Эксперимент MINOS

С.И. Сергеева

Эксперимент MINOS

Цель эксперимента

    Так сложилось исторически, что эксперименты с нейтринными осцилляциями всегда были трудными. Скептицизм, который существует, доказывает тот факт, что моделей в этой области эксперимента достаточно много. Вопрос существования данного явления до сих пор остаётся открытым.
    Этот проект отличается по нескольким аспектам: во-первых, MINOS (эксперимент по изучению нейтринных осцилляций) использует низкоэнергетический пучок (3 ГэВ), во-вторых, в нём измеряют абсолютный предел времени прохождения пучка нейтрино по точности < 100 нс, сравнивая время регистрации нейтрино в ближнем (ND) и дальнем детекторах (FD), расположенных на расстоянии 735 км. В-третьих, проводят уникальное измерение, сравнивая энергии нейтрино в заряженных (СС) взаимодействиях со временем взаимодействия в дальнем детекторе.
    Основная цель эксперимента – это изучение осцилляций мюонных нейтрино. Нейтринный пучок, произведённый в Фермилабе, попадает вначале в ближний детектор, расположенный на территории Фермилаба, и потом в дальний детектор (шахта Судан, Миннесота). Сравнивая релятивистские части ароматов нейтрино в дальнем и ближнем детекторах, находят осцилляционные параметры.

Краткая история

В 1991 году Консультативному Физическому комитету в Фермилабе поступило предложение направить нейтринный пучок от Главного Инжектора TEVATRON в Фермилабе к Судан 2 детектору в Северной Миннесоте. С расстоянием в 734 км и энергией взаимодействия нейтрино 17 ГэВ у эксперимента была бы максимальная чувствительность к осцилляциям нейтрино:

Δm² = πE/2.53L ≈ 0.03 эВ²..

В последующем предложении, представленном коллаборацией MINOS в январе 1995 г., предполагалось построить новый детектор на 10 килотонн в Суданской шахте, чтобы уловить пучок, идущий от Главного Инжектора. Это предложение было одобрено Fermilab PAC в апреле 1995 г. Строительство детектора MINOS началось в конце 1998-1999 гг.
На конечном этапе эксперимент MINOS состоит из трех элементов: пучок нейтрино в Фермилабе, ближний детектор по направлению движения луча из Фермилаба и дальний датчик в Суданской шахте (рис 1, 2).

Рис. 1. Эксперимент MINOS на карте


Главный инжектор Фермилаб	Шахта Soudan

Протоны 120 ГэВ, 4·10¹³ протонов/с каждые,1.9 с	2341 футов от поверхности, 689 футов под уровнем моря
Рис.2. Эксперимент MINOS.

Нейтринный пучок

Нейтринный пучок NuMI (Нейтрино в Главном Инжекторе) представляет собой самый интенсивный источник нейтрино в мире, что является причиной существования данного типа эксперимента. Пучок состоит преимущественно из ν_μ, образующихся в результате распада π- и K-мезонов, когда ускоренный Главным Инжектором пучок протонов с энергией 120 ГэВ сталкивается с графитовой мишенью. За 1 поворот Главный Инжектор направляет 4·10¹³протонов. Импульсный дипольный магнит извлекает протоны из Главного Инжектора. Полученный магнитный сигнал фиксируется приёмником GPS в ближнем детекторе ND и определяет время нахождения в пути t₀.
Схема пучка NuMI показана на Рис. 3. Два параболических магнита используются для фокусировки заряженных частиц, полученных при взаимодействии протонов с мишенью. Затем адроны проходят внутри вакуумной трубы длиной 675 м, где образуются антимюоны и мюонные нейтрино (распады на позитроны и электронные нейтрино происходят примерно в 1 % случаев). Секция поглотителя и скальные породы используются для замедления адронов, которые не претерпели распад. Большинство мюонов образуется в скальных породах длиной 240 м между трубой распада и ближним детектором (ND).

Рис. 2. Пучок NuMI. Протоны от Главного Инжектора соударяются с графитовой мишенью, образующей вторичные адроны, которые фокусируются магнитными горнами. Далее вторичные адроны распадаются на мюоны и мюонные нейтрино. Секция поглотителя и скальные породы перемещают адроны и мюоны, покидающие нейтринный поток, который отделяет мишень от ближнего детектора (1 км). ν_μ − 92.9%, _μ − 5.8%, (ν_е − _е⁾ − 1.3%. Энергия нейтрино − (3-9) ГэВ.

Рис. 4. Спектры нейтрино.

Оба магнитных горна и мишень подвижные. Изменяя относительные положения, получают пучок с одним из трёх различных энергетических спектров: так называемые низко-, средне- и высокоэнергетичные (рис. 4).

Детекторы

Детекторы построены подобными друг другу, чтобы уменьшить систематические погрешности. Следовательно, вначале удобно описывать главные особенности детекторов MINOS, а потом различие между ними.

Структура детектора MINOS

    Детекторы MINOS – это хорошо гранулированные трековые калориметры со стальным слоем поглотителя и активным слоем пластикового сцинтиллятора. Сцинтиллятор состоит из полистирола, заполненного флюоритом РРО (1%) и РОРОР (0.030%). Толщина слоя 2.54 см и 1 см для стали и сцинтиллятора соответственно. Каждая плоскость детектора – это слоистая конструкция стали, воздуха и сцинтиллятора с расстоянием между плоскостями примерно 6 см. Сцинтилляционные слои состоят из полос толщиной 4.1 см каждая, в случае дальнего детектора может быть длиной до 8 м. Ориентация полос чередуется с каждой последующей полосой под углом ±90^о. Разрешающая способность детектора ≈ 23%/√Е для электромагнитных ливней и
≈ 55%/√Е для адронных ливней, где энергия измеряется в ГэВ.
    Каждая полоса имеет углубление, которое сужает её широкий край, регулирующий длину полосы. Оптоволокно Kuraray Y11 (WLS) диаметром 1.2 мм приклеено в это углубление, чтобы передавать свет, образованный в сцинтилляторе, к фотодетекторам. Полоса также покрыта отражающим светочувствительным слоем полистирола, смешанным c TiO₂, чтобы увеличить количество света, поглощённого волокном.
    Сцинтилляционные полосы расположены в группах по 20 или 28 штук и прикреплены к форменным модулям внутри тонкого слоя алюминия. Эти модули также вмонтированы в корпус пластиковых коллекторов, которые отделяют волокна WLS от каждого конца полосы к оптическому разъёму. Чистое волокно потом используется для передачи света от модулей к мильтипиксельным фототрубам фирмы Hamamatsu.
    Оба детектора намагничены заряженной переносящей катушкой. Это позволяет измерить импульс высокоэнергетических мюонов из кривизны, хотя разрешающая способность ограничивается кулоновским рассеиванием в стали: при 10 ГэВ импульс мюона может быть измерен с точностью ≈14 %. Низкоэнергетические тормозящие мюоны могут быть измерены диапазоном более точно. Разрешающая способность достигается этим методом приблизительно с точностью 6 %.

Дальний Детектор

Рис. 5. Дальний детектор.

    Дальний детектор MINOS (рис. 5) находится в подземной лаборатории Судана, в Северной Миннесоте, на глубине 2100 м в водном эквиваленте.
    Дальний детектор – это самый большой из детекторов MINOS весом 5.4 кт. Он состоит из 486 восьмиугольных стальных пластин и сцинтиллятора длиною 8 м каждая. Детектор разделяется на 2 супермодуля, каждый из которых состоит из 243 пластин. Оба супермодуля независимо снабжаются 15 кА катушками, которые двигаются вдоль оси супермодуля через центр каждой стальной пластины, и это сделано с целью возбуждения магнитного поля в них.
    Каждая пластина сцинтиллятора состоит из 192 полос, установленных в 8 сцинтилляторных модулях. Полосы считываются с обеих сторон детектора мультипиксельными фотоумножителями Hamamatsu M16 (16 пикселей в умножителе). Сигналы мультиплексируют так же, как и 8 волокон, соответствующих полосам, разделённых расстоянием в 1м в плоскости, и считываются углом фотоумножительного пикселя. Демультиплексирование достигается перестановкой местами волокон с одной стороны детектора, не затрагивая на другой стороне. Таким образом, каждая сторона вырабатывает индивидуальный образец света для каждого исключительного события.

Ближний Детектор

Рис. 6. Ближний детектор.

    Ближний детектор расположен в Фермилабе приблизительно в 1 км по направлению к мишени NuMI. Его вес 980 тонн, и он состоит из 282 плоскостей, каждая имеет форму удлиненного восьмиугольника 3.8 м высотой и 4.8 м шириной. Ближний детектор оснащён катушкой 1.5 Т .
    Область центрального пучка имеет радиус примерно 25 см в ближнем детекторе, и нейтринный пучок направлен в точку ответвления из центра детектора на расстоянии 0.5 см.
    Детектор состоит из 4 функционально различных элементов, каждая с одинаковым конструктивным профилем. Первый элемент ближнего детектора называется запрещённой частью, и она является верхней секцией. Взаимодействия нейтрино, зарегистрированные здесь, нельзя использовать, т.к. они препятствуют получению конечного результата. Эта часть контейнеров вся изготовлена из 0.5 м стали.
    Второй элемент называется мишенной частью, и это область, в которой взаимодействие будут использоваться для сравнения с дальним детектором. Эти контейнеры состоят из 1.0 м стали. Третий элемент – это часть адронного ливня толщиною 1.5 м.
    Конечный элемент – мюонный спектрометр, предназначенный для измерения импульса мюонов из их кривизны их траекторий в магнитном поле. Эта часть состоит из 4 м стали, которая проводит измерения импульсов, аналогичные дальнему детектору.

Физика нейтрино

    MINOS измеряет и сравнивает уровни и энергетический спектр нейтрального (NC) и заряженного (СС) взаимодействий в обоих детекторах. Моды осцилляций могут быть определены из энергетического спектра СС путём извлечения событий ν_μ и сравнения энергетического спектра в ближнем и дальнем детекторах, что даёт информацию о sin²(2θ) и Δm².
    В упрощённом виде события нейтрино в детекторе MINOS классифицированы либо как длительные, либо короткие. Длительные события − это большей частью СС события ν_μс фоном от СС взаимодействий ν_τ. Короткие события включают NC взаимодействия для всех ароматов нейтрино и СС взаимодействия для ν_eи большинства ν_τ.
    Отношение дробей (Short/Long)_near/(Short/Long)_far является полезным измерением по двум причинам: во-первых, оно исключает большинство проблем, связанных с различием показателей в ближнем и дальнем детекторах. Во-вторых, оно чувствительно к осцилляциям не только из-за уменьшения количества длительных событий, связанных с извлечением ν_μ, но и из-за большинства ν_τи всех ν_e, которые являются короткими событиями.
    Наиболее чувствительная методика измерения осцилляционных параметров доступна для MINOS посредством СС энергетического спектра ν_μ(длительные события). Ближний спектр используется для соединения адронных составляющих метода Монте-Карло, чтобы предсказать спектр дальнего детектора, где нет осцилляций. Затем измеряется отклонение дальнего спектра от этого экстраполированного ближнего спектра, это указывает на тот факт, что нейтринные осцилляции могут иметь место. Обработанная информация далее даёт Δm², и его величина связана с sin²(2θ).

Результаты 2011 г.

1986 событий зарегестрировано в дальнем детекторе, 2451 событие ожидалось в отсутствие осцилляций.

Δm² = (2.35+0.11-0.08)·10^-3, sin²(2θ) > 0.91 (90% CL).

Список использованной литературы

http://www-numi.fnal.gov/index.html
http://www.hep.ucl.ac.uk/theses/cbs.ps.gz
http://www.physics.ox.ac.uk/neutrino/Petyt/chapter3.pdf
hep-ex/07060437
Журнал «Успехи Физических Наук» http://www.mathnet.ru/php/archive.phtml?wshow=paper&jrnid=ufn&paperid=2560&option_lang=rus
Ю.Г.Куденко. Нейтринные осцилляции: последние результаты и ближайшие перспективы» (Семинар по ядерной физике НИИЯФ МГУ, 29 ноября 2011)

декабрь 2011 г.