Р. Задорожный

                        Детектор NOMAD

    Детектор NOMAD (Neutrino Oscillation MAgnetic Detector), расположен под землей, на расстоянии 940 м от синхротрона SPS в CERN, во Франции.
    Первоначальная задача детектора была в том, чтобы регистрировать мюонные нейтрино идущие от ускорителя, полученные следующим образом. Протоны с энергией 450 GeV взаимодействуют c мишенью из бериллия, в результате образуются пион и каон, который, естественно, распадается на мюон и ν_μ .
    В последствии обнаружили, что детектор регистрирует далеко не все мюонные нейтрино идущие от ускорителя, несмотря на рассчитанные теоретические значения. Оказалось, что поток был как “загрязнен”, а именно загрязнение потока ν_μ другими составляющими при среднем значении энергии в 24 GeV было:

• _μ – 7%
• _e - 1 %
• _e - 0,3 %
• ν_τ - бесконечно мало порядка 10^-6 по отношению к скоростям взаимодействия.

  Рис. 2. Нейтринный пучок

    Следовательно, наблюдение ν_τ в детекторе несомненно свидетельствует об осцилляции. Это открытие подтвердило бы гипотезу осцилляций нейтрино: подобное фундаментальное явление может являться следствием наличия у нейтрино массы. Как следствие, вселенная может обладать скрытой массой. Более того, стандартная модель теории элементарных частиц не предусматривает наличие массы у нейтрино, значит, излучение нейтрино позволит расширить эту модель.
    Если NOMAD обнаружит переход ν_μ ν_τ , то это будет первым случаем непосредственного фиксирования ν_τ (до сегодняшнего времени эти частицы фиксировались косвенно при наличии тау-лептонов). Если ν_τ не обнаружатся, то NOMAD подтвердит результаты предыдущих подобных экспериментов. Более того, благодаря своим особенным характеристикам, NOMAD добавит данных, к полученным в результате остальных опытов на взаимодействие нейтрино (CDHS, CHARM и к опытам в пузырьковой камере).

Устройство детектора

    На рис. 4 представлено схематическое изображение детектора.

    Магнит порождает магнитное поле, перпендикулярное плоскости картинки. Это поле изменяет траекторию частицы.
    Итак, чтобы обнаружить ν_τ , NOMAD должен опознать электроны и мюоны, измерить их энергию и зафиксировать появление всех следов в результате взаимодействий нейтрино, чтобы точно подсчитать исчезнувший момент. Следовательно, детектор должен обладать следующими характеристиками:

• Должен быть достаточно массивным для подсчета большого числа взаимодействий нейтрино
• Должен с высокой точностью измерять момент частиц
• Должен различать электроны и мюоны
• Должен быть максимально герметичен, чтобы потеря момента не происходила в результате вылета частиц.

    Камеры смещения используются для обнаружения следов от заряженных частиц, они представляют собой некоторые объемные и легкие мишени одновременно. Сделано это для того, чтобы можно было наблюдать требуемое количество нейтрино, и чтобы минимизировать эффект множественного рассеивания. Активная мишень весом 3 тонны состоит из 44 камер и 5-и дополнительных камер установленных отдельно, внутри области TRD, они используются с для лучшей экстраполяции следов, обнаруженных остальными субдетекторами. Каждая камера состоит из 3 панелей чувствительных проводов. Погрешность определения точки удара в камере составляет 200 микрометров вертикально и 2 мм горизонтально (в перпендикулярном направлении потоку). Камеры смещения были сконструированы DAPNIA в CEA-Sacley.
    Детектор переходного излучения (TRD) позволяет отличать электроны от пионов при факторе отклонения свыше 1000. Он состоит из 9 модулей, каждый модуль, в свою очередь состоит из излучателя и чувствительной пластины. Когда частица, а точнее электроны проходят через излучатель, он порождает переходное излучение (несколько фотонов в энергией порядка нескольких КэВ) с помощью ряда материалов с различной диэлектрической постоянной (315 полипропиленовых пленок в воздушном пространстве) это излучение поглощается чувствительными пластинами и производит дополнительное количество энергии, которая и характеризует электроны. TRD был сконструирован CERN и LAPP d’Anney.
    Preshower состоит из пластины Pb-Sb (96%-4%), которая инициирует потоки частиц (электронов и протонов), и двух панелей чувствительных трубок, расположенных вертикально и горизонтально. Как и в случае с TRD, измеренная внутри него энергия позволяет отличить электроны от пионов (процесс намного улучшается в результате совместного использования с электромагнитным калориметром). Preshower был создан Университетом Лозанны (Universite de Lausanne).

Рис. 6. Система Veto

    Электромагнитный калориметр измеряет энергию электронов и фотонов. Он состоит из просвинцованных стеклянных блоков; двигаясь со скоростью, порядка скорости света, электромагнитные частицы порождают эффект Черенкова (слабое излучение в области видимого спектра), который фиксируется тетродами (специально разработанными для магнитного поля фотоумножителями). Электромагнитный калориметр был создан группой итальянских ученых.
    Вне магнита установлены передний калориметр, адронный калориметр и мюонная камера.
    Адронный калориметр определяет адроны и измеряет их энергию, в частности, нейтральные адроны (нейтроны, К⁰), которые не были выявлены ранее. Состоит он из пластиковых сцинцилляторных панелей, помещенных в железные блоки, которые перекрывают магнитное поле. Адроны взаимодействуют внутри железа и порождают поток частиц, который и фиксируется сцинцилляторами.
    Мюонный детектор состоит из 5 модулей, каждый из которых содержит чувствительные проводящие пластины. Такая система позволяет определить траектории мюонов с особым разрешефнием в 400 микрометров. Только мюоны слабо взаимодействуют с материей и проходят через весь детектор. Железные блоки верхнего потока (т.е. адронный калориметр) служат фильтром для всех остальных частиц.
    Нейтринные взаимодействия фиксируются 3 сцинцилляторными пластинами: одна Veto пластина, Т1 пластина непосредственно перед TRD областью и Т2 пластина перед preshower. Взаимодействие нейтрино на мишени никак не отображается на Veto, но проявляется на Т1 и Т2.

Детектирование

    Кинематическая волна создается магнитным полем с В = 0.4 Тл, направленным горизонтально и вертикально потоку. Магнитное поле отклоняет траекторию заряженных частиц.
    Как уже было сказано, внутри магнита расположены несколько камер смещения, TRD, preshower и электромагнитный калориметр.
    При взаимодействии ν_e или ν_τ, путем обмена W бозоном образуются лептон. Этот лептон как и нейтрино имеет flavor, и тем самым подтверждает что нейтрино провзаимодействовало.
    Поскольку электрон - стабильная частица, а вероятность распада мюона внутри детектора очень мала (время жизни 2.2 микросекунды) их достаточно просто регистрировать в созданных условиях.
    В случае же с ν_τ , полученный тау-лептон мгновенно распадается: его время жизни порядка 10^-13 секунды, и следовательно в детекторе его след будет иметь длину менее 1 мм. Поэтому, тау-лептоны не могут быть зафиксированы непосредственно. Этот лептон обычно распадается в соответствии с приведенными в таблице данными:

 Заключение

Основные распады тау-лептонов
Распад	Вероятность (%)
Мюон, μ, ντ	17.4
Электрон, e, ντ	17.8
Пион, ντ	12.0

    Помимо всего сказанного, на детекторе NOMAD в ЦЕРН было проведено изучение инклюзивного рождения мезонных резонансов в нейтринных взаимодействиях. Впервые наблюдался мезонный резонанс f_0(980) на уровне достоверности 6 сигма. Надежно установлено присутствие другого состояния f_2(1270).
    Впервые получено ограничение на существование аксиона в интервале масс 1 - 100 эВ на детекторе NOMAD, основанное на методе регенерации фотонов, также впервые использованном при высоких энергиях.
    Предел на вероятность осцилляций мюонного и тау нейтрино снижен более чем в три раза до уровня ~2·10^-4 (90% CL) при больших М² с помощью нового улучшенного метода анализа данных в NOMAD.