Время-пролетный детектор быстрых нейтронов для исследования свойств сверхплотной ядерной материи

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-12-00132

НазваниеВремя-пролетный детектор быстрых нейтронов для исследования свойств сверхплотной ядерной материи

Руководитель Губер Федор Фридрихович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерных исследований Российской академии наук , г Москва

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-102 - Физика ядра

Ключевые слова релятивистская ядерная физикая, время-проетный детектор нейтронов, адронный калориметр, микропиксельные лавинные фотодиоды

Код ГРНТИ29.05.81

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на разработку времяпролетного детектора быстрых нейтронов для исследования свойств ядерной материи в экспериментах с фиксированной мишенью при энергиях пучков тяжелых ионов в диапазоне нескольких ГэВ на нуклон. В этой области энергии фазовая диаграмма состояния ядерной материи, соответствующая средним и низким температурам и высокой плотности барионной материи, остается пока слабо изученной. Если изучение фазовой диаграммы в области высоких температур и низкой плотности барионной материи при столкновениях ультрарелятивистских тяжелых ионов в экспериментах на коллайдерах LHC и RHIC привело к открытию фазовых переходов второго рода и кварк-глюонной плазмы, то ожидается, что в ядро-ядерных столкновениях при энергиях тяжелых ионов до 10 ГэВ на нуклон может образовываться ядерная материя с барионной плотностью в несколько раз превышающей плотность ядерной материи в обычном состоянии. В различных теоретических моделях предсказывается, что именно в этой области фазовой диаграммы происходит фазовый переход первого рода и находится критическая точка фазового перехода ядерной материи из состояния адронного газа в состояние кварк-глюонной плазмы. Следует отметить, что уравнение состояния ядерной материи, устанавливающее связь между давлением, плотностью, энергией и температурой, зависит также и от члена, который характеризует изоспиновую асимметрию образующейся в столкновении тяжелых ионов ядерной материи. Из теоретических моделей следует, что отношения азимутальных прямых и эллиптических потоков нейтронов и протонов, выходов изобар-симметричных фрагментов должны быть чувствительны к вкладу в уравнение состояния энергии симметрии – члена уравнения, связанного с изоспиновой (протон-нейтронной) асимметрией. Измерение зависимости энергии симметрии от плотности ядерной материи является принципиально важным как для ядерной физики, так и для астрофизики. Структура нейтронных звезд, процессы при взрывах сверхновых звезд, излучение гравитационных волн при слиянии звезд-компаньонов в двойных нейтронных звездах тесно связаны с понятием энергии симметрии ядерной материи. В настоящее время, исследования в области энергий 1-4 ГэВ на нуклон ведутся только на действующих установках HADES в GSI (Дармштадт, Германия) и BM@N в ОИЯИ (Дубна, Россия). В эксперименте STAR на коллайдере RHIC также получены новые экспериментальные данные в этой области фазовой диаграммы. Ни в одном из этих экспериментов азимутальные потоки нейтронов не исследовались из-за отсутствия необходимого для этого нейтронного детектора. В рамках данного гранта предлагается разработать проект время-пролетного детектора быстрых нейтронов для измерения азимутальных потоков нейтронов в столкновения тяжелых ионов в области энергий 1-4 ГэВ на нуклон. Нейтронный детектор позволит измерять кинетическую энергию нейтронов до 4 ГэВ с высокой эффективностью и хорошей точностью. Проект включает в себя выполнение целого комплекса работ по исследованию чувствительности азимутальных потоков нейтронов к уравнению состояния ядерной материи, по моделированию детектора, разработке его конструкции. Будут разработаны методы и программное обеспечение для идентификации и реконструкции энергий нейтронов в условиях их большой множественности с использованием время-пролетных и калориметрических свойств нейтронного детектора, а также разработана электроника для эффективного съема сигналов с нейтронного детектора и для обеспечения его работоспособности (схемы питания активных элементов, мониторинг рабочих параметров и т.д.). Разработанный проект позволит создать нейтронный детектор, который можно будет впервые использовать для измерения азимутальных потоков нейтронов в действующем эксперименте BM@N в ОИЯИ, что обеспечит приоритет российской науки в данном направлении исследований. В будущем, этот детектор можно использовать и для других экспериментов, в частности, для нового эксперимента СВМ с российским участием на ускорительном комплексе FAIR, в Дармштадте, Германия, который начнет работать в 2026г.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Губер Ф.Ф., Ивашкин А.П., Карпушкин Н.М., Махнев А.И., Морозов С.В., Серебряков Д.В. Временное разрешение и световыход образцов сцинтилляционных детекторов для времяпролетного детектора нейтронов эксперимента BM@N Приборы и техника эксперимента (Instruments and Experimental Techniques), 2023, № 4, стр. 36-41 (переводная версия: Vol. 66, No. 4, pp. 553-557) (год публикации - 2023)
10.31857/S0032816223030060

2. Парфенов П. Model study of the energy dependence of anisotropic flow in heavy-ion collisions at sNN = 2 - 4.5 GeV Journal "Particles", Particles 2022, 5(4), 561-579 (год публикации - 2022)
10.3390/particles5040040

Публикации

1. Парфенов П.Е., Тараненко А.В. Scaling Properties of Anisotropic Flow at Nuclotron-NICA Energies Physics of Particles and Nuclei Letters, Phys.Part.Nucl.Lett. 20 (2023) 5, 1220-1223 (год публикации - 2023)
10.1134/S154747712305059X

2. Идрисов Д.М., Парфенов П.Е., Тараненко А.В. Centrality Selection Effect on Elliptic Flow Measurements in Relativistic Heavy-Ion Collisions at NICA Energies Particles, Particles 6 (2023) 2, 497-514 (год публикации - 2023)
10.3390/particles6020028

3. Финогеев Д., Губер Ф., Известный А., Карпушкин Н., Махнев А., Морозов С., Серебряков Д. Development of a 100 ps TDC based on a Kintex 7 FPGA for the High Granular Neutron Time-of-Flight detector for the BM@N experiment Nuclear Inst. and Methods in Physics Research, A, Volume 1059, February 2024, 168952 (год публикации - 2024)
10.1016/j.nima.2023.168952

4. Губер Ф.Ф., Голубева М.Б., Зубанков А.А., Ивашкин А.П., Известный А.В., Карпушкин Н.М., Ляпин Д.Д., Мамаев М.В., Махнев А.И., Морозов С.В., Парфенов П.Е., Серебряков Д.В., Финогеев Д.А., Шабанов А.И. РАЗРАБОТКА ВЫСОКОГРАНУЛЯРНОГО ВРЕМЯПРОЛЕТНОГО ДЕТЕКТОРА НЕЙТРОНОВ ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТА BM@N ЖУРНАЛ «ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА» (год публикации - 2024)

5. Губер Ф.Ф., Ивашкин А.П., Карпушкин Н.М., Махнев А.И., Морозов С.В., Серебряков Д.В., Басков В.А., Полянский В.В Измерение временного разрешения сцинтилляционных детекторов с кремниевыми фотоприемниками EQR-15 для времяпролетного детектора нейтронов эксперимента BM@N ЖУРНАЛ «ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА» (год публикации - 2024)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В 2024г. выполнена работа по моделированию высокогранулярного время-пролетного детектора нейтронов (HGND) с целью оптимизации его конструкции и определения его основных характеристик. На основании результатов проведенного моделирования детектора, и с учетом места его расположения на установке BM@N, оптимизирована конструкция детектора, который теперь представляет собой 2 независимых модуля, каждый из которых состоит из 8 чередующихся слоев из активных и пассивных материалов. В качестве активного слоя в модулях предлагается использовать сборку из 121 сцинтилляционного детектора, собранную в виде матрицы из 11 х 11 сцинтилляционных детекторов. Каждый такой детектор представляет собой быстрый пластмассовый сцинтиллятор с поперечными размерами 4 х4 см2 и толщиной 2.5 см, свет с которого детектируется кремниевым фотоумножителем с активной областью 6 х 6 мм2. Важная особенность HGND заключается в том, что сцинтилляционные детекторы предполагается изготавливать на основе быстрого сцинтиллятора производства ОИЯИ и доступных кремниевых фотоумножителей, которые производятся в Китае. В качестве поглотителей в модулях нейтронного детектора предлагается использовать медные пластины толщиной 3 см. В 2024 году были разработаны и протестированы образцы платы считывания сигналов с фотодетекторов, которая формирует временной сигнал над порогом от кремниевых фотоумножителей сцинтилляционных детекторов HGND и плата электронного калибратора на светодиодах, необходимая для калибровки и проверки каналов считывания сцинтилляционных сборок нейтронного детектора. Также была разработана электронная схема платы сбора данных нейтронного детектора, обеспечивающая работу время-цифрового преобразователя (ВЦП), на основе программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС) Kintex 7 с шириной канала ВЦП 100 пс, его временную синхронизацию и передачу данных. В 2024 году был собран прототип платы сбора данных, который позволяет считывать 39 каналов ВЦП и включает схему временной синхронизации. Данный прототип позволяет выполнять дальнейшую разработку логической структуры ПЛИС с реализациией ВЦП. В ходе работы над логической структурой ПЛИС был разработан новый алгоритм калибровки каналов ВЦП и протестирована схема временной синхронизации. Разработанные электронные схемы и логическая структура ПЛИС были протестированы на собранном прототипе. Испытания показали работоспособность электронных схем. В 2024г. были также разработаны принципиальные схемы основных узлов полномасштабной платы сбора и передачи данных с ПЛИС. Было экспериментально показано, что разработанная в рамках данного проекта РНФ, аналитическая модель, описывающая сигналы от быстрых сцинтилляторов с регистрацией света кремниевыми фотоумножителями, успешно описывает необходимую область амплитуд сигналов для ряда протестированных сцинтилляционных детекторов и позволяет получить временное разрешение порядка 135 пс для детекторов на основе сцинтилляторов производства ОИЯИ и китайских фотодетекторов EQR15 11-6060D-S с применением время-амплитудной коррекции. Разработан метод реконструкции заряда сигнала по измерению времени над постоянным порогом. Показано, что при этом зарядовое разрешение лучше 20%. Это решение позволяет отказаться от использования амплитудно-цифрового преобразователя в пользу исключительно время-цифрового преобразователя, разработанного для данного проекта, упрощая при этом конструкцию и снижая стоимость детектора нейтронов. В 2024г, в результате детального моделирования определены основные параметры детектора для измерения энергии нейтронов в диапазоне 300 – 4000 МэВ, а также сделана оценка ожидаемых выходов нейтронов в столкновениях ядер висмута при энергии 3 ГэВ на нуклон в эксперименте BM@N. Показано, что измеренный выход нейтронов в этом диапазоне энергий может составлять до 1 миллиарда при длительности сеанса один месяц и такой статистики будет вполне достаточно для первых базовых исследований зависимости прямых анизотропных потоков нейтронов от центральности ядро-ядерных взаимодействий. Эта зависимость моделировались с использованием метода скалярного произведения с коррекциями на анизотропию азимутального аксептанса, который применяется и для расчетов анизотропных потоков и заряженных частиц, Исследование такой зависимости может быть использован для изучения чувствительности этих потоков к энергии симметрии в уравнении состояния плотной ядерной материи. В 2024г. выполнены работы по разработке методов идентификации нейтронов, таких как кластерный метод и метод машинного обучения, выполнены сравнения полученных результатов этими методами для оценки эффективности и чистоты регистрации нейтронов. Сделана оценка эффективности работы детектора HGND на экспериментальной установке BM@N. Результаты исследований, выполненных по данному проекту, опубликованы в 2024г. в 4х статьях и доложены на международных конференциях. На основе полученных результатов выполнения задач по данному проекту РНФ планируется создать в ближайшее время такой детектор нейтронов для проведения исследований выходов нейтронов и их азимутальных потоков в ядро-ядерных столкновениях в эксперименте BM@N на выведенном пучке ускорителя Нуклотрон в ОИЯИ (г.Дубна).

Публикации

1. Карпушкин Н., Финогеев Д., Губер Ф., Ляпин Д., Махнев А., Серебряков Д. ANALYTICAL DESCRIPTION OF THE TIME-OVER-THRESHOLD METHOD BASED ON THE TIME PROPERTIES OF PLASTIC SCINTILLATORS EQUIPPED WITH SILICON PHOTOMULTIPLIERS Nuclear Inst. and Methods in Physics Research, A, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A, Volume 1068, November 2024, 169739 (год публикации - 2024)
10.1016/j.nima.2024.169739

2. Бочарников В., Деркач Д., Голубева М., Губер Ф., Морозов С., Парфенов П., Ратников Ф. NEUTRON RECONSTRUCTION IN THE BM@N EXPERIMENT USING MACHINE LEARNING Phys.Part.Nucl., Phys.Part.Nucl. 55 (2024) 4, 995-999 (год публикации - 2024)
10.1134/S1063779624700400

3. Парфенов П., Мамаев М., Тараненко А. Anisotropic Flow Measurements of Identified Hadrons with Fixed-Target Mode of MPD Detector at NICA Physics of Particles and Nuclei, Volume 55, pages 853–858, (2024) (год публикации - 2024)
10.1134/S1063779624700369

4. Морозов С., Бочарников В., Финогеев Д., Голубева М., Губер Ф., Известный А., Карпушкин Н., Махнев А., Парфенов П., Серебряков Д., Шабанов А., Волков В., Зубанков А. The Highly-Granular Time-of-Flight Neutron Detector for the BM@N experiment Nuclear Inst. and Methods in Physics Research, A (год публикации - 2024)

Возможность практического использования результатов
Результаты данного проекта РНФ могут быть использованы при формировании перспективной Федеральной программы развития по физике фундаментальных взаимодействий для расширения программы исследований свойств плотной ядерной материи в столкновениях тяжелых ионов в эксперименте BM@N мегапроекта NICA.