За останні два роки українські вчені перемогли у тендерах на розробку і створення трьох унікальних детектуючих приладів для міжнародних експериментів з фізики. Зокрема, під час експерименту OPERA (ЦЕРН), що відбувся у 2012 році, фізикам вперше вдалося зафіксувати перетворення мюонного нейтрино на тау-нейтрино, що доводить наявність маси у нейтрино. 

Це стало можливим завдяки роботі величезного міжнародного колективу науковців із 13 країн. Значний внесок у цьому вчених Інституту сцинтиляційних матеріалів (ІСМА) НАН України і Об’єднаного інституту ядерних досліджень (ОІЯД, Дубна, РФ), які розробили і виготовили унікальний сцинтиляційний координатночутливий детектор OPERA. Без цього неможливо було б провести експеримент. 

Аби оцінити масштабність останнього, достатньо навести лише окремі параметри установки OPERA. Вона має розміри триповерхового будинку (10 х 10 х 20 м3) при загальній масі 1250 тонн і містить 150 тисяч блоків із пластин свинцю і емульсії, що чергуються (понад 100 тисяч квадратних метрів емульсії, нанесеної в два тонких шари на прозору плівку). З блоків побудовано 62 стінки, розміром 40 квадратних метрів кожна, які чергувалися зі стінками, складеними з сцинтиляційних стрипів, призначених для визначення блоку, в якому відбулася взаємодія. Ці детектори є складовими координатного детектора, або так званої трекової системи указання цілі (ТСЦ).

За вимогами проекту OPERA, виконавці мали оперативно виготовити десятки тисяч сцинтиляційних стрипів, довжиною 7 м з перетином 26,3х10,6 мм та світловим виходом 4,5 фотоелектрона при реєстрації космічних мюонів. Та жодна з наявних у світі технологій не могла забезпечити такого виробництва. Вчені ІСМА НАН України досить швидко вирішили це завдання за рахунок підвищення прозорості сцинтиляційного матеріалу до 90—150 см і підвищення коефіцієнта віддзеркалення покриття стрипу до 0,97.

Основним «know how» наших учених стало використання у процесі екструзії сцинтиляційного розплаву, що готувався безпосередньо на місці методом блокової полімеризації, та розроблення нового складу і способу приготування коекструзійного відбиваючого покриття. Досконалість створеної технології було підтверджено у Страсбурзі (Франція) під час проведення міжнародного тендеру на виробництво стрипів, який і виграв ІСМА НАН України.

Спільно з групою фахівців ОІЯД вчені Інституту сцинтиляційних матеріалів розробили і впровадили у виробництво спеціальний високоефективний пристрій зчитування оптичного сигналу з кожного стрипу та алгоритми, а також склали програми, за допомогою яких визначають місце реєстрації тау-нейтрино. Це дало змогу успішно застосувати унікальні детектуючі пристрої не лише в проекті OPERA, а й в інших сучасних експериментах з фізики високих енергій. Вагомий внесок для отримання важливіших результатів з виявлення топ-кварка і уточнення мас W і Z бозонів в експерименті CDF (США) зробили автори роботи при створенні швидкого мюонного детектора, який є основною системою часового відбору й аналізу подій.

Площа мюонного детектора становить кілька сотень квадратних метрів. Тому до пластмасових сцинтиляторів (ПС) висували особливі умови: великі розміри (понад 3 м), висока прозорість (не менше 2,7 м) і безперервний термін експлуатації (не менше ніж 10 років).

Вчені ІСМА НАН України створили технологію виробництва ПС із необхідними властивостями, а також радіаційно стійких і зі стабільними світловими виходами. При виготовленні мюонних детекторів учені ІСМА НАН України і ОІЯД (Дубна, РФ) розробили також оригінальну оптоволоконну систему збору світла з довгомірних пластин. Це дало змогу на порядок зменшити розкид сигналів уздовж детектора.

У результаті впровадження нових розробок, ІСМА НАН України переміг у міжнародному тендері, що проходив у США, на виготовлення 16 тонн сцинтиляційних пластин і 1200 мюонних детекторів для експерименту CDF-2.

Дослідження, виконані харків’янами спільно з фахівцями ОІЯД, були вирішальними у розробці електромагнітних калориметрів модульної структури, що застосовуються в експерименті COMPASS (CERN, Швейцарія), в якому вивчають проблеми квантової хромодинаміки, пов’язані зі структурою нуклона. Для цього експерименту розробили свинцево-сцинтиляційний детектор типу «Шашлик» з оптоволоконною оптичною системою, що реєструє прямі фотони в енергетичному діапазоні від 0,2 до 30 ГеВ, має високе просторове і енергетичне розділення, спроможний діяти в магнітному полі.

Отже, завдяки тривалій і плідній праці авторського колективу — Артікова А. М., Будагова Ю.А., Галунова Н.З., Жмуріна П.М., Крумштейна З.В., Лебедєва В. М., Лагутіна В.М., Ольшевського О.Г., Чірікова-Зоріна І.Е, Тарасова В.О. — створено новітнє технологічне устаткування, розроблено і впроваджено у виробництво цілу низку наукоємних, високорентабельних технологій виробництва пластмасових сцинтиляторів. А на їхній основі було розроблено унікальні детектуючі пристрої, які успішно застосовують у багатьох сучасних міжнародних експериментах з фізики високих енергій. 

Завдяки впровадженню результатів роботи вітчизняних учених Україна зайняла провідні позиції на світовому ринку унікальних детектуючих приладів, що гарантує їй участь у майбутніх міжнародних фізичних експериментах. 

Враховуючи надзвичайну важливість виконаних робіт і вагомість отриманих результатів, цю роботу висунуто на здобуття Державної премії України у галузі науки і техніки за 2014 рік, і, на мою думку, вона цілком на це заслуговує. 

Леонід БУЛАВІН,
доктор фізико-математичних наук,
академік КНУ ім. Тараса Шевченка
для «Урядового кур’єра»