Na lovu za biljoninkami sekunde

Peter Križan (FMF UL in IJS), 10.3.2017

Pri eksperimentu Belle II bodo pri trkih elektronov in pozitronov v trkalniku SuperKEKB nastajali mezoni B.  Ena izmed pomembnejših nalog tega eksperimenta bo raziskava, kako se obnašanje mezonov B spreminja s časom. Ker so mezoni B kratkoživi delci, od njihovega nastanka pa do razpada v lažje stabilne delce mine v povprečju dobra biljoninka sekunde (1/1000000000000 s), to ni enostavna naloga. Pomagamo si tako, da za tvorbo mezonov B uporabimo žarka elektronov in pozitronov z rahlo različnima energijama (elektroni bodo imeli energijo 7 GeV, pozitroni 4 GeV). Zaradi te razlike energij se bodo mezoni B gibali v smeri bolj energetskega žarka, torej v smeri elektronov. Ker pa se bodo gibali, bodo v času, preden bodo razpadli, preleteli razdaljo okoli 200 mikrometrov, ki se jo v principu da izmeriti. Če bomo poznali razdaljo, na kateri je mezon B razpadel, bomo tudi vedeli, koliko časa je do takrat preteklo (hitrost je namreč določena z razliko energij elektrona in pozitrona).

Mezon B in njegov antidelec, ki nastaneta pri trku elektrona in pozitrona, čez čas razpadeta. Če zelo natančno premerimo sledi  njunih razpadnih produktov v točkah, ki jih označujejo rdeče zvezdice, lahko ugotovimo, kje sta razpadla.

Točko, v kateri je mezon razpadel, imenujemo verteks. Njen položaj določimo tako, da zelo natančno izmerimo nekaj točk na poti, ki sta jo preletala oba razpadna produkta. Presečišče obeh premic je mesto, kjer je razpadel mezon B. Tej meritvi je namenjen detektor verteksov, o katerem bomo govorili danes. Ta detektorski sklop se nahaja prav v osrčju detektorja Belle II, v neposredni bližini vakuumske cevi, po kateri v pospeševalniku krožijo  elektroni in pozitroni.

Detektor verteksov, dobrega pol metra dolg valj s premerom 30 cm (zgoraj) in njegovo položaj  v spektrometru Belle II (spodaj).

Detektor verteksov je sestavljen iz šestih plasti tankih silicijevih plošč, v katerih nabiti delci pri preletu ionizirajo atome. Pri tem nastaneta v kristalu dve vrsti nosilcev naboja, negativni elektroni in pozitivne vrzeli.

Detektor verteksov, princip delovanja: v tankem silicijevem kristalu z zunanjo napetostjo ustvarimo električno polje, ki posrka elektrone na eno elektrodo, vrzeli pa na drugo.

Z zunanjo napetostjo ustvarimo v ploščici električno polje, ki posrka elektrone na eno elektrodo, vrzeli pa na drugo. Za odlično krajevno ločljivost takega detektorja poskrbimo tako, da obe elektrodi razrežemo na pasove, ki so medsebojno oddaljeni 50 mikrometrov. Položaj pasu, na katerem dobimo signal, nam pove, kje je delec preletel ploščico. Ker so pasovi na zgornji in na spodnji strani ploščice orientirani pravokotno eni na druge, dobimo z eno samo detektorsko ploščico podatek o obeh koordinatah v ravnini ploščice. Tak detektor imenujemo silicijev mikropasovni detektor, in ga bomo v Belle II uporabili za plasti od tri do šest. Za obe notranji plasti uporabimo še bolj natančen senzor, v katerem imamo namesto dveh pasovnih elektrod eno samo, razrezano na kvadratke, signalne blazinice (ali popularno 'piksle'). Dejansko je tak detektor v sorodu s CCD kamerami, ki jih imamo v digitalnih fotoaparatih in v telefonih, le da je število slik, ki jih z njim lahko posnamemo na sekundo, stotisočkrat večje.   

Zaradi svoje kompaktnosti je sestavljanje te vrste detektorja posebne vrste izziv. Kako zapleten postopek je za to potreben, si lahko ogledate v filmčku na YouTube. Delo tudi tu poteka v zelo čisti sobi, v zaščitnih plaščih, pokrivalih in posebni obutvi. Seveda pa je tudi ta detektor potrebno pred vgradnjo s spektrometer Belle II temeljito testirati. Temu je bil namenjen večtedenski test v elektronskem žarku. 

Priprava prototipa za test v elektronskem žarku v Hamburgu: Carlos Marinas iz Univerze v Bonnu sestavlja drugo plast (od šestih).  

Pri tem preizkusu namesto kozmičnih delcev, ki smo jih koristno uporabili pri testiranju drift komore (glej enega  od prejšnjih blogov) in elektromagnetnega kalorimetra, uporabimo žarek elektronov, ki ga pripravimo v pospeševalniku.  Po lanskem uspešnem prvem poskusu v elektronskem testnem žarku v pospeševalniškem centru DESY v Hamburgu je bil letošnji test še bistveno bolj koristen. Na sliki so lepo vidni rezultati preleta elektrona skozi šest plasti detektorja, štiri plasti mikropasovnih senzorjev in dve plasti pikslov. Kot vidimo, detektor odlično deluje.

Sled elektrona v šestih plasteh prototipa detektorja verteksov

Ta prototip bomo jeseni vgradili v spektrometer Belle II. V začetni fazi poskusa bomo namreč z njim preučevali ozadja, nezaželene procese na pospeševalniku, ki motijo našo meritev in bi v tej fazi delovanja pospeševalnika lahko celo uničili detektor verteksov (ki je najbližji pospeševalniku). Tega pa si seveda ne moremo privoščiti, zato bomo končno verzijo detektorja verteksov vstavili šele pa prvih nekaj mesecih meritev na trkalniku SuperKEKB.

Ostali blogi iz te serije: seznam je tukaj in tukaj.

Blog 'Na lovu za osnovnimi delci' – Znanost na cesti