Оновлені матеріали на основі чотиришарових аерогелів стануть ключовим елементом детекторів для майбутніх експериментів у Супер чарм-тау фабриці, позитрон-електронному колайдері, що розробляється зараз в Інституті ядерної фізики імені Будкера (Новосибірськ). Перед фізиками стоїть завдання створити величезний детектор площею понад 15 квадратних метрів, в якому буде більше мільйона каналів зчитування. Проект детектора буде представлений 26-27 травня на першій нараді міжнародної Ради Супер чарм-тау фабрики, повідомляє Інститут ядерної фізики СО РАН.
Супер чарм-тау фабрика - позитрон-електронний колайдер, що розробляється в Інституті ядерної фізики імені Будкера. Як і у японського колайдера SuperKEKb, завдання прискорювача - ефективне створення частинок певного типу в зіткненнях елементарних частинок. Але якщо SuperKEKb розрахований на генерацію чарівних адронів, що містять b-кварк, то Супер чарм-тау фабрика буде оптимізована для народження частинок двох типів: адронів, що містять зачаровані с-кварки і тау-лептонів. Особливий інтерес викликають тау-лептони - ці частинки є важкими побратимами електронів, відрізняючись в 3500 разів більшою масою. На відміну від мюонів та електронів, тау-лептони досить масивні, щоб розпадатися на адрони. Приблизно в двох випадках з трьох тау-лептон розпадеться на піон (и) і тау-нейтрино.
Існує цікавий експериментальний факт, що входить до Стандартної моделі - збереження повного лептонного числа в процесах розпадів частинок. Лептонне число обчислюється так: якщо в системі є лептони (електрон, мюон або тау, а також нейтрино трьох відповідних типів), то кожен лептон додає одиницю до лептонного числа, а якщо в системі присутні антилептони (позитрони, антимюони, антитау і антинейтрино), то за кожен антилептон з лептонного числа одиниця віднімається. Пошуки порушень закону збереження лептонного числа в рідкісних каналах розпаду тау-лептонів - один із способів виявити фізику за межами Стандартної моделі.
Всі подібні аналізи - статистичні дослідження. Фізикам потрібно провести мільйони однакових експериментів (розпадів частинок) для того, щоб знати напевно, з якою ймовірністю відбувається народження тих чи інших частинок і порівняти її з передбачуваною теорією. Тому якщо вчені хочуть дослідити розпади конкретних частинок, то просто необхідно налаштувати колайдер так, щоб саме ці частинки народжувалися найчастіше при зіткненні електронів і позитронів. Тут відіграє важливу роль енергія та інші параметри прискорювача (це пов'язано з тим, що ймовірність народження частинки-осколка в зіткненні сильно залежить від сумарної енергії зіткнення). Саме тому потрібні спеціалізовані колайдери-фабрики, налаштовані на максимальну ефективність певних процесів.
Важлива частина будь-якого колайдерного експерименту - детектор. Цей пристрій дозволяє визначити, які саме осколки утворюються в кожному з мільйонів зіткнень, що відбуваються в експерименті. Фактично для цього треба з'ясувати кілька властивостей осколків: визначити їх енергію і траєкторію. Детектор, про який йдеться в повідомленні Інституту ядерної фізики, належить до категорії черенківських детекторів. Вони визначають швидкість (а з нею і енергію) частинок за характерним світінням, що випускається ними. Ефект Черенкова полягає в тому, що коли частинка рухається в середовищі швидше, ніж швидкість світла в цьому ж середовищі, то вона генерує своєрідну «ударну хвилю», яку ми бачимо як світло. Конус «розльоту» цієї хвилі якраз і залежить від швидкості частинки. Черенківське світіння можна спостерігати в активних зонах ядерних реакторів, а на світінні високоенергетичних космічних частинок навіть побудовані спеціальні телескопи.
Для майбутньої Супер чарм-тау фабрики фізики розробили черенківські кільцеві детектори (RICH) на основі фокусуючого аерогеля. Вони складаються з двох частин: світлочутливої матриці та чотиришарового аерогеля, в якому відбувається генерація черенківського випромінювання.
Аерогелі - це дуже пористі матеріали з дуже низькою щільністю. Якщо витягти з аерогеля все повітря і замінити його на гелій, то можна домогтися того, що цей твердий матеріал буде легше повітря. Детальніше про аерогелі можна прочитати в матеріалі "П'ять стихій: повітря ". Використовуючи багатошаровий аерогель, в якому різні шари володіють різними коефіцієнтами заломлення (і швидкостями світла в середовищі) вчені домагаються збільшення просторової роздільної здатності детекторів, порівняно з одношаровими аерогелями, а значить збільшують точність їх роботи.
Як зазначають фахівці Інституту ядерної фізики СО РАН, такий чотиришаровий аерогель вміють виробляти лише в Інституті каталізу імені Борескова СО РАН. На сьогоднішній день прототипи таких чотиришарових детекторів вже протестовані на протонному синхротроні в CERN і на електронному пучці прискорювача ВЭПП-4М (ІЯФ СО РАН).
Варто зауважити, що детектори на основі аерогеля вже зараз застосовуються в експериментах з фізики елементарних частинок. Наприклад, «новосибірський» аерогель зараз використовується в детекторі експерименту КЕДР на колайдері ВЭПП-4М, а також у детекторі AMS02, встановленому на Міжнародній космічній станції. Раніше аерогель також використовувався в експерименті LHCb Великого адронного колайдера.