История

В ядерной физике и физике элементарных частиц широко применяются различные трековые детекторы, основанные на визуальных методах обработки данных. Популярность трековых детекторов неслучайна и обусловлена целым рядом их достоинств: наглядностью результатов эксперимента, относительной простотой и дешевизной, способностью накапливать информацию в течение длительного времени и высоким пространственным разрешением. Преимущества твердотельных трековых детекторов в сочетании с простотой поиска, счета и измерения треков, что позволяет им успешно конкурировать с другими методиками регистрации субатомных частиц; в некоторых случаях новые важные результаты могут быть получены только с использованием трекового метода.

Серьезной трудностью при обработке данных, полученных с помощью трековых детекторов, можно считать необычайную трудоемкость анализа зарегистрированных явлений. Проблема автоматизации поиска событий и измерений параметров следов релятивистских частиц в трековых детекторах вследствие многообразия, специфичности и сложности связанных с ней вопросов всегда требовала специального рассмотрения. В настоящее время проблему автоматизации поиска, прослеживания следов и измерения их характеристик можно считать практически решенной, поскольку существуют надежно работающие автоматические измерительные системы, позволяющие измерять импульсы частиц (по кулоновскому рассеянию), их скорости и заряды (по ионизирующей способности), а также проводить поиск интересующих экспериментатора событий и прослеживать отдельные следы релятивистских частиц.

Успех в создании автоматизированных микроскопов на международном уровне был достигнут благодаря развитию производства прецизионной и вычислительной техники, созданию оптических столов с высокой точностью перемещения и широкому применению приборов с зарядовой связью для регистрации и оцифровывания оптических изображений, таких как CCD-камеры (цифровые видео- или фотокамеры, способные в реальном времени фиксировать изображения, предназначенные для дальнейшей передачи на компьютер). Всего в мире (в Европе и Японии) действует более 50 подобных комплексов, и это число постоянно увеличивается. В настоящее время скорость сканирования таких установок достигает 20 см²/час (в Европе) и 80 см²/час (в Японии), причем скорость обработки эмульсионных экспериментов и площадь сканирования в последние годы стремительно растут.

Динамика развития эффективности обработки эмульсионных экспериментов - рост скорости обработки

Быстрое сканирование ядерных эмульсий в автоматическом режиме обеспечивает работающий в ФИАН высокотехнологичный комплекс ПАВИКОМ, удовлетворяющий современным мировым стандартам. Установка ПАВИКОМ создана в 2000 году и в течение долгого времени, до появления в 2011 году аналогичной аппаратуры в НИИЯФ МГУ, она оставалась единственным в России измерительным комплексом подобного класса. Измерения на ПАВИКОМ охватывают широкий спектр актуальных проблем современной ядерной физики, физики космических лучей и физики высоких энергий - ни одна аналогичная установка в мире не используется для решения столь широкого класса задач.

На комплексе ПАВИКОМ за период его эксплуатации выполнен целый ряд успешных работ, защищено пять кандидатских и две докторские диссертации, результаты которых прошли апробацию на многих российских и международных конференциях, являются новыми и оригинальными.

Среди задач, решение которых было осуществлено с помощью ПАВИКОМ, стоит отметить следующие.

1. Эмульсионный эксперимент EMU-15 (CERN) по изучению коллективных эффектов и особенностей разлета вторичных частиц в столкновении ядер атомов свинца, ускоренных до энергии 32 ГэВ/ядро, с атомами свинца мишени.

Изображение одного из событий эксперимента EMU-15 до и после обработки на ПАВИКОМ

2. Поиск вершин взаимодействия тяжелых ядер, зарегистрированных в эксперименте RUNJOB (ФИАН, НИИЯФ МГУ, 7 японских университетов) с целью изучения поэлементных энергетических спектров первичного космического излучения;

3. Обработка эмульсии в ходе экспериментального исследования спектров электронов внутренней конверсии для изучения свойств ядерных состояний – энергий, спинов, четностей, изотопических спинов и других характеристик (эксперимент "СПЕКТР", ИТЭФ, ОИЯИ);

4. Исследование электроядерного способа производства энергии и изучение трансмутации радиоактивных отходов, проект "Энергия плюс трансмутация";

5. Обработка данных эксперимента "ПЛАТАН" с целью исследования первичных космических лучей солнечного и галактического происхождения методом многослойных твердотельных трековых детекторов (в сотрудничестве с Санкт-Петербургским Физико-техническим институтом им.А.Ф.Иоффе РАН);

6. Поиск экзотических ядер с двумя и более нейтронами в приповерхностной области при изучении механизма взаимодействия легчайших нейтроноизбыточных ядер с ядрами мишени (в сотрудничестве с ИЯИ РАН);

7. Измерение зарядов релятивистских ядер в фотоэмульсии для изучения азимутальной анизотропии вылета многозарядных продуктов реакции в направлении, перпендикулярном плоскости ядерной реакции с целью изучения возможных проявлений фазового перехода второго рода в ядерном веществе в условиях сильно сжатой материи при высоких температурах (в сотрудничестве с ИЭТФ);

8. Международный эксперимент "БЕККЕРЕЛЬ" по изучению процессов фрагментации релятивистских ядер на пучках нуклотрона ОИЯИ с использованием эмульсионной методики. Для решения задач эксперимента на ПАВИКОМ был разработан метод автоматизированного измерения зарядов ядер в эмульсии.

Пример взаимодействия релятивистских ядер ¹⁴N и ²⁸S с ядрами фотоэмульсии представлен на микрофотографии, полученной на ПАВИКОМ для эксперимента "БЕККЕРЕЛЬ". Представлено центральное соударение ядра ²⁸Si с импульсом 200 А ГэВ/с с ядром эмульсии.

9. Эксперимент ОЛИМПИЯ ("Оливины из метеоритов - поиск тяжелых и сверхтяжелых ядер") осуществляется с 2005 в сотрудничестве с Институтом геохимии и аналитической химии им. Вернадского РАН, Научно-исследовательским институтом ядерной физики им. Д.В.Скобельцына МГУ, Лабораторией высоких энергий ОИЯИ, Институтом геохимии окружающей среды НАНУ. В работе ведется изучение треков сверхтяжелых ядер галактического космического излучения, протравленных в оливинах из метеоритов.

Изображения треков тяжелых ядер галактического космического излучения, протравленных в кристаллах оливина из железо-никилевого метеорита Марьялахти

10. Международный эксперимент OPERA по наблюдению осцилляций мюонных нейтрино в таонные в пучке мюонных нейтрино от ускорителя CERN. В эксперименте принимают участие физики из 13 стран (39 институтов). Первый сеанс эксперимента состоялся в 2006, в настоящий момент он находится в стадии накопления данных. Для сканирования эмульсионных пленок в эксперименте OPERA в ФИАН используется установка ПАВИКОМ-2.

11. Обработка эксперимента по двойному β-распаду.

12. Обработка данных пилотных экспериментов по исследования в области мюонной радиографии.

Работы по созданию и развитию ПАВИКОМ были поддержаны академиком Е.Л.Фейнбергом.