Вышел подробный отчет о мониторах светимости на LHC

Схема размещения монитора светимости по отношению к точке столкновений (IP) и геометрии пучков. Изображение из статьи H. S. Matis et al., 2016. The BRAN luminosity detectors for the LHC

Все измерения на коллайдере можно условно разбить на две большие группы: относительные и абсолютные. При относительных измерениях изучаются вероятности или распределения событий по тем или иным переменным. Нам не требуется знать, сколько всего таких событий должно было получиться согласно теории; нам хочется лишь сравнить относительную частоту того или иного варианта события.

В абсолютных же измерениях нас интересует уже общее число событий. Теория предсказывает сечение процесса, и для того, чтобы вычислить отсюда число событий, нам требуется знать светимость коллайдера, причем не интегральную, а текущую (пример такого вычисления см. на страничке про светимость). А это значит, что светимость тоже надо измерять, причем в реальном времени.

Именно этим занимаются специальные технические детекторы — мониторы светимости. Они представляют собой особые датчики нейтральных частиц (нейтронов, фотонов), которые установлены в 140 метрах по обе стороны от точки столкновения пучков в детекторах ATLAS и CMS. В этой области встречные пучки с помощью магнитного поля разводятся в стороны по двум вакуумным трубам, и туда же улетают заряженные частицы, родившиеся в направлении вперед. Однако многочисленные нейтральные частицы, которые тоже в изобилии рождаются в столкновениях и тоже вылетают практически вдоль оси пучков, магнитными полями не отклоняются и как раз попадают в эти детекторы. Именно по измерению этого потока этой нейтральной компоненты столкновений и отслеживается светимость коллайдера. Краткое название датчиков — BRAN (beam rate of neutrals) — как раз отражает их принцип работы. Разумеется, к этим детекторам предъявляются специальные требования: скорострельность (то есть способность различать столкновения отдельных сгустков), сверхвысокая радиационная стойкость (детекторы стоят прямо на пути максимально жесткого облучения), надежность работы как самих детекторов, так и электроники.

Публикация The BRAN luminosity detectors for the LHC, появившаяся на днях в архиве е-принтов, подробно рассказывает про устройство, принцип работы, установку и отладку этих детекторов, а также про накопленный за прошедшие годы опыт работы. В этом году коллайдер достиг расчетной светимости и даже превысил ее на 40% — и тем не менее BRAN-детекторы исправно работали даже в таких жестких условиях. Они стали незаменимым инструментом и на этапе настройки пучков в ходе каждого коллайдерного цикла. Когда в процессе настройки пучки еще опасные, основные детекторы отключают питание электроники, чтобы не повредить считывающую систему. И тогда BRAN-детекторы остаются единственными, кто отслеживает пересечение и столкновение пучков, а также замечает флуктуации этого процесса от сгустка к сгустку.