ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2012, том 75, № 2, с. 204-213
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ПОЛЯ
ИССЛЕДОВАНИЕ НЕИТРИННЫХ ОСЦИЛЛЯЦИИ В УСКОРИТЕЛЬНОМ ЭКСПЕРИМЕНТЕ С ДЛИННОЙ БАЗОЙ Т2К1}
©2012г. А. О. Измайлов*, Н.В.Ершов, Ю. Г. Куденко, В.А.Матвеев, О. В. Минеев, Ю. В. Мусиенко, М. М. Хабибуллин, А. Н. Хотянцев, А. Т. Шайхиев
(от имени Коллаборации Т2К)
Институт ядерных исследований РАН, Москва Поступила в редакцию 28.05.2010 г.; после доработки 04.02.2011 г.
Основной задачей ускорительного нейтринного эксперимента с длинной базой второго поколения Т2К (ТокаМо-Кашюка) является поиск с высокой чувствительностью переходов мюонных нейтрино в электронные. В работе описаны основные принципы Т2К, приводится обзор экспериментальных комплексов, подробно рассмотрен детектор мюонного пробега SM.RO, разработанный и созданный группой ИЯИ РАН. Приведены результаты первых измерений с пучком нейтрино и обсуждаются ближайшие планы.
1. ВВЕДЕНИЕ
Изучение нейтринных осцилляций и определение массы нейтрино являются фундаментальными вопросами физики слабых взаимодействий. Открытие явления нейтринных осцилляций в солнечных, атмосферных и ускорительных экспериментах [ 1 —5] стало первым однозначным указанием на существование новой физики за пределами стандартной модели, в которой масса нейтрино полагается равной нулю. Измеренные на сегодняшний день значения осцилляционных параметров приведены в табл. 1. Несмотря на достигнутый прогресс, появилось много новых фундаментальных вопросов, ждущих своего решения. Каково значение величины угла смешивания в13 ? Пока существует лишь верхнее ограничение на этот параметр (вт2(2013) < 0.13, 90% С.Ь.), полученное в эксперименте СН002 [6]. Насколько вш2(2023) отличается от единицы? Существует ли СР-нарушение в лептонном секторе и чему равна 5ср ? Существуют ли переходы в другие, не взаимодействующие слабым образом стерильные нейтрино? Из экспериментов с солнечными нейтрино вследствие наличия эффекта вещества (эффект Михеева— Смирнова—Вольфенштейна (MSW) [7]) нам известен знак Дт\2, для Дт|3 измерен только модуль величины, поэтому вопрос об иерархии масс массовых состояний нейтрино также остается открытым.
Доклад, представленный на научной сессии-конференции секции ЯФ ОФН РАН "Физика фундаментальных взаимодействий", ИТЭФ, Москва, Россия, 23—27 ноября 2009 г.
*Е-шаП: izmaylov@inr.ru
Дать ответы на эти вопросы нейтринной физики поможет ряд готовящихся и проводимых в настоящее время нейтринных экспериментов, одним из которых является эксперимент Т2К в Японии.
2. ЭКСПЕРИМЕНТ Т2К
Т2К — это нейтринный эксперимент второго поколения с длинной базой. В эксперименте используется пучок мюонных нейтрино высокой интенсивности и чистоты от 50 ГэВ-ного (на начальном этапе 30 ГэВ) протонного синхротрона в Л-PARC, Япония. Схема эксперимента представлена на рис. 1. Для поиска осцилляций поток нейтрино детектируется комплексом ближних детекторов N0280 на расстоянии 280 м от протонной мишени и водным черенковским детектором Супер-Камиоканде ^ирег-Кашюка^е). Длина базы составляет 295 км. Основные цели первой фазы эксперимента следующие:
1. Измерение параметра 913 в процессе — ие с чувствительностью, превышающей все предыдущие эксперименты (вш2(2013) ~ 0.01, что более чем в 10 раз лучше ограничения эксперимента СН002). Вероятность осцилляций — ие может быть приближенно выражена следующим образом:
РV - Vе) ~ 8Ш2(2013) X
(1)
х эт2 6>23 вт2 1.27
,Лт23[эВ2]£[км] Е[ ГэВ]
Наличие ^-сигнала в Супер-Камиоканде определяется путем регистрации черенковских колец,
Таблица 1. Измеренные значения параметров нейтринных осцилляций (данные взяты из Particle Data Group (http://pdg.lbl.gov))
Сектор нейтрино Параметры осцилляций Эксперименты
Солнечные sin2 202i =0.87±0.03, Super-Kamiokande [2], SNO [1], KamLAND [3]
Am\x = 7.59Í°;1® x Ю"6 эВ2, Атмосферные 0.92 < sin2(26»23) < 1.0 K2K[4], MINOS [5], Super-Kamiokande [2]
|Am23| = 2.43Í°-.2? X Ю~Б эВ2 Реакторные LBL 0 < sin2(20i3) < 0.13 CHOOZ [6]
соответствующих электронам от квазиупругих реакций электронных нейтрино, идущих через заряженные токи (CC—QE): ve + n p + e. При изучении v^ ve-переходов существуют два основных источника фона: наличие примеси ve в исходном пучке мюонных нейтрино (примесь ve от распадов мюонов и каонов <0.5%), а также идущие через нейтральный ток (NC) реакции с рождением одиночных нейтральных пионов. Чувствительность Т2К к 013 приведена на рис. 2. Ожидаемое в Т2К число событий от электронных нейтрино для двух значений sin2(2013) за пять лет набора статистики при полной интенсивности протонного пучка представлено в табл. 2.
2. Измерение осцилляционных параметров Дт|3 и sin2 (2023) в процессе v^ ^ v^ с высокой точностью и при большой статистике. В эксперименте Т2К точность определения Дт|3 составит ¿(Am|3) < 10"4 эВ2, а точность определения параметра 023 составит á(sin2(2023)) ~ 0.01 соответственно. Наиболее точное на сегодняшний день измерение значений параметров Дт|3 и sin2(2023) проведено в эксперименте MINOS [5].
3. Поиск переходов v^ ^ vster¡ie путем измерения числа событий в ND280 и Супер-Камиоканде, идущих через нейтральные токи.
При успешном осуществлении первой фазы эксперимента и при условии отличного от нуля значения угла 013 основными задачами второй фазы Т2К станут поиск CP-нарушения в лептон-ном секторе и определение иерархии масс; для осуществления этих исследований планируется увеличение мощности синхротрона и проведение измерений с пучками мюонных нейтрино и антинейтрино.
Описание основных элементов Т2К представлено ниже.
3. НЕЙТРИННЫЙ ПУЧОК
И ДЕТЕКТОРНЫЙ КОМПЛЕКС Т2К
3.1. Нейтринный пучок и мониторы
Нейтринный пучок в Т2К получается в резуль-
тате распадов пионов и каонов, которые в свою
Таблица 2. Ожидаемое в Т2К число событий от электронных нейтрино (пять лет набора статистики х х 1021 POT) при полной интенсивности (750 кВт))
8т2(26»1з) 0.1 0.01
Число событий в диапазоне энергий 0.35-0.85 ГэВ:
Сигнал 143 14
Фон от примеси 16 16
Фон от 10 10
очередь рождаются в результате взаимодействия протонного пучка с мишенью. На протонном синхротроне в J-PARC планируется ускорять протоны до энергии 50 ГэВ, в начале эксперимента энергия составит 30 ГэВ. Интенсивность протонного пучка J-PARC составит 3.3 х 1014 протонов на мишени (РОТ) на сброс ускорителя при частоте 0.3 Гц. В Т2К используется цилиндрическая графитовая мишень диаметром 30 мм и длиной 900 мм. Для фокусировки пионов используются три импульсных тороидальных магнита (горна), работающие при токе 320 кА, синхронизированном с протонным пучком. Для улучшения фокусировки графитовая мишень помещена внутрь первого горна. Сфокусированные пионы попадают в распадный объем длиной около 90 м, где распадаются на v^ и ц. Переключение полярности горнов позволяет проводить измерения как с пучком нейтрино, так и с антинейтринным пучком. Для уменьшения поглощения пионов, а также для подавления рождения трития распад-ный объем заполнен гелием при давлении 1 атм. Заряженные частицы поглощаются специальным поглотителем (beam dump), состоящим из графитовых блоков и пропускающим мюоны с E > 5 ГэВ. Эти мюоны применяются для мониторирования нейтринного пучка.
Ключевой особенностью Т2К является использование так называемой внеосевой (off-axis) концепции нейтринного пучка, нейтрино регистрируются под небольшим углом к оси протонного пучка, что позволяет работать с узким энергетическим спектром нейтрино вблизи осцилляционного
ND280m
0 M 140 M 280 M 2 км 295 км
Рис. 1. Общая схема эксперимента Т2К. Представлены основные экспериментальные комплексы: линия нейтринного пучка; мюонный монитор (MUMON); комплекс ближних нейтринных детекторов (ND280 (off-axis) + INGRID (on-axis)), расположенный на расстоянии 280 м от протонной мишени; водный черенковский детектор Супер-Камиоканде (SK). Представлен также водный детектор, расположенный на расстоянии 2 км от протонной мишени (ND2km), создание которого возможно в будущем.
Аш23, эВ2 10-^
10-
10-
10-4 10
" Величина систематической ошибки
-5%
- 10%
-20%
I I Предел СШ007 Нормальная иерархия масс
10
10-
10°
sin2(2913)
Поток v„, отн. ед.
3000 -
2000 -
1000 -
Рис. 2. Чувствительность Т2К к в1Ъ (90% C.L.). Область значений осцилляционных параметров, исследовать которую позволит эксперимент Т2К, расположена справа от кривых. Для сравнения показана область параметров, исследованная в эксперименте CHOOZ (серая область). Представленная ожидаемая чувствительность эксперимента Т2К к параметрам осцилляций 013 и Дш2з соответствует пяти годам набора статистики (~5 х 1021 POT) при полной интенсивности нейтринного пучка.
максимума (рис. 3). В эксперименте планируется использовать пучок нейтрино под углом 2.5°, что соответствует пиковой энергии нейтрино примерно 700 МэВ. Использование off-axis концепции приводит к тому, что спектр нейтрино в Супер-Камиоканде зависит от направления нейтринного пучка. Для контроля параметров и стабильности нейтринного пучка в Т2К используются два детектора: мюонный монитор (MUMON), детектирующий мюоны от распадов пионов и каонов, а
3 4 Ev, ГЭВ
Рис. 3. Энергетический спектр нейтрино в Супер-Камиоканде в зависимости от угла относительно протонного пучка.
также детектор нейтрино INGRID, расположенный на оси пучка.
3.1.1. Мюонный монитор MUMON. Мюонный монитор MUMON расположен за графитовым поглотителем пучка и позволяет следить за направлением, интенсивностью, профилем и временной структурой нейтринного пучка путем детектирования мюонов высоких энергий от распадов пионов. Вследствие высокой интенсивности мюон-ного потока (<~108/см2/сброс) MUMON дает возможность контролировать положение протонного пучка на мишени, состояние и работу мишени и горнов, следить за нейтринным пучком от импульса к импульсу. Детектор также важен для ориентировки нейтринного пучка в направлении Супер-Камиоканде в начале эксперимента. MUMON состоит из двух независимых детекторов: матрицы кремниевых детекторов и группы ионизационных камер. Каждый из детекторов покрывает площадь в 1.5 х 1.5 м. В задней части MUMON находится еще один детектор мюонных треков, предста
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.