Добавил:
okley
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физика нейтрино (2 сем, мага) / Лекция 9
.pdf
Наблюдение осцилляций нейтрино на ускорителях
Нейтринный эксперимент, в котором с 1999
года по 2004 пучок мюонных
нейтрино использовался для проверки
осцилляций, ранее (1998 г) наблюдаемых в
Супер-Камиоканде с атмосферными нейтрино.
4,15,2
osc
3
1055,2
1372
kmL
При какой энергии максимум убывания пучка нейтрино на расстоянии 250км?
3
1055,22250
5,2
GeVE 51,0
От распадов π+ в
200 м трубе.
получался
практически
чистый пучок νμ с
Е
макс
Е
сред
Е
макс осц
около 2.3ГэВ.
= 1,4 ГэВ.
= 0,51 ГэВ.
Параметры нейтринного пучка контролировались ближним детектором, в состав которого входила
Черенковский детектор имеет высокую эффективность регистрации взаимодействий нейтрино низких
имеющий высокую эффективность регистрации мюонов с энергией более 1ГэВ
уменьшенная (1:50) копия SK. Нейтрино регистрировались в SK расположенной на расстоянии 250 км.
Ближний детектор экспериментальной установки К2К.
Для измерения параметров
первичного нейтринного пучка
использовались:
1. (1КТ) - водяной черенковский
счетчик (1/50 SK).
2. детектор из сцитилляционных
волокон, калориметра из
свинцового стекла.
3. мюонного детектора (12
пластин из железа прослоенные
дрефовыми камерами). При
толщине железа 2м можно было
измерять энергию мюонов до
3ГэВ.
Миниатюрная копия детектора СK ( 1:50), состоит из цилиндрического бака объемом 1000м3
наполненного водой и 680 фэу с 20 дюймовыми фотокатодами.
энергий (до 1ГэВ) и возможность разделять электроны и мюоны.
Вместе с 1КТ FGT
перекрывали весь энергетический диапазон.
Нейтрино КЕК направлялись под землей к SC детектору, расположенному в 250 километрах в шахте
Камиока. Поскольку расстояние фиксировано вероятность осцилляции νμ зависит от энергии нейтрино.
Это означает, что если νμ осцилляция произошла, то не только уменьшится число наблюдаемых в
SC событий но изменится и энергетический спектр нейтрино по сравнению с ожидаемым при
отсутствии осцилляций.
5,2mE
L
osc
2
3,2
Для отбора событий в СК генерируемых нейтрино КЕК, использовалась временная информация,
получаемая от GPS системы. Используя временную информацию от GPS рассчитывался временной
интервал между временем сброса пучка на мишень и временем появления события в СК. Таким образом
был реализован триггер.
Чтобы идентифицировать события генерированные нейтрино КЕК выбраны следующие критерии:
а) Время появления события совместимо со сбросом пучка.
б) Нет событий за 30 микросекунд до зарегистрированного в SK,
в) Электронный эквивалент выделенной энергии должен быть более 30 МэВ.
г) Реконструируемая вершина находится внутри чувствительного объема.
В SK зарегистрировано 107 событий с идентифицированными мюонами при
12
ожидаемом числе событий в отсутствии осцилляций
Изменение формы спектра нейтрино показано на рисунке.
The final K2K results found that at 99.9985%
confidence (4.3 σ) there had been a
disappearance of muon neutrinos.
Fitting the data under the oscillation hypothesis, the best fit for the square of the mass difference between
muon and tau neutrinos was Δm2 = 2.55×10−3 eV2.
This result is in good agreement with the previous Super-Kamiokande result, and the later MINOS result.
151
.
10
Main Injector Neutrino Oscillation Search
3
1055,22735
Максимум осцилляций
5,2
В эксперименте MINOS
(2005 -2012 г.) два одинаковых
детектора, первый расположен
на нейтринном пучке FNAL,
второй в шахте Soudan на
расстоянии 735 км. Оба
детектора состоят из
намагниченных железных
пластин толщиной в один дюйм
прослоенных полосами
сцинтиллятора шириной 4 см.
Вес ближнего детектора
килотонна, дальнего 5,4 кт
Энергия нейтрино
(3 – 9) ГэВ.
GeVE 5,1
Lµ = 2 m (Eν =3 GeV), 6m (Eν =9 GeV). Мах. осцил. при Е = 1.5 ГэВ
Зарегистрировано 37 ν
е (νμ→νе
) Фон 27±5±2. Превышение над фоном 1.5σ,
Sin
2
<0.29 (2σ)
13
~
~
Поиск осцилляций стерильных нейтрино по дефициту взаимодействий в нейтральном токе – нет ν
Измерение θ
: Minos
13
Sin
2
<0.29 (2σ), KamLand, Chooz
13
Sin
2
< 0,09±0,03, Daya Bay
13
Sin
2
=0,092 (5,2σ)
13
Развитие К2К – Т2К (Tokai to Kamioka) 2013 – 2021г.
JPARC - Japan Proton
Accelerator Research
Center (25 mka, 50 GeV)
ster
Цели эксперимента Т2К
Прямое наблюдение осцилляции нейтрино.
Наблюдение CPV в лептонном секторе
()(
РР
А
СР
()(
РР
)
ее
~~
)
ее
Для доминирования материи во Вселенной, необходимо нарушения комбинированной четности.
Нарушение CP-симметрии было экспериментально обнаружено только в кварковом секторе. Однако из-за
малости масс кварков по сравнению с масштабом шкалы электрослабого взаимодействия (~100 ГэВ) это не
позволяет объяснить наблюдаемый дисбаланс между веществом и антивеществом во Вселенной.
Наблюдение нарушения CP-симметрии в кварковом секторе
Нарушения CP-симметрии в лептонном секторе.
В эксперименте T2K впервые исследуется нарушения CP-симметрии в лептонном секторе.
Наблюдение нарушения CP-симметрии в нейтринных осцилляциях вместе с несохранением лептонного
числа может служить аргументом в пользу объяснения барионной асимметрии Вселенной через
механизм лептогенезиса — процесс возникновения лептон-антилептонной асимметрии (ненулевого
лептонного числа) на ранних стадиях образования Вселенной).
T2K is the world’s first off-axis neutrino experiment, with ND280 and Super K
positioned 2.5 degrees away from the centre of the neutrino beam
1. Узкий энергетический спектр нейтрино Eν = 600 – 700 МэВ.
2. Спектр настроен на максимум осцилляций (600 МэВ) для базы 295 км.
105.
2
ами INGRID
mm
E
,
oapE
cos222
При θОА = 2.5
0
Eν = 600 – 700 МэВ.
Практически монохроматический пучок!
При такой энергии первый максимум в осцилляции
2
при
λ =
= 2.5х10-3 эв2/с4
m
13
6.05.2
3
км600
, λ/2 = 300 км
Статистика в 100 раз больше чем в К2К.
(KEK – 0,25 mka, 12 GeV), JPARC – (25 mka, 50 GeV)
Параметры нейтринного пучка до осцилляций измеряются и контролируются ближним
нейтринным детектором, расположенным на расстоянии 280 м от мишени. Цель ближнего детектора -
измерить поток нейтрино до осцилляций и изучить взаимодействия нейтрино. Детектор состоит из трех
основных элементов:
Детектора INGRID, расположенного на оси
пучка,
Детектора ND280 расположенного на
расстоянии 2,5 ° от оси пучка, т.е. под тем же
углом, что и дальний детектор.
Детектора WAGASCI-BabyMIND ,
расположенного рядом с детектор
и ND280, предназначенного для изучения
взаимодействия нейтрино.
Основное назначение детектора INGRID -
ежедневный мониторинг направления и
интенсивности пучка. Детектор состоит из 16 идентичных модулей. Единый модуль состоит из
чередующихся слоев железа и пластикового сцинтиллятора. Общая масса чугуна в одном модуле
составляет 7,1 тонны.
Детектор ND280 используется для измерения потока, энергетического спектра и оценки
имитации пучка электронных нейтрино в SK(π0). В нем также исследуются различные типы
взаимодействий мюонов и электронных нейтрино и антинейтрино. Все это позволяет оценить
ожидаемое количество и тип взаимодействий в дальнем детекторе.
ND280 состоит из набора внутренних
субдетекторов: детектора Pi-Zero и трекера с двумя
мелкогранулированными детекторами (FGDs),
чередующимися с тремя проекционными камерами,
размещенными внутри металлического каркаса,
называемого корзиной. Корзина окружена
электромагнитным калориметром и магнитом
из эксперимента UA1, создающим однородное
горизонтальное поле 0,2 Тл и оснащенным
сцинтилляционными плоскостями, составляющими
детектор бокового мюонного диапазона.
Детектор Pi-Zero
Основной цель Пи-нулевого детектора является измерением нейтральных пионов образующихся
0
в нейтральных токах при взаимодействии нейтрино с водой:
NN
.
Эта реакция может имитировать взаимодействия электронных нейтрино в SK, потому что фотоны от π0
распада могут быть неверно реконструированы как электрон в SK.
Детектор (P0D) содержит 40 пластиковых
плоскостей сцинтилляционных модулей, которые в
центральной части перемежаются мешками
толщиной 2,8 см, заполняемыми водой и толстыми
латунными листами. В двух периферийных областях
сцинтилляционные модули расположены между
свинцовыми листами. Сравнивая количество
взаимодействий между модами с водой и без воды,
можно определить количество взаимодействий
нейтрино, с водой - материалом мишени.
Два файбер детектора (FGDs) расположенные после
первого и второго TPC вместе с TPC составляют
трекер ND280.
FGDs обеспечивают массу мишени для нейтринных
взаимодействий и способны измерять короткие треки
отдачи протона. Первый FGD состоит только из слоев
сцинтиллятора, второй FGD состоит из чередующихся
слоев сцинтиллятора и воды, потому что детектор SК
основан на воде. Поперечные сечения на углероде и
на воде могут быть определены из сравнения
взаимодействий нейтрино в двух FGD
WAGASCI-BabyMIND (Water Grid Scintillator -Baby Magnetized Iron Neutrino Detector) - это
новый детектор, расположенный рядом с детекторами INGRID и ND280, предназначенный для
изучения взаимодействия нейтрино.
Различный материал мишени ND280 (80% CH + 20% H
O) и SK H 2O) заставляет полагаться на модели
2
поперечного сечения, чтобы отделить оценку сечения H2O от оценки CH.
Доля воды в модулях водяного сцинтиллятора WAGASCI составляет 80%, что позволяет измерять
отношение сечений нейтрино заряженного тока между водой (H 2O) и пластиком (CH) с точностью 3%.
WAGASCI-BabyMIND состоит из нескольких субдетекторов:
Два новых детектора вода-сцинтиллятор (WAGASCI), которые действуют как основные водные
мишени и средства регистрации частиц. Трехмерная решетчатая структура сцинтилляторных файберов
создает пустотелые полости, заполненные водой. Благодаря такой структуре получено высокое
массовое отношение воды к сцинтиллятору.
Один протонный модуль, такой же, как в детекторе INGRID, изготовлен из пластиковых
сцинтилляторов является основной мишенью для CH.
Один BabyMIND представляющий собой намагниченный мюонный спектрометр для регистрации
мюонов. BabyMIND обладает оригинальной конфигурацией сцинтилляционных модулей,
переплетенных с намагниченными ферритовыми модулями наподобие сэндвича. Магнитное поле
создается только внутри феррита, поэтому оно очень эффективно по сравнению с магнитами, которые
должны намагничивать пустые пространства.
Новый детектор обеспечит измерения различных каналов взаимодействия нейтрино с заряженным
током с высокой точностью. Расположение на том же расстоянии в 280 метров от графитовой мишени,
что и детекторов ND280 и INGRID, но под другим углом отклонения от оси в 1,5 градуса приводит к
тому, что энергетический спектр пучка нейтрино достигает максимума около разных энергий для
каждого из углов отклонения от оси, соответствующих детекторам. Комбинация измерений с этих
детекторов обеспечит улучшенное ограничение на сечения взаимодействия нейтрино в зависимости от
их энергии.
When analyzed in a full framework
The predicted T2K neutrino flux at the site of the
WAGASCI-BabyMIND (red line) and of the ND280
(black line) detectors
Прямое экспериментальное указание на осцилляции мюонных нейтрино в электронные
нейтрино. August, 2017
В детекторе SuperKamiokande обнаружено 28 событий,
идентифицированных как взаимодействия электронных
нейтрино. Ожидаемое число фоновых событий, если бы
осцилляции мюонных нейтрино в электронные
отсутствовали, составило 4,6. Такая возможность
исключена на уровне значимости 7,5 σ.
Результат Т2К стал первым наблюдением
эффекта появления нейтрино, отличающегося от типа
нейтрино в начальном пучке
~~
()(
РР
СР нарушение.
А
СР
()(
РР
Фаза может быть найдена из соотношения
(еР
-
)(еР
~~
= sin(2θ12)sin(2 θ23)cos2(θ13)sin(2 θ13)sinδ ≈
)
sinsin
13
T2K observes 89 electron neutrinos while approximately 67 neutrinos are expected with no CP violation,
and they observe 7 electron antineutrinos when approximately 9 are expected.
of three neutrino and antineutrino flavors, and combined with measurements of electron antineutrino
disappearance from reactor experiments, the T2K data exclude CP conservation at the 95% confidence (2σ) level.
Сравнение вероятностей осцилляций нейтрино и антинейтрино может позволить получить
информацию о предсказываемой СМ фазе являющейся причиной СР нарушения в лептонном секторе.
)
ее
~~
)
ее
.
Соседние файлы в папке Физика нейтрино (2 сем, мага)