Эксперимент MoEDAL

Эксперимент MoEDAL — это маленький «эксперимент-спутник», расположенный в том же зале, в котором установлен детектор LHCb. Его название расшифровывается как Monopole and Exotics Detector at the LHC («Детектор монополей и экзотики на LHC»), и в соответствии с названием этот эксперимент будет пытаться зарегистрировать (гипотетические пока) магнитные монополи и другие долгоживущие частицы с аномально высокой ионизирующей способностью.

Обычные заряженные частицы, в изобилии рождающиеся на LHC, при пролете сквозь вещество теряют в нём некоторую долю энергии. Эта энергия тратится на разрушение вещества вдоль траектории частицы — так возникает ионизационный след частицы. Сила ионизации, а значит и контрастность ионизационного следа, зависит от типа частицы и от ее скорости. Эта сила становится аномально большой при пролете следующих частиц сквозь вещество:

• Магнитные монополи или дионы — гипотетические частицы, несущие магнитный заряд. Если они существуют, то, по законам электродинамики, они будут исключительно сильно воздействовать на электроны вещества.
• (Почти) стабильные частицы с большим электрическим зарядом (во много раз больше заряда электрона), которые предсказываются в некоторых теоретических моделях.
• Частицы с обычным электрическим зарядом, но «медленные», то есть движущиеся со скоростью, много меньшей скорости света. По законам той же электродинамики медленные частицы намного сильнее ионизуют вещество, чем ультрарелятивистские частицы.

Именно на поиск такого типа следов и рассчитан эксперимент MoEDAL.

По сравнению со сложнейшими детекторами, напичканными дорогой аппаратурой, MoEDAL — это очень дешевый, можно даже сказать простецкий, эксперимент. Заключается он в том, что на стенах и потолке подземного зала LHCb будет установлено несколько многослойных листов из специального пластика, которые и сыграют роль детектора ионизирующего излучения. Никакой электроники тут не используется — просто по окончании одного-двухгодичного сеанса работы листы будут сняты, вытравлены щелочью и внимательно изучены. Ионизационный след, оставленный в них частицей с высокой ионизирующей способностью, после травления превратится в конический дефект, который будет хорошо заметен под микроскопом.

Рис. 1. Слева — разрушение полимерных цепочек вдоль траектории частиц с высокой ионизирующей способностью. Справа — образование конуса при вытравливании пластины; геометрия конуса зависит от силы ионизации. Изображение с сайта web.me.com/jamespinfold

Стоит пояснить, почему для этого эксперимента был выбран именно зал LHCb. В отличие от своих собратьев, детектор LHCb не окружает точку столкновения протонов со всех сторон, а расположен лишь с одного боку от нее. Столкновения протонов происходят в небольшом «чулане» подземного зала, стенки и потолок которого свободны от аппаратуры. Именно тут, в относительной близости к точке столкновения и можно разместить пластиковые листы.

Рис. 2. Расположение пластин детектора MoEDAL на стенках и потолке «чулана» подземного зала детектора LHCb. Изображение с сайта web.me.com/jamespinfold

Детектор MoEDAL будет существенно дополнять возможности обычных детекторов и позволит увидеть то, что они упустят из виду. Например, обычные детекторы совершенно не оптимизированы для поиска частиц, летящих со скоростью, много меньшей скорости света. После каждого столкновения протонных сгустков они ждут частицы лишь в течение 25 наносекунд, а всё, что придет после этого, они уже не будут связывать с данным пересечением сгустков. Медленные частицы просто не успеют за это время вылететь из центра детектора, поэтому даже если они потом и будут зарегистрированы, детектор «не поймет», откуда они взялись и как их интерпретировать. В детекторе же MoEDAL подобных ограничений на время пролета частиц не накладывается.

Стоит отметить, что идея постановки такого эксперимента вовсе не нова. Аналогичные стопки из пластин были установлены и на электрон-позитронном коллайдере LEP, предшественнике LHC; отрицательные результаты этих поисков были опубликованы в начале 1990-х годов. Сейчас, благодаря тому, что энергия протонных столкновений на LHC почти в сто раз превышает энергию столкновений в LEP, эксперимент MoEDAL сможет проверить наличие или доказать отсутствие намного более тяжелых частиц.

Рис. 3. Установка первого квадратного метра детектора MoEDAL. Фото с сайта web.me.com/jamespinfold

Что касается сроков проведения эксперимента, то в ноябре 2009 года были установлены пластины площадью 1 м², которые в течение 2010 года будут регистрировать лишь общий радиационный фон в «чулане». Затем пластины будут доустанавливаться в несколько этапов, и их общая площадь возрастет до 25 м². Первые результаты эксперименты следует ждать не ранее 2011 года.

Дополнительная литература:

• Официальный сайт эксперимента MoEDAL.
• MoEDAL becomes the LHC's magnificent seventh — заметка из журнала CERN Courrier.