Автоматический контроль характеристик ядерной фотоэмульсии на ПАВИКОМ.
С, В, Г,
И,
Трековые детекторы широко используются в физике элементарных частиц на протяжении многих десятилетий и до сих пор остаются наиболее эффективным методом регистрации заряженных частиц [1, 2, 3]. Ядерные фотоэмульсии выделяются из числа прочих трековых детекторов своим уникальным пространственным разрешением (<1 мкм).
Ядерная фотоэмульсия состоит из большого числа мелких кристаллов галоидного серебра (AgBr), распределённых в желатиновой основе. Линейные размеры кристаллов колеблются в пределах от 1.0 мкм до~0.1, а в современных ЯФЭ может составлять до 30нм.
Заряженные частицы, проходя через слой эмульсии, ионизуют атомы, лежащие на их пути. В результате происходит разложение бромистого серебра и образование центров скрытого изображения. При последующей проявке в эмульсии образуются мельчайшие зёрна металлического серебра размером до 1 мкм, которые наблюдаются под микроскопом в виде точек различного почернения.
Развитие методики автоматизированной обработки эмульсионных данных позволило физикам осуществлять эксперименты, использующие тонны ЯФЭ. При этом современные сканирующие станции позволяют обрабатывать в автоматическом режиме до 80 см2 ЯФЭ в час[4].
Наша научная группа ПАВИКОМ вовлечена в ряд экспериментов, активно использующих методику эмульсионных детекторов. Прежде всего, это эксперимент OPERA.
Эксперимент OPERA стал первым экспериментом по прямому наблюдению появления нейтрино ντ в пучке νμ. В качестве источника νμ используется нейтринный пучок (CNGS – CERN neutrino to Gran-Sasso), направленный из CERN’a в подземную лабораторию в Gran-Sasso, в которой на расстоянии 730 км от источника расположен детектор [4]. Детектор является модульным и состоит из отдельных блоков, так называемых «кирпичей», составленных таким образом, что в большинстве случаев для реконструкции события достаточно проанализировать взаимодействие в одном таком кирпиче. «Кирпич», состоит из 57 эмульсионных пластин, прослоенных 56 пластинами из низкофонового свинца толщиной 1 мм.
Не смотря на то, что пучок из CERN’а был остановлен в декабре 2012 года, работа над экспериментом, в частности по обработке детектора, эмульсионных кирпичей, до сих пор продолжается.
Не так давно было подтверждено 4е событие с образованием тау нейтрино. Что подтверждает наличие нейтринных осцилляций на уровне достоверности 4.2 σ.
Наша научная группа прекрасно продемонстрировала себя в разработке и тестировании методов мюонной радиографии. Данный метод основан на том, что мюоны (космические или от ускорителей) при прохождении сквозь объект претерпевают многократное кулоновское рассеяние на ядрах атомов вещества исследуемого объекта, что приводит к изменению направления их движения. Анализ углового распределения мюонов после прохождения через какой-либо объект позволяет сделать заключение о составе вещества этого объекта, а также о наличии неоднородностей в его толще.
Разрабатывается эксперимент SHiP по поиску скрытых частиц, предсказанных большим количеством моделей Скрытого спектра.
В первую очередь эксперимент нацелен на поиск слабовзаимодействующих долгоживущих частиц, включая тяжелые нейтральные лептоны.
Вывод протонного пучка включает мишень высокой плотности, замедлитель адронов, мюонный щит. Протонный пучок энергией 400 ГэВ может ускоряться кольцом SPS, как это было в течении пяти лет работы пучка для эксперимента OPERA. Этот пучок также представляет собой мощный источник тау нейтрино, наименее изученной частицы СМ.
Предполагаемый детектор для изучения тау нейтрино – 6-ти тонная стена эмульсионных кирпичей. Кирпич – 50 пластин свинца толщиной 1мм и пластины ЯФЭ толщиной 300 мкм (Рис. 1).
Рис. 1 Структура стены нейтринного детектора
Обработка такого огромного количества эмульсий, как в эксперименте OPERA возможна только в автоматическом режиме. С целью улучшить сканирование и обработку данных привела к созданию в ФИАН нового многоцелевого программного обеспечения, ПАВИКОМ. Главная особенность ПАВИКОМ по сравнению с другой системой - реконструкция треков в диапазоне углов θ<45° с высокой эффективностью (89-95%) в реальном времени. В настоящее время с его помощью обрабатываются не только эмульсионные детекторы эксперимента OPERA, но и экспериментов по мюонной радиографии.
Случайно распределенные зерна в эмульсии (вуаль) составляют фон для поиска треков. Уровень фона выражается в плотности вуали, количестве фоновых зерен на 1000 мкм3 эмульсии. Пониженное качество эмульсии, повышенное значение плотности вуали в объеме значительно затрудняет процесс реконструкции треков, что может привести к реконструкции неверных событий.
С целью упрощения анализа эффективности на основе таких параметров эмульсии, как плотность вуали, было создано приложение – дополнение к программному обеспечению для сканирования и обработки эмульсионного детектора.
Данное приложение в режиме реального времени, используя возможность параллельных вычислений многопроцессорного автоматизированного комплекса, выполняет подсчет плотности вуали для каждого тонкого слоя в объеме сканируемого поля зрения эмульсионной пластины. Данные записываются в архив с указанием вертикальной координаты соответствующего слоя (Рис.2).
Вторая часть приложения, дополнение к графическому интерфейсу ПАВИКОМа, представляет в графическом виде зависимость плотности вуали в объеме эмульсии от глубины. Приложение позволяет строить графики зависимости для каждого поля зрения или график усредненного значения плотности вуали по всем полям зрения.
Впервые в пакет была добавлена возможность графического представления данных, настроено взаимодействие библиотек для создания графиков с библиотеками фреймворка ПАВИКОМ. Это позволит в будущем легко добавить построение других необходимых для обработки эмульсии графиков
Эмульсия эксперимента OPERA имеет возраст порядка 10 лет. Естественно, за такой продолжительный срок качество эмульсии заметно снизилось, и как следствие изменился характер распределения плотности эмульсии в объеме детектора. Так как эмульсионный кирпич – самая важная деталь эксперимента, к его сканированию необходимо подходить предельно аккуратным образом, а именно тщательно подбирать параметры сканирования. Знание плотности эмульсии для каждого отдельного кирпича позволяет подбирать именно те параметры сканирования, при которых будет наблюдаться максимальная эффективность реконструкции треков.
Данный инструментарий, несомненно, будет полезен и для будущего эксперимента SHiP при реконструкции и анализе событий по физике тау нейтрино.
Для российских исследований методами мюонной радиографии мы также заинтересованы в эмульсии только высокого качества. Требуемые параметры эмульсии для экспериментов до сих пор находятся в стадии разработки. Имея возможность в автоматическом режиме измерять плотность вуали, мы можем проверять качество предоставляемой эмульсии нашим основным поставщиком компании Славич из Переславля – Залесского.
Очевидность того, как сильно влияет качество эмульсии на процесс реконструкции событий, влечет за собой высокую значимость автоматического восстановления тех параметров эмульсии, что имеет наибольшее влияние на последующий физический анализ реконструированных событий.
а. Объем одного слоя эмульсии. б. Для подсчета плотности зерен, объем
Серым цветом выделена пластиковая подложка. эмульсии разбивается на тонкие слои.
в. В каждом отдельном слое производится суммирование плотности зерен.
г. Для ускорения вычислений используется многопоточный режим. Красным указана область вычислений одного потока
Рис. 2 Схема подсчета плотности зерен в объеме эмульсии с использованием параллельных вычислений
Список литературы
1. England J. B.A., Techniques in Nuclear Structure Physics, 1974, Part 1.
2. С. Дюррани, Р. Балл «Твердотельные ядерные детекторы» Москва,
Энергоатомиздат, 1990.
3. Fowler P. H., Adams R. V., Cowen V. G., Kidd J. M. The charge spectrum of
very heavy cosmic ray nuclei. Proc. Roy. Soc. Lond., 1970, A318, 1-43. R.
4. A. Alexandrov, V. Tioukov, M. Vladimirov. Further progress for a fast scanning of nuclear emulsions with Large Angle Scanning System
2014 JINST 9 C02034
5. Acquafredda et al., The OPERA experiment in the CERN to Gran Sasso
neutrino beam, (2009) JINST 4 P04018
