Ученые МФТИ участвовали в создании фотонного детектора для эксперимента DUNE

Фотонный детектор ArCLight — одно из ключевых устройств проекта DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment), разработала международная группа физиков, 5 декабря сообщает журнал Московского физико-технического института (МФТИ) «За науку». Задачей эксперимента DUNE является получение недостающих фундаментальных параметров нейтрино. Прибор ArCLight (ArgonCube) в этом эксперименте будет использоваться в качестве модуля ближнего детектора. В этом детекторе будет 35 модулей, помещенных стенка к стенке с минимальным зазором в общем криостате со сжиженным аргоном и находящихся в электрическом поле. В каждом модуле будет смонтирован детектор ArCLight, покрыв всю доступную внутреннюю поверхность стенок. При таком расположении детекторов обеспечивается наиболее эффективная регистрацию фотонов. Эти фотоны будут возникать при взаимодействии нейтрино со средой время-проекционной камеры (жидкий аргон). Этот так называемый сцинтилляционный свет и должен регистрировать детектор ArCLight. Поместить на стенки аргоновой камеры этот детектор можно потому, что он не вносит искажения в направляющее электрическое поле. Конструктивно детектор ArCLight представляет собой плоскую панель, состоящую почти полностью из диэлектрического пластика тетрафенил бутадиена (TPB), с нанесенными по всей его поверхности листами дихроичного зеркала (оптический элемент, отражающий излучение только одной длины волны и свободно пропускающий остальные длины волн). Когда излучение из области вакуумного ультрафиолета попадает на слой TPB, тот его поглощает и излучает новую волну уже в синем диапазоне (пик при 430 нм). После этого волна синего света проходит сквозь дихроичное зеркало и попадает в область спектросмещающего полимера WSL, где происходит еще одно преобразование волны в область зеленого диапазона (пик при 490 нм). Излучение зеленого диапазона отражается от зеркала, направляется к массиву из шести кремниевых фотоумножителей и далее преобразовывается в электрический сигнал. Ведущий научный сотрудник лаборатории фундаментальных взаимодействий МФТИ Игорь Кресло рассказал о работе над детектором: «При разработке ArcLight наиболее сложным этапом для нас оказалось подобрать материалы так, чтобы детектор выдерживал многократные охлаждения до температуры жидкого аргона (~ 187 К) и нагрев обратно до комнатной. При низкой температуре полимерные материалы становятся хрупкими, и, при несоответствии коэффициентов теплового расширения, детектор может разрушиться — треснуть». Были сконструированы несколько прототипов фотодетекторов разных размеров — от маленьких (5 × 5 см) до необходимых для DUNE 30 × 50 см. Фотонная эффективность этих прототипов варьируется от 0,8% до 2,2%. Этот параметр показывает долю фотонов, возникающих при взаимодействии аргона с нейтрино, которая детектируется прибором. Детектор с высокой эффективностью способен зарегистрировать частицу с меньшей энергией. Это позволит ему фиксировать частицы в широком диапазоне энергий, что повышает статистическую значимость результатов эксперимента. Важным этапом при производстве ArCLights является нанесение слоя тетрафенил бутадиена, который поглощает излучение жидкого аргона и излучает свет в синем диапазоне. Эксперименты показали, что эффективность детектора зависит от способа нанесения этого материала на дихроические зеркала. Были использованы два метода покрытия TPB: с помощью аэрографа и с помощью осаждения. Сравнение эффективности этих методов проводилось на специальной установке. В ней использовался импульсный светодиод с излучением света длиной волны 270 нм. Он устанавливался на роботизированной руке, которая последовательно перемещалась по поверхности двух ArCLight с различным покрытием. В результате было установлено, что покрытие испарением в два раза эффективнее, чем выполненное методом аэрографа. Учеными были разработаны методы контроля качества изготовления ArCLight для серийного производства. В этом им помог богатый опыт сотрудников лаборатории МФТИ по созданию детекторов заряженных частиц. В основе метода лежит как можно более близкая имитация рабочего окружения детектора. Она реализуется систематическим сканированием его поверхности точечным источником света, которое выполняется в черном ящике, защищающем установку от постороннего света. Авторы представили свою работу в двух статьях, опубликованных в журнале Instruments. В 2018 году была опубликована статья «ArCLight — компактный диэлектрический фотонный детектор большой площади» (ArCLight—A Compact Dielectric Large-Area Photon Detector) и статья «Усовершенствование и уточнение характеристик диэлектрического детектора света большой площади ArCLight для жидкоаргоновых проекционных камер» (Improvement and Characterisation of the ArCLight Large-Area Dielectric Light Detector for Liquid-Argon Time Projection Chambers) в 2024 году. glavno.smi.today