Эксперимент OPERA
(прямое наблюдение осцилляций нейтрино в канале ν_μ → ν_τ )

Участники
    OPERA является интернациональной коллаборацией (коллективом, объединением). На конец 2010 года в ней состоит порядка 200 физиков из 36 институтов, расположенных в 13 странах.
Список стран-участниц
    Бельгия, Болгария (с 2010 года), Хорватия, Франция, Германия, Израиль, Италия, Япония, Южная Корея, Россия, Швейцария, Тунис, Турция.
Основная цель эксперимента
    Произвести впервые прямое детектирование нейтринных осцилляций в канале ν_μ → ν_τ , определение параметров осцилляций: угла смешивания – sin²2θ₂₃ и разности масс Δm².
Другие цели эксперимента:

• изучение чармированных адронов;
• измерение зарядового отношения космических мюонов (μ⁺/μ^-).

Фоновые события:

• космические мюоны;
• гамма-кванты;
• распад чармированных частиц, возникающих в ν_e взаимодействиях;
• распад чармированных частиц, возникающих в ν_μ взаимодействиях;
• двойное образование чарма;
• повторные взаимодействия адронов.

Общие требования к эксперименту:

• большая база (для получения достаточной статистики);
• высокая энергия нейтринного пучка (требуется наблюдать рождение τ-лептона, масса которого составляет около 1777 МэВ);
• большая интенсивность пучка (для получения достаточной статистики);
• возможность детектирования короткоживущего τ-лептона (с_τ = 87 мкм);
• хорошее пространственно разрешение (для возможности реконструкции процесса распада и установления кинематических характеристик дочерних частиц).

Краткая история

    Идея наличия у нейтрино осцилляций возникла около 60 лет назад. Последние 30-40 лет их стали активно изучать. В экспериментах CHOOZ и на американской АЭС Palo Verde было косвенно показано, что в секторе атмосферных нейтрино канал ν_μ  → ν_e не является основным. Поэтому следующим шагом было решено попытаться произвести прямое детектирование нейтринных осцилляций в канале ν_μ  → ν_τ по продуктам распада от короткоживущего τ-лептона, возникающего в результате взаимодействия ν_τ с окружающей средой(Рис. 1). Этой цели служит эксперимент OPERA.
    Сооружение было начато в 2003 году, в 2006 были проведены первые тестовые сеансы. В 2008 строительство было окончено и детектор достиг проектной эффективности.

Расположение и устройство

    OPERA располагается в крупнейшей в мире подземной лаборатории – Национальной Лаборатории Гран-Сассо (LNGS INFN), расположенной в Италии. Установка находится на глубине около 2 км, что соответствует 3.1 км водного эквивалента. Мюонный фон от космических лучей составляет примерно 1 мюон/(м²×час). Используется поток от протонного суперсинхротрона SPS в ЦЕРН-е. ν_μ проходят ~730 км в земной коре, затрачивая на это ~2.4 – 3.0 мс (Рис. 1)

Рис. 1. Расположение источника (SPS CERN) и детектирующего устройства (OPERA).

    Пучок ν_μ не является чистым. В нем присутствует примесь _μ (~2%) и ν_e/̅_e (меньше 1%). Работа ускорителя и работа детектора согласованы. Для этого создана система их временной синхронизации. Средняя энергия пучка нейтрино в LNGS составляет около 17 ГэВ. Ожидается за 5 лет работы детектора получить около 25000 нейтринных событий, связанных с взаимодействием ν_μ и примерно 100 событий связанных с появлением ν_τ, из которых рождение τ-лептона можно ожидать в 10-15 событиях.
    Из PMNS-матрицы (матрица Понтекорво-Маки-Накагава-Саката) можно получить формулу для вероятности осцилляций нейтрино в канале ν_μ → ν_τ (канал заряженных токов):

P(ν_μ → ν_τ) ~ sin²2θ₂₃cos⁴θ₁₃sin²(Δm²₂₃L/4E).

    Приведённые выше оценки на возможное количество событий, которые будут зарегистрированы в ходе работы детектора сделаны при следующих значениях параметров: Δm₂₃² = 2·10^-3 эВ², sin²2θ₂₃ = 1 (т.е. при полном смешивании).
    Среднее отношение L/E_ν, использованное в расчётах, составляет 43 км·ГэВ^-1. Интенсивность пучка нейтрино – ~22.5·10¹⁹ p.o.t. (protons on target).
    Детектор состоит из двух идентичных супермодулей (Super Modules или SM). Размеры детектора
10 м × 10 м × 20м. Каждый модуль делится на три основные части – это мишень и два боковых мюонных спектрометра (Рис.2):

Рис. 2. Схема экспериментальной установки.

Мишень

    Каждая мишень весит около 625 тонн и состоит из 75000 «эмульсионных кирпичей» (emulsion/lead EEC modules or «bricks»). Из них сложены 29 стен. Между стенами располагаются панели из электронных детекторов (Target Tracker или TT), состоящие из сцинтилляционных полос (стрипов). С помощью этих стрипов определяется, в каком «кирпичике» произошло взаимодействие. Каждая панель состоит из двух слоёв. Слой составляется из параллельно расположенных стрипов. Каждая сцинтилляционная полоса имеет размеры 6700 мм × 26 мм × 10 мм. Стрипы в разных слоях перпендикулярны (Рис. 3). Система TT имеет площадь ~6000 м² и около 64000 каналов считывания (большой вклад в их создание внесли физики из ОИЯИ – г. Дубна).

Рис. 3. Базовый элемент мишени детектора OPERA.

«Эмульсионные кирпичи» состоят из 57 пластин из ядерных фотоэмульсий, чередующихся с 56 пластинами из низкофонового свинца. Толщина пластин составляет 1 мм и 3мм соответственно. Вес такого блока равен 8.3 кг, размеры 128 мм × 102 мм × 79 мм. Кроме того вне «Эмульсионных кирпичей» между их рядами и панелями электронных детекторов добавляют съемную эмульсионную прослойку в специальной упаковке толщиной в 3 мм (Changeable Sheets или CS). Если происходит взаимодействие нейтрино с мишенью, то предварительно это проверяют, исследуя CS. Информация, полученная с промежуточных фотоэмульсий, также играет роль первичной информации он направлениях треков частиц (Рис.4). CS обеспечивает привязку с точностью до 2.5 мкм. Данная технология успешно применялась в эксперименте CHORUS.

    Рис. 4. Использование CS.

    Над изготовлением ядерных фотоэмульсий работала известная фирма Fuji. Всего для детектора OPERA было произведено порядка 10 миллионов эмульсионных пластин.

Мюонные спектрометры

    Каждый мюонный спектрометр состоит из 3-х основных частей.

• Биполярные магниты.
      Имеют массу в 990 тонн. Прокладываются в виде пластин. Величина магнитного поля достигает 1.52 Тл.
• Вертикальные дрейфовые трубки (drift tubes, precision tracker или PT).
      Имеют длину 8 метров, диаметр 38 мм, изготовлены из алюминия. Используются для точного измерения искривлений треков мюонов. Примыкают к боковым поверхностям мишени. Каждая из ~10000 трубок имеет центральную чувствительную к пролётам частиц проволочную нить толщиной в 45 мкм. Обеспечивается пространственное разрешение лучшее, чем 300 мкм.
      Обе PT панели у каждой мишени снабжены дополнительным специальным RPC детектором, представляющим из себя два скрещенных на 42.6˚ стрипов. Эти стрипы называют XPC. RPC-ы служат в данном случае для разрешения неопределенностей в построении пространственной реконструкции треков и точной временной привязки.
• Детекторы RPC (Resistive Plate Chambers).
      Располагаются между пластинами магнитов. Служат для грубого определения треков частиц между пластинами магнитов, пролётной длины частиц и калориметрического анализа адронов. Также есть возможность определять импульс и заряд. Измерения абсолютно независимы от PT. Состоят из набора пластин, по типу конденсаторов, с каждой из которых можно собирать индуцированный заряд. Всего 924 независимых RPC модуля общей площадью 3080 м². Совокупно детектор имеет 25000 цифровых каналов (1 канал на каждые 2.6 см вертикали и 3.5 см горизонтали).

    Кроме всего перечисленного OPERA дополнена ещё двумя устройствами. Во-первых, это панель, встречающая поток из ЦЕРН-а, служащая как вето фонов, генерируемых этим потоком в горной породе. В основу положены детекторы RPC. Во-вторых, это автоматическая система извлечения «эмульсионных кирпичей» из мишени (Brick Manipulator System или BMS).

Обработка данных и результаты

    Анализ данных производится в 12 лабораториях. После проявки, обработка эмульсий производится в автоматизированном режиме, с использованием установок по сканированию ядерных фотоэмульсий. Скорость сканирования составляет порядка 1 кадра в 10 мс, что даёт поток информации ≥500 МB/s. Поэтому в Университете Салерно было разработано специальное программное обеспечение, называемое SySal (System Salerno), для первичной обработки данных по мере их поступления (online). Затем провидится моделирование с использованием кодов OpRelease, FLUKA, FEDRA. Используются различные критерии отбора, для классификации событий. К примеру, если ищем распад τ-лептона, то первым критерием будет отсутствие мюона при взаимодействии. Произведя локализацию вершины, делают реконструкцию события. После исследуют особенности топологии.
    На 5 июля 2010 года зарегистрировано 7043 события. Одно из них является кандидатом на распад τ-лептона (Рис. 5).

Рис. 5. Реконструкция события – кандидата на распад таона.

Заключение

    Эксперимент OPERA успешно стартовал в 2006 году и накапливает статистику. Продолжается обработка экспериментального материала с использованием методов автоматизированного сканирования, поиска вершин взаимодействия и точек распада. Есть первый кандидат на распад таона.

Приложения

Рис. 6. Рождение и распад τ-лептона.

Список литературы

1. R. Acquafredda, et. al., New J. Phys. 8(2006) 303.
2. N. Agafonova, et. al., Physics Letter B 691 (2010) 138-145.
3. Галкин В. И., et. al., Поиск осцилляций ν_μ в ν_τ с использованием пучка высокоэнергичных нейтрино из CERN в Гран Сассо (эксперимент OPERA), Известия РАН, Серия физическая.
4. Н. Ю. Агафонова, et. al., Известия РАН, Серия физическая, 2009, том 73, №5, с. 685-687.
5. A. Anokhina, et. al., JINST 3 (2008) P07005.
6. N. Agafonova, et. al., JINST 4 (2009) P06020.

7. Т. М. Роганова, Современный статус эксперимента OPERA по прямому наблюдению осцилляций нейтрино в канале ν_μ → ν_τ , 31-я ВККЛ, Москва, МГУ, 2010.

8. http://operaweb.lngs.infn.it/

декабрь 2010 г.