Добавил:
okley
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физика нейтрино (2 сем, мага) / Лекция 10
.pdf
Экспериментальное подтверждение существования трех
слабовзаимодействующих ароматов нейтрино.
1. Эксперимент Райнеса и Коуэна – наблюдение электронного антинейтрино. 1956г.
2. Эксперимент Ледермана – наблюдение мюонного нейтрино. 1961 г.
3. Эксперименты в SLAC (1975г.) и FNAL (2000г.) наблюдение тау нейтрино.
4. Эксперименты на LEP (1995г.). Число ароматов нейтрино N
Электронное нейтрино.
= 2.99 ± 0.01
ν
Мюонное нейтрино Тау-нейтрино DONUT
тт
1957г Б.М. Понтекорво гипотеза о существовании
осцилляций.
1998г SK, SNO подтверждение
существования осцилляций.
2010г Т2 К, OPERA– прямое
наблюдение осцилляций.
Измеренные параметры
осцилляции:
2
∆m
∆m
=7х10-5эв2, θ12 ~33
12
2
=2,5 х10-3эв2, θ23 ~ 45
23
θ
13 ~
8,4
0
0
Много лет все экспериментальные данные укладывались в схему с тремя нейтрино.
Единственным исключением был эксперимент LSND (Los Alamos), в котором наблюдали за 3.8σ
избыток
в пучке
е
, с ∆m2 ~ 0,2 - 1 эв, и θ ~ 1,50 – 50. Этот результат не вписывался
в стандартную схему трех нейтрино.
Для проверки
результатов
LSND через
десять лет в
FNAL проведен
эксперимент
MiniBOONE.
The MiniBooNE reports a total excess of 638.0±52.1(stat.)±122.2(syst.) electronlike events. (4.8σ)
Но при взаимодействии нейтрино с ядрами могут
рождаться нейтральные пионы, распады которых
имитируют электроны. Вклад от этих пионов мог бы
объяснить аномалию. Поэтому в FNAL провели еще
один эксперимент, MicroBooNE, в котором
показали, что этот эффект не вносит ощутимый
вклад в данные детектирования нейтрино. Тем
не менее, уверенно об этом можно будет говорить
только тогда, когда вклад нейтральных пионов будет
независимо изучен на других детекторах,
например, DUNE (2027г). 40Kt Li Ar
Возможное объяснение появления электронных нейтрино
Ускорительные эксперименты дают превышение числа электронных нейтрино (антинейтрино).
Все эксперименты с обычными нейтрино дают величину ∆m
2
на три -пять порядков меньше.
There are some anomalies about neutrino such as Gallium (GALLEX and SAGE),
and Reactor Anti-neutrino Anomaly (RAA):
2. The ratio of measured
to predicted number is
0.943 ± 0.022 with past
short baseline reactor
experiments.
2
14
Θ14=6,9 ±1,5
0
057,0943,012sin
Эксперименты с детекторами солнечных нейтрино
Θ14=9,20, 8,5
Оба источника испускают
практически
моноэнергетические
нейтрино с энергией ~
(0,8 МэВ).
Результаты -отношение
скорости образования
71Ge к ожидаемой, за 2.6
σ меньше единицы.
e
Электронный захват.
Оже электроны.
results show the deficit
(0.87±0.05).
Для исследования причины аномальных результатов экспериментов SAGE и GALLEX , а также
для проверки гипотезы о существовании стерильных нейтрино был предложен эксперимент BEST.
0
7171
7171
GaGe
eGeGa
Эксперимент BEST (Baksan Experiment on Sterile Transitions)
Особый интерес представляет именно очень короткая база в BEST, к которой еще ни один
эксперимент не приближался.
Источник нейтрино изотоп хрома 51Cr
помещён внутрь
бака, заполненного
50 т жидкого галлия
(температура
плавления 29,8°С).
51
Cr в природе не
встречается из-за
малого периода
полураспада —
около 28 суток. Его
получают
облучением
нейтронами в
ядерном реакторе
стабильного изотопа
50
Cr.
Бак разделён на две зоны.
Внутренняя имеет форму сферы (D = 1,3m) и
содержит 8 т галлия, внешняя 42 т (D = 2,18m,
h = 2,3m). Это позволяет измерять потоки
электронных нейтрино на разных расстояниях от
источника. При отсутствии переходов электронных
нейтрино в стерильные нейтрино потоки нейтрино,
измеренные в обеих зонах, должны быть равны.
Если стерильное нейтрино существует
и смешивается с электронным нейтрино, а его масса
порядка 1 эВ, то во внешнем объеме часть нейтрино
перейдет в стерильную форму. Значит, во внешнем
объеме должно образоваться меньше атомов
радиоактивного германия на единицу массы галлия
The ratio of the measured 71Ge production rates to the predicted
rates for the inner and the outer target volumes are calculated from
the known neutrino capture cross section. Comparable deficits in
the measured ratios relative to predicted values are found for
both zones, with the 4σ deviations from unity consistent with the
previously reported gallium anomaly. If interpreted in the context
of neutrino oscillations, the deficits give best-fit oscillation
parameters of Δm2 =3.3+∞−2.3eV2 and sin22θ=0.42+0.15−0.17,
consistent with νe→νs oscillations governed by a surprisingly large
mixing angle.
Phys. Rev. Lett. June 2022
The Baksan Experiment on Sterile Transitions (BEST) was designed to
investigate the deficit of electron neutrinos νe observed in previous
gallium-based radiochemical measurements commonly referred to as the
“gallium anomaly,” which could be interpreted as evidence for oscillations
between νe and sterile neutrino (νs) states. A Cr νe source was placed at the
center of two nested Ga volumes and measurements were made of the
production of Ge through the charged current reaction, Ga(νe,e)−Ge, at
two distances. The measured production rates for the inner and the outer
7,2
targets are [54.9+2.5−2.4(stat)±1.4(syst)] and
6,2
)(4,1)(6,55
syststat
atoms of Ge/d. The ratio (R) of the measured rate of Ge production at each
distance to the expected rate from the known cross section and
experimental efficiencies are Rin=0.79±0.05 and Rout=0.77±0.05. The
ratio of the outer to the inner result is 0.97±0.07, which is consistent with
unity within uncertainty.
The rates at each distance were found to be similar, but 20%–24% lower than expected, thus
reaffirming the anomaly. These results are consistent with νe→νs oscillations with a relatively
large Δm2 (>0.5 eV2) and mixing sin2 2θ (≈0.4).
От прочих экспериментов эти результаты отличает высокая статистическая значимость. Она впервые
превышает 5σ? MiniBooNE довел достоверность избытка электронных нейтрино до 4,8σ (вместе с
результатами LSND — все шесть!). BEST подтвердил их недостаток с достоверностью 5σ. Оба эти
факта говорят: открытие подтвердилось.
Казалось бы, можно сказать, что мы наконец-то обнаружили новые частицы.
На деле же все лишь запуталось еще сильнее.
если считать, что BEST и MiniBooNE открыли стерильные нейтрино, то возникает противоречие
с рядом других измерений:
1. В первую очередь, стерильные нейтрино портят разрешение загадки солнечных нейтрино,
за которое уже вручили Нобелевскую премию. Если BEST и MiniBooNE поймали стерильные
нейтрино, то доля электронных нейтрино в солнечных должна быть не в три, а в четыре раза
меньше. Кроме того BEST — это, фактически, наследник эксперимента SAGE, изучавшего
солнечные нейтрино — та же самая обсерватория, то же самое оборудование.
2. Другая проблема — это данные с других установок .
Так, IceCube и DANSS не нашли стерильных нейтрино там, где их увидели BEST и MiniBooNE,
а Neutrino-4 нашел, но с Δm2 в семь раз большей и, это немного выше единицы, полученной
в LSND.
3. Существует еще ряд экспериментов, не согласующихся со «стерильной» гипотезой с одной новой
частицей. Это может значить также и то, что стерильных нейтрино на самом деле больше одного.
Впрочем, для всех этих экспериментов характерна невысокая статистическая значимость
по сравнению с BEST и MicroBooNE.
4.
5. Область
параметров
стерильного
нейтрино
(разность
квадратов масс и
угол смешивания),
«разрешенная»
объединенным
анализом
нескольких
экспериментов
4. Наконец, космологические данные. Они крайне неохотно сочетаются с легкими
стерильными нейтрино, которые получили в экспериментах на Земле. Более того, для
космологии интерес представляла бы пара или тройка очень тяжелых стерильных
нейтрино, которые могли бы быть кандидатами на темную материю или причиной
асимметрии материи и антиматерии во Вселенной.
Итак, нет единообразия и в экспериментах с наземными установками: разные группы
исследуют превращения разных типов нейтрино (электронных и мюонных) с различными
спектральными свойствами, что тоже может иметь значение. Вполне может оказаться, что, например,
эксперименты с мюонными нейтрино с энергиями в несколько сотен мегаэлектронвольт (MiniBooNe)
нельзя напрямую сравнивать с экспериментами с электронными нейтрино с энергиями в несколько
сотен килоэлектронвольт (BEST) — слишком разные физические условия.
Проблема признания стерильных нейтрино заключается в том, что мы можем измерить
достоверность какого-либо эффекта, но не можем измерить его применимость той или иной его
интерпретации.
Эксперимент Нейтрино-4 (2017г)
Цель эксперимента - поиск 4-го состояния нейтрино
Объем жидкого сцинтиллятора 3м3 (5×10 = 50 секций). Активная защита нейтринного
детектора состоит из внешней (“зонтик”) и внутренней части относительно пассивной защиты.
Внутренняя активная защита расположена над и под детектором.
Синие треугольники
экспериментальные
точки, красные кружки расчётные результаты
для оптимальных
параметров осцилляций.
Результат анализа данных, по-видимому, подтверждает эффект предсказанный в галлиевом и
реакторном экспериментах, но при достаточно больших значениях параметров осцилляций
2
Δm
~ 7.2 эВ2, sin22θ14 ~ 0.4. (19,60)
14
Эксперименты, в которых стерильных нейтрино нет
1. Эксперимент DANSS.
В качестве детектора применятся сильно секционированная конструкция на базе пластического
сцинтиллятора.
Особенностью детектора DANSS является близкое расположение (~10м) к мощному
ядерному реактору (Wth= 3050 МВт) и соответственно высокая скорость счета нейтринных
событий (104 в день).
Находясь в нижней части
реакторного здания,
детектор оказывается
прикрытым от
космического излучения
большой массой
водородсодержащего
вещества, находящегося
сверху – это и сам
реактор, и толстая
бетонная защита, и
бассейны выдержки
отработанного топлива, и
резервуары для хранения
технологических
жидкостей (борной
кислоты и т.п.). Суммарная
толщина этой «дармовой»
защиты составляет 50 м водного эквивалента, что достаточно для полного устранения адронной
составляющей космического фона, являющейся главным источником событий, трудно отличимых
от ОБР.
1
Подъемный механизм
позволяет в режиме on-line
за несколько минут
перемещать спектрометр
на 2 метра по вертикали,
тем самым меняя
расстояние между его
центром и центром
активной зоны реактора от
10.7 до 12.7 метра. При
условии, что осцилляции
имеют массовый параметр
~ 1 эв2, они не должны
сильно размывать реакторный спектр внутри самого реактора, так как длина осцилляций для энергий
реакторного спектра антинейтрино составляет при этом параметре мL 5,7
4,1
35.2
Благодаря этой особенности, в настоящее время детектор DANSS используется для поиска нейтринных
осцилляций в стерильный вид на малых дистанциях.
Чувствительный объем детектора DANSS
имеет высокую степень сегментации – он
состоит из 2500 независимых
пластмассовых сцинтилляционных ячеек
(«стрипов») с суммарным объемом в 1 м3.
Это дает трехмерную картину
энерговыделения. Все это, наряду с
применением комбинированной активной и пассивной защиты, обеспечивает подавление фона до уровня в
несколько процентов
Соседние файлы в папке Физика нейтрино (2 сем, мага)