную плотность. Уравнение состояния такой плотной ядерной материи зависит уже и от энергии симметрии, которая определяется соотношением протонов и нейтронов в сталкивающихся ядрах. В целом ряде теоретических работ показано, что измерения отношений направленных и эллиптических азимутальных потоков нейтронов к соответствующим потокам протонов должно быть чувствительно к энергии симметрии. Измерение этих отношений крайне важно как для понимания структуры нейтронных звезд, так и для понимания процессов при взрывах сверхновых звезд, излучения гравитационных волн при слиянии звезд-компаньонов в двойных нейтронных звездах. Во всех ядро-ядерных экспериментах, выполненных в мире до настоящего времени, азимутальные потоки нейтронов не измерялись в ядро-ядерных экспериментах при энергиях пучка ядер выше 0.8 ГэВ на нуклон. Связано это с отсутствием соответствующего детектора нейтронов, который позволял бы идентифицировать нейтроны в условиях больших фонов и измерять их энергию в диапазоне более нескольких сотен МэВ с достаточно высокой эффективностью. Предложенный в данном проекте нейтронный детектор представляет собой сборку из чередующихся 15 активных слоев сцинтилляционных детекторов и 15 слоев поглотителя. Каждый активный слой состоит из 121 пластиковых сцинтилляционных детекторов, собранных в матрицу 11х11. Сцинтилляционные детекторы имеет поперечные размеры 40х40мм и толщину 25мм. Свет с которых детектируется индивидуальными кремниевыми фотоумножителями с активной площадью 6х6 мм2. Однако, здесь появилась проблема, связанная с тем, что в условиях действующих западных санкций, доступность использования для таких сцинтилляционных детекторов лучших мировых образцов быстрых сцинтилляционных материалов и фотодетекторов резко уменьшилась. Поэтому, одна из задач данного проекта в 2023г. заключалась в тестировании сцинтилляционных детекторов, собранных на основе доступного быстрого сцинтиллятора, изготовленного в ОИЯИ, и использовании доступных кремниевых фотоумножителей китайского производства для детектирования света. В 2023г. продолжалась разработка аналоговой и цифровой электроники для данного детектора. Нейтронный детектор имеет около 2000 сцинтилляционных ячеек, сигналы с которых должны быть считаны, обработаны и переданы в общую систему сбора данных эксперимента. Была разработана схема аналоговой электроники. Ее планируется разместить непосредственно на печатной плате вместе с фотодетекторами. Эта плата будет примыкать непосредственно к сборке сцинтилляторов. Аналоговая электроника предназначена для усиления сигналов с фотодетекторов, преобразования сигналов для дальнейшей оцифровки и измерения времени срабатывания фотодетектора, а также измерения амплитуды сигнала, используя для этого так называемый ТоТ метод. Для измерения времени срабатывания фронта сигнала и его спада над постоянным порогом разработан и протестирован время-цифровой преобразователь, который позволяет оцифровывать временной сигнал с шагом 100 пс. Детали разработки этого преобразователя изложены в статье, которая принята в печать в журнал Nucl.Instrum.Meth.A, который является журналом категории Q1. Этот время-цифровой преобразователь на основе коммерческих интегральных схем ПЛИС вместе с электроникой для коррекции напряжения смещения фотодетекторов будет размещаться на печатной плате на одной из поверхностей нейтронного детектора. Эта плата будет соединяться с платами с аналоговой электроникой только многоштырьковыми разъемами (бескабельное соединение), что существенно упростит конструкцию детектора. Разработаны принципиальные схемы полноразмерной платы аналоговой электроники детектора и многоканального прототипа блока системы считывания и управления с включением в него функций системы «White Rabbit». Разработка этой цифровой электроники продолжится и в 2024г. Целый ряд тестов прототипов изготовленных сцинтилляционных детекторов, с использованием разработанной электроники, был выполнен в 2023г. как на космических мюонах, так и на пучке электронов синхротрона «Пахра» в ФИАН. Было показано, что временное разрешение таких сцинтилляционных детекторов составляет около 150 пс. Такое временное разрешение удовлетворяет требованиям по точности определения потоков нейтронов. Это было показано нами при расчетах потоков первичных нейтронов, полученных при моделировании. Важной задачей данного проекта РНФ является исследование эффективности реконструкции первичных нейтронов в диапазоне энергий до 4 ГэВ, образующихся в ядро-ядерных взаимодействиях, учитывая, что нейтронный детектор будет работать в условиях больших нейтронного и гамма фонов, а также фонов от заряженных частиц на установке BM@N. Для этого, в 2023г. проведены расчеты эффективности реконструкции первичных нейтронов, образующихся в ядро-ядерных взаимодействиях с учетом реалистичных фоновых условий. Для этого использовались разные подходы, включая, в том числе, и подходы с использованием методов машинного обучения. Таким образом, создание нового нейтронного детектора, используя для этого разработки, которые ведутся в рамках данного проекта РНФ, позволит, впервые в мире, в эксперименте BM@N проводить одновременно измерения отношений потоков нейтронов и протонов в ядро-ядерных столкновениях. Потоки протонов будут измеряться уже существующим магнитным спектрометром, а с помощью нейтронного детектора, который сейчас разрабатывается, будут измеряться потоки нейтронов. Результаты исследований, выполненных по данному проекту в 2023г. опубликованы в 2х статьях, а также подготовлены 3 статьи, которые приняты в печать. Одна из этих статей принята в печать в журнал, относящийся к квартилю Q1.