High energy in the microcosm

тема номера

высокие энергии в микромире

Созданный постановлением Совета Министров Республики Беларусь в 1993 г. на правах научно-исследовательского института Национальный научно-учебный центр физики частиц и высоких энергий БГУ (НЦ ФЧВЭ БГУ) занимается исследованиями фундаментальных взаимодействий и структуры микрочастиц при высоких энергиях, разработкой эффективных систем регистрации, съема и обработки экспериментальной информации о них в

экстремальных условиях.

Николай Шумейко,

директор Национального научно-учебного центра физики частиц и высоких энергий БГУ, профессор, доктор физико-математических наук

Кроме того, среди решаемых проблем -моделирование процессов взаимодействия частиц при высоких энергиях, разработка и изучение функциональных магнитных наноструктур, экспериментальные исследования по решению актуальных задач прикладного материаловедения и др. На НЦ ФЧВЭ БГУ возложены организационное обеспечение НИР, осуществляемых в Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ, Россия) с участием организаций и учреждений Республики Беларусь, и координация сотрудничества белорусских ученых с международными и зарубежными национальными научными организациями аналогичного профиля.

В пяти лабораториях института работают около 30 научных сотрудников, из них 2 доктора наук, 8 кандидатов и 1 профессор. Ежегодно сотрудники НЦ ФЧВЭ БГУ публикуют около 60 научных работ,

из которых более половины - в ведущих международных журналах и сборниках научных трудов.

Развивается научная и научно-производственная кооперация и сотрудничество. Среди наших основных отечественных партнеров - НПО «Интеграл», ОАО «МНИПИ», ГУП «МЗОР», СП «Солар ТИИ», Институт физики им. Б.И. Степанова, Физико-технический институт, НПЦ по материаловедению НАН Беларуси, НИИ ядерных проблем БГУ, БГУИР, Гомельский государственный университет им. Ф. Скорины, Гомельский государственный технический университет им. П.О. Сухого и др.; зарубежных: ОИЯИ, Европейская организация ядерных исследований (CERN, Швейцария - Франция), Немецкий электронный синхротрон (DESY, Германия), Институт физики высоких энергий и ядерной физики ННЦ «Харьковский физико-технический институт» (Украина), Институт физики высоких энергий (ИФВЭ, Россия), Институт ядерной физики им. Г. Неводничанского Польской академии наук (Польша), Институт ядерных наук Vinca (Сербия), Специальная астрофизическая обсерватория РАН (Россия).

Институт и его сотрудники являются обладателями многих наград: премий, грантов, медалей в области науки и техники. На его счету немало достижений. Развит и применен универсальный ко-

вариантный метод учета радиационных эффектов в реакциях с участием поляризованных частиц. На его основе создан ряд компьютерных программ для прецизионного вычисления наблюдаемых величин в процессах взаимодействия элементарных частиц, используемых в экспериментах ведущих лабораторий мира: ОИЯИ, CERN, DESY, SLAC и CEBAF (США).

Развит новый подход к исследованию квантовой статистической теории Ранней Вселенной, описаны управляющие параметры для квантовых вычислений, показано, что остановка квантового компьютера приводит к необратимой динамике.

В рамках проектов CMS (Компактный мюонный соленоид) и ATLAS на Большом адронном коллайдере (LHC) в CERN в тесном сотрудничестве с ОИЯИ рядом российских и украинских институтов разработаны, изготовлены на предприятиях Беларуси, доставлены в CERN, смонтированы и испытаны сложнейшие узлы и компоненты калориметрических систем детекторов.

Промоделированы и оптимизированы некоторые параметры детекторов CMS и ATLAS, выполнена настройка регистрирующей, записывающей и контрольной аппаратуры в период запуска и начала соударений протонов на LHC. Создана библиотека наблюдаемых величин в процессах рождения лептонных пар в протон-протонных столкновениях с учетом радиационных эффектов. Совместно с cern, ОИЯИ и другими институтами - участниками проектов CMS и ATLAS проводится обработка данных этих экспериментов. Ее главный результат - «переоткрытие» с высокой точностью основных достижений

образование, ограненное наукой

и открытий последних десятилетий в физике частиц и высоких энергий.

В институте разработаны аналоговые заказные и полузаказные интегральные микросхемы и электронные модули для регистрации сигналов детекторов современных установок по физике частиц высоких энергий в проектах DO/Тэватрон (США), COMPASS/SPS (CERN), PANDA/FAIR (Германия), ОКА и Термализация/У-70 (Россия).

В рамках сотрудничества с DESY по проекту ILC (Международный линейный коллайдер) развернуты работы по созданию сверхрадиационно стойких детекторов нового типа на основе синтетических алмазов. Кроме того, выполнены системные исследования магнитных и магнитотранспортных свойств гранулированных нанокомпозитов металл-диэлектрик, направленные на разработку новых типов сенсоров магнитных полей.

Все изыскания проводятся на уникальном оборудовании - цифровом осциллографе HP Infinium 54820A, позволяющем регистрировать непериодические и быстрые сигналы с одновременной их обработкой; ЯГР-спектрометре MS2000 с криостатом VT200 («Janis»), комплекте контрольно-измерительной аппаратуры, включающем зондовую аналитическую установку «ЭМ-6030», измерители параметров полупроводниковых приборов, набор тестового оборудования «Agilent Technologies».

Одна из важнейших сторон деятельности - активное международное сотрудничество. Институт полноправно участвует в ряде проектов ОИЯИ, в проектах CMS и ATLAS по физике pp-столкновений на LHC и в эксперименте COMPASS по исследованию структуры адронов в CERN, экспериментах ОКА и «Термализация» в ИФВЭ, в создании коллайдера ILC и подготовке экспериментов на нем (совместно с ОИЯИ и DESY).

Научная, научно-техническая и инновационная работа института увенчалась

впечатляющими результатами. На основе дальнейшего развития и расширения сферы применения ковариантного метода расчета радиационных эффектов созданы процедуры радиационной поправки данных текущих этапов экспериментов по исследованию спиновой структуры нуклона, обеспечившие возможность прецизионной интерпретации результатов проведенных измерений во всех этих экспериментах (в лабораториях DESY, SLAC, СЕВА^.

Разработана универсальная программа автоматизации вычислений в физике высоких энергий ALHEP, позволяющая вычислить полный набор фейнманов-ских диаграмм для заданного процесса в определенном порядке теории возмущений (используется теорема Вика); упростить матричный элемент, минимизировав число гамма-матриц; квадри-

ровать матричные элементы; привести тензорные интегралы по фазовому пространству виртуальных частиц к ска-

№10(104) Октябрь 2011 НАУКА И ИННОВАЦИИ 35

тема номера

лярным; использовать табулированные выражения для большого количества скалярных виртуальных интегралов; перенормировать электромагнитный однопетлевой вклад; создать Фортран-код для численных расчетов и код программы Mathematica для дальнейшего анализа.

На Большом адронном коллайдере выполнен этап работ по интеграции, сборке и испытаниям в наземном павильоне установки CMS как единого прибора, функционирующего при плановой рекордной напряженности магнитного поля в 4 Тесла.

С участием специалистов института осуществлен пробный запуск мюонного детектора установки CMS, подтверждены работоспособность и основные параметры конструкции катодных стриповых камер передней мюонной станции ME1/1, электроники считывания/обработки данных (в разработке и наладке которых принимали участие сотрудники НЦ ФЧВЭ БГУ) в условиях номинального магнитного поля (3.8 T).

Завершено построение Монте-Карло-генератора для моделирования радиационных событий в поляризационном меллеровском рассеянии с целью использования его для прецизионного экспериментального измерения поляризации пучков электронов.

Создана программа расчета процесса образования лептонных пар в столкновениях адронов с учетом вкладов радиационных поправок и двухбозонного механизма.

Разработаны способ подключения измерителя параметров полупроводниковых приборов (ИППП-1) к зондовой установке ЭМ-6040, обеспечивающий регистрацию неискаженных вольтамперных характеристик высокочастотных биполярных транзисторов, а также методика анализа полупроводниковых приборов и структур с помощью ИППП-1 и графического постпроцессора Probe.

Испытан модуль с использованием двухкаскадного усилителя на базе

заказной интегральной микросхемы (ИМС) Ampl-8.3 для съема сигналов с пэдовых газонаполненных детекторов большой выходной емкости (1000 пФ) для экспериментов HADES в Центре по исследованию тяжелых ионов GSI (Германия).

Создан программный пакет для извлечения информации о партонных распределениях из данных экспериментов на LHC, в котором предусмотрена возможность учета электрослабых эффектов, точность определения которых имеет решающее значение для измерения параметров Стандартной модели фундаментальных взаимодействий и поиска эффектов «новой физики».

Разработана ИМС быстродействующего низкошумящего усилителя-дискриминатора АД-1.3 и на ее базе -встраиваемый электронный модуль АДВ-1 для регистрации сигналов газоразрядных дрейфовых трубок мюонных систем современных проектов по физике высоких энергий.

Создан 32-канальный электронный модуль для регистрации сигналов с многопроволочных пропорциональных камер установки СВД-2.

На основе выполненных в НЦ ФЧВЭ БГУ расчетов наблюдаемых величин с учетом однопетлевых электрослабой и квантовохромодинамической поправок в процессе Дрелла - Яна с нейтральным и заряженным токами адаптирована применительно к эксперименту CMS программа для анализа данных по рождению массивных лептонных пар. Измерен отклик калориметра установки ATLAS на прохождение изолированных заряженных адронов в протон-протонных столкновениях при энергиях 0,9 и 7 ТэВ в системе центра масс.

Проведены моделирование и прецизионный теоретический анализ сечений процессов, используемых для измерения светимости в эксперименте ZEUS в DESY. В результате систематическая погрешность измерений светимости уменьшена с 2,6 до 1,8%. Выполнен расчет радиа-

ционной поправки к несохраняющей четность асимметрии в упругом электрон-нуклонном рассеянии применительно к эксперименту по измерению слабого заряда нуклона.

По разработке и при научном сопровождении НЦ ФЧВЭ БГУ на НПО «Интеграл» изготовлено семейство микросхем низкошумящего широкополосного трансимпедансного усилителя-дискриминатора для многопиксельных лавинных фотодиодов, используемых в прототипе мюонной системы эксперимента ПАНДА. Достигнутая базовая характеристика данных ИМС - произведение усиления на полосу частот - является рекордной для имеющейся биполярно-полевой технологии.

Подготовлена методика радиационных испытаний аналоговых микросхем, позволяющая контролировать их функционирование при воздействии проникающей радиации, а также методика регистрации одиночных событий, позволяющая отдельно зафиксировать кратковременные сбои и «защелкивания» полупроводниковой структуры интегральных микросхем. Создана установка, предназначенная для регистрации отклика интегральных микросхем и измерения их параметров на излучение в лабораторных условиях на источниках гамма-излучений и импульсных источниках электронов.

Наш институт принимает участие в реализации государственных научных и научно-технических программ, в том числе в качестве головной организации (в составе БГУ). Среди них - ГПФИ «Поля и частицы» (2006-2010 гг.); ГКПНИ «Нанотех» (2006-2010 гг.), «Космические исследования» (2010-2012 гг.), «Кристаллические и молекулярные соединения» (2006-2010 гг.); ГППИ «Композиционные материалы» (2009-2011 гг.); ГПНИ «Конвергенция» (2011-2015 гг.); «Функциональные и машиностроительные материалы, наноматериалы» (2011-2015 гг.); «Электроника и фотоника» (2011-2015 гг.), «Информатика и космос» (2011-2015 гг.).