Нейтринная фабрика (Neutrino Factory)

Введение

    Neutrino 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^-ν_μe и μ⁺ → e⁺_μν_e, 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. Нейтрино из мюонного накопителя, проходя через мантию Земли регистрируются детектором. (На рисунке нейтринную фабрику расположили в США, а детектор в Индии)

    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.
    При проектируемой мощности 10²⁰ распадов мюонов (с энергией 20-50 ГэВ) в год, предполагаемое количество ν_µ событий в дальнем детекторе (около 10000 км от источника) составит десятки тысяч. А в ближнем детекторе (сотни метров от источника) предполагается наблюдать порядка миллиона событий на килограмм детектора в год.
    Основной целью исследований Neutrino Factory являются нейтринные осцилляции. Столь плотные пучки и большое количество нейтринных событий на удалённом детекторе позволят точнее, чем когда-либо измерить осцилляторные параметры. Однако помимо нейтринных осцилляций нейтринная фабрика позволяет поставить другие эксперименты. Например:

• Charm-физика с несколькими миллионами маркированных частиц.
• Поиск таких экзотических явлений как магнитный момент нейтрино и новых незаряженных лептонов.

Общее устройство комплекса.

Первичный 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.

Основные компоненты комплекса (Рис. 2):

• Протонный ускоритель: Предположительно 24 ГэВ, 1 МВт.
• Мишень: Находится в солеиноидальном поле, напряжённостью 20 Тс, для захвата образовавшихся пионов. После мишени поле плавно снижается до 1,75 Тс в зоне банчинга и изменения фазы.
• Банчинг и изменение фазы: Банч формируется с помощью резонаторов, с плавно снижающейся частотой. Вторая группа резонаторов используется для разворота продольной фазы пучка, с целью уменьшения энергитического разброса.
• Охлаждение: Соленоидальный фокусировочный канал с высоким градиентом частоты резонаторов и LiH адсорберами уменьшает поперечный эммитанс с 17  (мм рад) до 7 (мм рад).
• Ускорительная система: Для увеличения энергии мюонов до 1,5 ГэВ используется линейный ускоритель. Следом за ним расположен рециркулирующий линейный ускоритель (RLA)  на энергию 5 ГэВ. Далее один или два FFAG (Fixed-Field, Alternating Gradient) используются для разгона пучка до 20 ГэВ или выше.
• Накопительное кольцо: Сверхпроводящее накопительное кольцо имеет вытянутую форму, такую что около 35% процентов накопленных мюонов распадаются в секции, направленной в сторону ближнего и дальнего детектора.

Рис. 2. Ускоренные протоны направляются на мишень, где рождаются пионы. Пионы распадаются с образованием мюонов, которые ускоряются, а затем вводятся в накопительное кольцо. В накопительном кольце мюоны распадаются с образованием нейтрино

Входная часть

    Общая схема входной части (front end – часть установки между мишенью и первым линейным ускорителем) представлена на рис. 3.

Рис. 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.

Проведённые симуляции показали, что наиболее эффективной в данном случае мишенью является струя жидкой ртути. Мишень должна располагаться под небольшим углом к пучку протонов и к соленоиду, чтобы снизить поглощение образовавшихся пионов. Результирующие пионы имеют большой разброс по энергиям и углам, поэтому в районе мишени необходимо мощное магнитное поле.

Рис. 4

Далее необходимо уменьшить поперечный размер мюонного пучка. Для этого применяется ионизационное охлаждение. Принцип охлаждения состоит в следующем (Рис. 5): проходя через поглотитель (1 см LiH) частицы теряют поперечный импульс, а проходя через резонатор приобретают продольный.

Рис. 5

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 1,5 ГэВ. После этого, пучок становится достаточно мал, чтобы его можно было разогнать с помощью RLA до 5 ГэВ (Рис. 6). Дальнейшее ускорение до 20 ГэВ происходит с помощью одного или двух FFAG.

Рис 6.

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.

Заключение

    Проектируемый 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.

Что, если бы удалось направить пучки нейтрино на детекторы, расположенные в различных местах Земли, чтобы исследовать свойства нейтрино, эффекты взаимодействия их с веществом и внутренности Земли

Список литературы

1. The International Design Study for the Neutrino Factory website https://www.ids-nf.org
2. The Neutrino Factory and Muon Collider Collaboration website http://www.cap.bnl.gov/mumu/
3. “Neutrino Factory Designs and R&D” by Steve Geer arXiv:hep-ex/0207036v1
4. “A Cost-Effective Design for a Neutrino Factory” arXiv:physics/0511092v1[physics.acc-ph]
5. “Neutrino Factories: The Facility” by Andrew M. Sessler http://cbp.lbl.gov/groups/MUON/NeutrinoFactories.pdf