Г.А. Лукьянченко Neutrino FactoryВведениеNeutrino factory – это проектируемый комплекс для изучения свойств нейтрино и нейтринных осцилляций. В Neutrino Factory предлагается разгонять пучок мюонов до нескольких десятков ГэВ и инжектировать их в накопительное кольцо с длинными прямыми сторонами, где мюоны, распадаясь, образуют пучок нейтрино. Распады μ− → e−νμe и μ+ → e+νeμ, происходящие в прямых частях накопительного кольца, создают потоки нейтрино, направленные вдоль этих прямых секций. Это позволяет направлять пучок нейтрино в сторону детектора сквозь толщу земли. С помощью двух детекторов, регистрирующих образующиеся нейтрино сразу после выхода из мюонного накопителя и после их прохождения сквозь Землю, возможно изучать нейтринные осцилляции и взаимодействие нейтрино с материей.
Рис. 1 Используя мюоны, в качестве источника нейтрино, можно получить чистый, интенсивный и высокоэнергичный пучок нейтрино (а также антинейтрино). Чистота пучка подразумевает, однородность его исходного флейворного состава, а высокие интенсивность и энергичность упрощают регистрацию нейтрино детекторами. Возможность создавать антинейтринные пучки позволяет исследовать различие между частицами и античастицами. Всё это делает эксперимент по созданию нейтринной фабрики крайне важным для дальнейшего исследования этих частиц. Цели комплекса Основными преимуществами нейтринной фабрики над
существующими источниками нейтрино являются направленность пучка, его плотность,
точно известный исходный флейворный состав и узкий энергетический спектр. Причём
предлагаемая схема позволяет создавать пучки как электронных, так и мюонных
нейтрино и антинейтрино.
Общее устройство комплексаПервичный пучок протонов используется для создания пучка пионов, которые распадаются на мюоны, в свою очередь распадающиеся с образованием нейтринного пучка. Основной пучок протонов средних энергий (2-50 ГэВ) соударяется с мишенью из вещества с высоким Z (например Hg), в результате чего образуется вторичный пионный пучок. Пионы быстро (26 нс) распадаются на относительно долгоживущие (2,2 мкс) мюоны. Остальная часть нейтринной фабрики служит для формирования и ускорения мюонного пучка до нескольких десятков ГэВ, и инжекции его в накопительное кольцо. Прямые секции ускорительного кольца должны быть расположены таким образом, чтобы образовавшийся пучок нейтрино попадал в детектор, находящийся в тысячах километров от источника. Планируемые характеристики:
Основные компоненты комплекса (Рис. 2):
Входная частьОбщая схема входной части (front end – часть установки между мишенью и первым линейным ускорителем) представлена на рисунке 3.
Длина всей входной части – 295 метров. Первые 12 метров
используются для захвата пионов, образовавшихся в мишени. Здесь магнитное поле
снижается с 20 Тл в районе мишени до 1,75 Тл, а радиус трубы увеличивается с 7,5
см до 25 см. В следующих 99 метрах пионы распадаются на мюоны. Далее 50 метров
используются формирования банчей, и ещё 54 метра для поворота фазы. В последних
80 метрах происходит ионизационное охлаждение пучка.
Мюоны, образовавшиеся из распада пионов, имеют большой
энергетический разброс. Поэтому после прохождения дрейфовой камеры появляется
корреляция между энергией мюона и его положением в пучке (более быстрые мюоны
«убегают» вперёд). Для устранения этой корреляции используется система изменения
фазы, представляющая собой индукционный ускоритель.
После прохождения входной части установки остаётся около 1 – 2 мюонов с десяти первичных протонов. Что при мощности протонного ускорителя в 1 МВт даёт около 1020 мюонов в год. В дальнейшей части комплекса количество результирующих мюонов практически не уменьшается. Мюонный ускоритель и накопительное кольцо. В качестве ускорителя полученных мюонов предлагается
использовать рециркулирующие линейные ускорители. Первый ускоритель – линейный,
который увеличивает энергию пучка до
Накопительное кольцо служит для накопления ускоренных мюонов до их распада. Оно может иметь различную форму, однако необходимо, чтобы наиболее длинная секция смотрела в сторону детектора. Наиболее простым вариантом является кольцо в форме вытянутого стадиона. В таком случае около 35% процентов накопленных мюонов распадаются в секции, направленной в сторону ближнего и дальнего детектора. При этом частицы разного знака инжектируются в кольцо с разных сторон, чтобы нейтрино разных типов (образующиеся при распадах положительных и отрицательных мюонов соответственно) прибывали в детекторы в разное время. До распада мюоны успевают сделать в среднем около 500 оборотов по кольцу. ЗаключениеПроектируемый комплекс Neutrino Factory открывает новые возможности в исследовании в области нейтринной физики, благодаря уникальным характеристикам создаваемого нейтринного пучка. Однако на данный момент комплекс находится лишь на стадии проектирования. Различные страны (США, Великобритания, Япония) предлагают разные схемы ускорительной части и разные места для расположения комплекса, возможно комплекс будет строиться на основе какого-либо существующего ускорителя. Так же на данный момент не решено, какие именно детекторы будут использоваться для регистрации результирующего пучка нейтрино.
Список литературы.
Источники картинок: https://www.ids-nf.org/wiki/FrontPage/GeneralInfo , [4] и [5] 2009 г. |