Ведущий научный сотрудник Лаборатории ядерных проблем им В. П. Джелепова Олег Смирнов изучил фундаментальный предел точности для детекторов частиц на основе органических сцинтилляторов. В опубликованной в журнале European Physical Journal Plus статье он представил систематический обзор данных и конкретные рекомендации по минимизации источников погрешности для будущих экспериментов.

Фундаментальный предел точности можно проиллюстрировать аналогией с весами, которые самопроизвольно немного отклоняются. Даже если устранить любые внешние помехи, эти отклонения будут ограничивать параметры измерений прибора. Подобным образом собственное энергетическое разрешение ограничивает точность, с которой физики могут определять энергию частиц в сцинтилляционных детекторах.

Наличие неучтенного вклада в энергетическое разрешение особенно критично для экспериментов, использующих органические сцинтилляторы и требующих высокого энергетического разрешения. К ним относятся, например, исследования свойств нейтрино в масштабном проекте JUNO, в котором принимают участие ученые ОИЯИ, или поиски двойного безнейтринного бета-распада.

Олег Смирнов проанализировал лабораторные данные по энергетическому разрешению органических сцинтилляторов, представленные ранее разными исследовательскими группами. В результате анализа было установлено, что даже в идеальном детекторе на основе органического сцинтиллятора существует фундаментальный, неустранимый предел точности измерения энергии частиц. Он связан с так называемым собственным энергетическим разрешением, вызванным статистическими колебаниями в процессе генерации света внутри сцинтиллирующего материала.

Анализ данных по различным органическим сцинтилляторам показал, что вклад собственного разрешения в общую погрешность составляет от 1,5 % до 2,2 % для частиц с энергией 1 МэВ. При этом поведение вклада в зависимости от энергии в исследованном диапазоне до 4 МэВ успешно описывается простой моделью, предложенной автором. Было получено подтверждение, что вклад собственного разрешения имеет ту же энергетическую зависимость, что и основной статистический вклад. Как отметил автор исследования, именно по этой причине и важна точная калибровка экспериментальных установок, использующих фотоэлектронные умножители.

«Моя работа — это напоминание, что у природы есть свои «правила игры», — говорит Олег Смирнов. — Мы не можем обойти этот предел, но мы можем точно его измерить и учесть. Только знание погрешности измерительного инструмента может дать уверенность в полученном результате. Вклад собственного разрешения может оказаться критическим для успеха нового поколения экспериментов, где на кону стоят ответы на фундаментальные вопросы о строении нашей Вселенной».

Энергетическое разрешение жидкого сцинтиллятора EJ301