Эксперимент NOvA

наблюдает изменения в потоках нейтрино на расстоянии 810 км

Опубликовано в еженедельнике ОИЯИ "Дубна"  № 34 (2015)

В международном эксперименте NOvA (Фермилаб, США) ученые получили первые результаты, связанные с исследованием эффектов осцилляций в пучках мюонных нейтрино. Тем самым они подтвердили, что уникальные детекторы, используемые в этом эксперименте, способны с высокой эффективностью регистрировать взаимодействия нейтрино. В этом эксперименте используются два детектора. Дальний детектор расположен в штате Миннесота на расстоянии 810 км от ускорителя, который находится в Фермилабе (штат Иллинойс). Этот детектор имеет размеры: 16 м высота, 16 м ширина, 62 м длина; масса - 14 килотонн. Он регистрирует потоки нейтрино, которые отличаются от исходных потоков за счет эффектов осцилляций. Набор информации на этом детекторе начался в феврале 2014 года, когда его строительство еще шло полным ходом. Это позволило провести тестовые измерения и начать набор статистики в полной конфигурации в ноябре 2014 года.

Ближний детектор находится в Фермилабе вблизи канала ускорителя, в котором на глубине 100 м под землей рождаются нейтрино. В ближнем детекторе измеряется начальный состав нейтринного пучка. На пути к дальнему детектору нейтрино проходит под землей расстояние 810 км и осциллирует, то есть меняется интенсивность и состав нейтринного пучка. Интенсивность исходного пучка нейтрино в Фермилабе очень высокая - ускоритель генерирует примерно один триллион нейтрино в секунду. Однако, из-за того, что эти частицы взаимодействуют с веществом крайне редко, в Миннесоте регистрируются только единичные взаимодействия нейтрино.

В настоящее время ученым известны три типа нейтрино, а именно электронные нейтрино, которые при взаимодействии с веществом детектора рождают электроны, мюонные нейтрино - рождают мюоны, и тау-нейтрино, которые образуют тау-лептоны. Исходный пучок нейтрино в Фермилабе содержит в основном мюонные нейтрино и маленькую примесь электронных нейтрино на уровне 1 процента. Таким образом, регистрируя взаимодействия мюонных и электронных нейтрино в ближнем и дальнем детекторах, ученые могут определить, сколько мюонных нейтрино исчезло из пучка и превратилось в электронные нейтрино на пути от ближнего к дальнему детектору.

В отсутствии осцилляций нейтрино экспериментаторы ожидали зарегистрировать в дальнем детекторе 201 мюонное нейтрино. Реально было зарегистрировано только 33 события от взаимодействия этих нейтрино. Такой дефицит событий является неоспоримым доказательством, что мюонные нейтрино исчезли из пучка из-за осцилляционных переходов в тау и электронные нейтрино. Аналогично, если бы мюонные нейтрино не осциллировали в электронные нейтрино, то в дальнем детекторе ожидалось бы зарегистрировать только одно взаимодействие электронного нейтрино. На самом деле экспериментаторы зарегистрировали шесть таких событий, что подтверждает превращение части мюонных нейтрино в электронные нейтрино.

Ранее аналогичные эксперименты с детекторами, удаленными на большие расстояния от ускорителя, такие как Т2К в Японии и MINOS в Фермилабе, уже наблюдали эффекты осцилляций мюонных нейтрино в электронные. В эксперименте NOvA, где набор данных планируется проводить в течение шести лет, уже сейчас получили почти такой же результат, но за более короткий промежуток времени. Наличие в Фермилабе самого интенсивного в мире пучка нейтрино, мощность которого составляет 521 кВт, и его эффективное использование явилось одной из причин, почему результат был получен так быстро. Использование такого пучка предоставляет эксперименту NOvA серьезные конкурентные преимущества. В начале следующего года в Фермилабе планируется довести мощность нейтринного пучка до 700 кВт, что позволит к концу 2016 года увеличить статистику эксперимента в три раза.

Научную значимость получаемых результатов трудно переоценить. Несмотря на то что нейтрино является самой распространенной массивной частицей во Вселенной, до сих пор не все ее свойства хорошо изучены. В частности, ученые знают, что существует три типа нейтрино, но они не знают их масс и того, какое нейтрино является самым легким, а какое - самым тяжелым, то есть иерархия массовых состояний нейтрино остается неизвестной. Ее определение является одной из основных задач эксперимента NOvA, поскольку в настоящее время только этот эксперимент способен, при некоторых условиях, измерить иерархию масс нейтрино. Экспериментальное решение этой проблемы могло бы помочь в определении механизма генерации масс нейтрино. Хотя с помощью знаменитого бозона Хиггса ученые объясняют, как генерируются массы многих фундаментальных частиц, в частности электрона и мюона, однако неизвестно, какое отношение этот механизм имеет к генерации масс нейтрино. Дело в том, что, по современным оценкам, нейтрино существенно легче других частиц (массы нейтрино примерно в миллион раз меньше, чем масса электрона).

Как и в эксперименте Т2К, эксперимент NOvA будет исследовать эффекты осцилляций в пучках и нейтрино, и антинейтрино, что позволит выяснить возможные фундаментальные отличия между этими частицами. Асимметрия между нейтрино и антинейтрино могла нарушить на ранней стадии развития Вселенной космический баланс между материей и антиматерией в пользу материи, сделав возможным именно тот мир, который мы наблюдаем. Скоро ученые смогут провести совместный анализ данных ускорительных экспериментов Т2К, MINOS, NOvA и получить более точные ответы на самые интересные вопросы о свойствах нейтрино.

В международную коллаборацию NOvA входят 210 ученых и инженеров из 39 институтов в США, Бразилии, Великобритании, Греции, Индии, России и Чехии. Россия в этом эксперименте представлена двумя институтами: Институтом ядерных исследований Российской академии наук (ИЯИ РАН), Физическим институтом им. П. Н. Лебедева (ФИАН) и Объединенным институтом ядерных исследований. Российские ученые участвовали во всех этапах создания детекторов, а в настоящее время занимаются обработкой и анализом данных эксперимента. В составе российских групп активно работают студенты и аспиранты ведущих вузов страны, таких как МГУ, МФТИ и других. Работы по эксперименту NOvA в РФ поддержаны в рамках целевых программ и грантов РАН, Министерства образования и науки, РФФИ.