COMET, Coherent Muon to Electron Transition

Poster

COMET-ი შენდება იაპონიაში J-parc-ის 50 Gev-იან პროტონულ ამაჩქარებელზე, მისი მიზანია იშვიათი დაშლის მიუონოის ნეიტრინოს გაერეშე ელექტრონში გადასვლის აღმოჩენა და 4 რიგით გააუმჯობესოს (დღეს არის 7 x 10^-13)  ( აქ უნდ აიყოს ფორმულა ) პროცესის (რომელშიც ირღვევა ლეპტონური მუხტი, Charged Lepton Flavor Violation, CLFV) ზედა ზღვარი და მივიღოთ 2.6 x 10^-17. პროცესის მგრძნობიარობის ამ დონეზე მიღწევა საშუალებას მოგვცემს ვნახოთ არის თუ არა სუპერნაწილაკები 10-30 ტევის ინტერვალში, რომელსაც ვერ შეამოწმებს LHC. და საერთოდ ვნახოთ რა ხდება ასეთი დონის მგრძნობიარობაზე, ხომ არ არის აქ საერთოდ სრულიად ახალი რაიმე ფიზიკური ეფექტები. იმის გამო, რომ ექსპერიმენტი არის ძალიან რთული, და გამოყენებული იქნება უახლოესი ტიპის ტექნოლოგიები, მისი რეალიზება მოხდეს 2 ფაზად, Phase-I და Phase-II.

Phase–I -ის მიზანია 4-5თვის განმავლობაში

მიზანი: 1. დღეს საუკეთესო შედეგის 200-ჯერ გაუმჯობესება, ანუ მიღება 10^-15  მგრძნობიარობის.

               2.  რეალურად ფონური პროცესების შეფასება, როდესაც მიონების ნაკადი იქნება უპრეცედენტო 10⁹ წამში.

Phase –II

შესაბამისად ექსპერიმენტის მთავარი ეტაპი დაიწყება Phase –II -ს დროს ფიზიკური სეანსები კი გასტანს 1-2 წელიწადს. ამ დროისათვის COMET-ის დეტექტორული სისტემები შესაბამისად დაგეგმილი პროექტისა სრულიად იქნება დასრულებული

• სტროუ ტრეკული დეტექტორი
• ელექტრომაგნიტური კალორიმეტრი
• კოსმოსური ვეტო მთვლელები

• მონაწილეობა
• სტროუ ტრეკული სისტემა
• ტექნოლოგია
• Garfield++

მონაწილეობა

ექსპერიმენტი რომელსაც აშენებს 17 ქვეყანა, 41 ინსტიტუტი და 200-ზე მეტი კოლაბორანტი თავისი ამბიციურობის და სირთულის გამო უნიკალურია. იმ მაღალი ტექნოლოგიების გამოყენება რომელებიც საჭირო დაგეგემილი პარამეტრების მისაღწევად ამ პროექტს აყენებს დიდი სამეცნიერო და საინჟინრო გამოწვევების წინაშე. ამ პროექტში მონაწილე ჩვენი ინსტიტუტის თანამშრომლები წარმოადგენენ წამყვან სპეციალისტებს მთელ-რიგ სუბდეტექტორულ სესტემების შემუშავებაში. აქტიურად არიან ჩართული როგორც ფიზიკურ კვლევებში ისე საინჟინრო ტექნოლოგიების განვითარებაში. საერთაშორისო ექსპერიმენტებში და კვლევით ცენტრებში შეძენილი გამოცდილება საშუალებას გვაძლევს ვიმუშაოთ ისეთ რთულ სისტემებზე როგორიცაა

სტროუ ტრეკული დეტექტორი (ნაწილაკის ტრეკის დასაფიქსირებლად)
ელექტრომაგნიტური კალორიმეტრი (ნაწილაკის ენერგიის გასაზომად)
ვეტო სისტემა (კოსმოსური მუონებისგან დასაცავად)

სტროუ ტრეკული სისტემა

ძრითად დეტექტორულ სისტემას COMET ქსპერიმენტში წარმოადგენს სტროუ ტრეკული დეტექტორი, იგი მოთავსებულია 1T მაგნიტურ ველში რომელიც აფიქსირებს სპირალურ ტრაექტორიაზე მოძრავი ელექტრონის ტრეკის კოორდინატებს. შემდგომ მონაცემების ანალიზის შედეგად აღვადგენთ მაწილაკის იმპულს. სწორედ  ეს სისტემა არის პასუხისმგებელი ექსპერიმენტის ფიზიკურ შედეგებზე.

იმის გამო რომ საძიებო ელექტრონის ენერგია მნიშვენელოვნად ახლოსაა ფონური ელექტრონების ენერგიასთან დეტექტორი უნდა აკმაყოფილებდეს შემდეგი მოთხოვნების:

• მაღალი სივრცითი გარჩევის უნარიანობა
• დეტექტირების აქტიური ზონა უნდა შეიცავდეს რაც შეიძლება ნაკლებ ნივთიერებას ნაწილაკის ტრაექტორიაზე
• ვაკუუმის პირობებში გამართული მუშაობა

იგი შედგება მიმდევრობით დამონტაჟებული დამოუკიდებელი 5 მოდულისგან. რომლებსაც შეუძლიათ ერთმანეთის მიმართ სხვადასხვა დისტანციაზე გადაადგილება. თითოეული მოდული შეიცავს სტროუ მილების 4 რიგს რითაც იზომება X და Y კოორდინატი. სისტემამ ელექტრომაგნიტურ კალორიმეტრთან ერთად უნდა დააფიქსიროს ელეტრონების ტრაექტორია და ენერგია.

სტროუ დეტექტორული მილები

მთავარ კომპონენტს რომელსაც განჭოლავს ნაწილაკი კორდინატის დასაფიქსირებლად წარმოადგენს სტროუ მილი.

სტროუ სქემატურად არის ცილინდრული ფორმის (20/12 μm კედლის სისქის) მილი, რომლის კედლებზეც დაფენილია მეტალის (ალუმინის) თხელი ფენა კათოდი. ხოლო მის შუა გულში გაბმულია (25/15 μm) დიამეტრის მქონე მოოქროვილი ვოლფრამის ძაფი ანოდი. მუშაობის პრინციპი კი დაფუძნებულია მაღალი ძაბვის ელექტრულ ველში გაზის იონიზაციის შედეგად მიღებული იონების აჩქარებაზე და ელექტრონული ღვარის წარმოქმნაზე, რაც გარდაიქმნება სიგნალად რომელსაც კითხულობს სპეციალური ელექტრონიკა

COMET-სათვის შერჩეული იქნა ახალი დიზაინის სტროუ მილები რომლებიც დამზადებულია ულტრაბგერითი შედუღების ტექნოლოგიის გამოყენებით რომელშიც არ გამოიყენება შეწებების მეთოდი

განსხვავებით კლასიკური ორმაგხვეული სტროუ მილებისგან რომელიც მზადდება ორი ლენტის სპურალურად მოხვევით და მათი ერთმანეთზე შეწებებით, ახალ სტროებს დიდი უპირატესობა აქვთ ვაკუუმში მუშაობისთვის და სტაბილური ცილინდრული დფორმის შებარჩუნების მხრივ.

ტექნოლოგია

ყველაზე მნიშვნელოვან გაუმჯობესებას რომელიც დღესდღეობით ერთადერთი და ინოვაციურია მსოფლიოში არის თხელკედლიანი ვაკუუმის პირობებში მომუშავე სტროუ მილები, დამზადებული ულტრაბგფერითი შედუღების ტექნოლოგიით. ეს ტექნოლოგია საშუალებას გვაძლევს ვიმუშაოთ 12 μm სისქის ალუმინიზირებულ ლენტებთან

ზედა დიაგრამაზე ნაჩვენებია შედუღების პროცესი. თხელი Mylar ლენტი რომლის ცალი მხარეც დაფენილია მეტალის თხელი ფენით, მაფორმირებელის მეშვეობით ეხვევა ცილინდრულ ფორმაში. სადაც ლენტის კიდეების გადაფარვის ადგილს ულტრაბგერიტი სონოტროდი ერთმანეთთან ადუღებს.

შედეგად მივიღებთ ცილინდრს სტროუ მილის დიაგრამა კვეთაში #2

შედუღების ადგილის სტრუქტურა კვეთაში #3

დამზადების ტექნოლოგიაც და მეთოდიც დამუშავებული იქნა ქართველი ექსპერტების მიერ დუბნის ჟგუფთან ერთად. შეიქმნა ახალი მანქანა და მასზე დამზადდა 12 μm და 5 mm დიამეტრის მქონე სტროუ მილები რომლებიც აკმაყოფილებს პროექტრის მიხედვით გათვალისწინებულ ყველა მოთხოვნას

სტროუს კედლის სისქე Phase-1/Phase-2-თვის 20 μm და 12 μm

1 bar-ი სისტემაში სამუშაო გაზის წნევა
1T მაგბნიტური ველი ვაკუუმში
გაზის მინიმალური გაჟონვა

სწორეს ამ უნიკალური პარამეტრების მქონე სტროუ მილების წყალობით შესაძლებელი გახდა დეტექტორის 10^-15 მგრძნობიარობის მიღწევა.

შედეგად უკვე Phase-1 სთვის დამზადდა 2700 ცალი სტროუ მილი, შეიქმნა ახალი კვლევითი ლაბორატორიები. შეიქმნა ახალი გაუმჯობესებული უფრო ზუსტი სტროუ მილების დასამზადებელი დანადგარი მთელი რიგი ხარისხის და საიმედოობის გასაკონტროლებელი მექანიზმები და სტენდები.

---

Garfield++

სტროუ დეტექტორი თანამედროვე ექსპერიმენტული ფიზიკის განუყოფელ ნაწილს წარმოადგენს. იგი ტრეკული დეტექტორია და სიგნალები წარმოიქმნება სტროუ მილში ნაწილაკის გავლისას, გაზის განმუხტვის და შემდგომ ღვარის წარმოქნის საფუძველზე. სიგნალების დამუშავების შედეგად საშუალება გვეძლევა აღვადგინოთ ნაწილაკის ტრაექტორია, გადაცემული ენერგია და მისი იდენტიფიცირებაც კი მოვახდინოთ. რადგანაც სიგნალების დამუშვება ერთ-ერთი მნიშვნელოვანი კომპონენტია სტროუ მილების ფუნქციონირებისას, ამ მიმართულებით კვლევა დავიწყეთ და საწყის ეტაპზე ვაკეთებთ სტროუ მილებში სიგნალის წარმოქმნის მოდელირებას და ამ სიგნალის სხვადასხვა პარამეტრების შესწავლას GARFIELD++ – ის საშუალებით.

ამ ეტაპზე კვლევა მოიცავს სიგნალის სხვადასხვა პარამეტრის დამოიკიდებულებას მანძილზე, ანუ „ძაფიდან“ რა მანძლზე ჩაიფრინა ნაწილაკმა და სად დაიწყო ღვარის წარმოქმნა. თუ განვიხილავთ შემთხვევებს როდესაც ნაწილაკი მოძრაობს მილის მართობ სიბრტყეში მაშინ როგორი ტრაექტორიიდანაც არ უნდა გადაკვეთოს, მილის სფერული სიმეტრიის გამო ნაწილაკის მდებარეობა შეიძლება განვსაზღვროთ მხოლოდ რადიუსით  – უმოკლესი მანძლით დეტექტორის ცენტრიდან ნაწილაკის ტრაექტორიის წირამდე. მონაცემები აღებულია შემდეგ პირობებში: პოტენციალთა სხვაობა 1800 ვოლტი, მილის დიამეტრი 1 სმ, ზაფის დიამეტრი 25 მიკრონი, ნორმალური ატმოსფერული წნევის და ტემპერატურის პირობებში, გაზის შემადგენლობა Ar 50% და CO₂ 50%.  მოდელირება გაკეთებულია მიუონის შემთხვევაში ენერგიებისთვის 10², 10⁵, 10⁸, 10¹¹ ელექტრონვოლტი, რადგანაც ნაწილაკის ურთიერთქმედება გაზთან სტატისტიკური პროცესია აღებული გვაქვს 100 შემთხევა იდენტურ პირობებში და მიღებული პარამეტრები გასაშუალოებულია.

მეორე კვლევა კი ეძღვნება 5 და 10 მმ დიამეტრის მქონე სტროუ მილების სხვადასხვა პარამეტრების შედარებას (მათ შორის დრეიფის დრეიფის დრო, დეიფის სიჩქარე, spatial resolution. და ა.შ) .

 კვლევები ამ ეტაპზეც დამუშავების პროცესშია, მაგრამ უკვე მიღებული გვაქვს მთელი რიგი საინტერესო შედეგები, რასაც მომდევნო განახლებებში წარმოგიდგენთ.