NOvA (эксперимент)

Шаблон:Значения термина NOvA — эксперимент по изучению осцилляций нейтрино. Начал работу в 2014 году.

Цель эксперимента

Как теперь известно, нейтрино с определённым лептонным числом (${\nu }_e$, ${\nu }_{\mu }$, и ${\nu }_{\tau }$) не совпадают с состояниями с определённой массой (${\nu }_1$, ${\nu }_2$ и ${\nu }_3$), а являются их суперпозицией:

$\left(\begin{array}{c}{\nu }_e\\ {\nu }_{\mu }\\ {\nu }_{\tau }\end{array}\right)=U\left(\begin{array}{c}{\nu }_1\\ {\nu }_2\\ {\nu }_3\end{array}\right)$

где $U$ — унитарная матрица 3 х 3. Если массы состояний ${\nu }_1$, ${\nu }_2$ и ${\nu }_3$ различны ($m_1\ne m_2\ne m_3$), то нейтрино ${\nu }_e$, ${\nu }_{\mu }$, и ${\nu }_{\tau }$, которые рождаются, например, в ядерных реакциях, не являются стационарными состояниями, а, будучи предоставлены сами себе, с течением времени превращаются друг в друга и обратно. Это явление, с математической точки зрения, аналогично биениям в системе связанных маятников и известно как осцилляции нейтрино.

Матрица преобразования $U$ зависит, в общем случае, от четырёх параметров: трех углов Эйлера ${\theta }_{ij}$ и фазы $\delta$:

$U=\left(\begin{array}{ccc}1& 0& 0\\ 0& \cos {\theta }_{23}& \sin {\theta }_{23}\\ 0& -\sin {\theta }_{23}& \cos {\theta }_{23}\end{array}\right)\left(\begin{array}{ccc}\cos {\theta }_{13}& 0& e^{-i\delta }\sin {\theta }_{13}\\ 0& 1& 0\\ -e^{i\delta }\sin {\theta }_{13}& 0& \cos {\theta }_{13}\end{array}\right)\left(\begin{array}{ccc}\cos {\theta }_{12}& \sin {\theta }_{12}& 0\\ -\sin {\theta }_{12}& \cos {\theta }_{12}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right)$

Неравенство фазы $\delta$ нулю или $\pi$ означает нарушение CP-инвариантности. Аналогичный параметр в матрице смешивания кварков отвечает за нарушение CP-чётности в распадах K-мезонов.

Величины $\mathrm{\Delta }{m}_{12}^2=m_1^2-m_2^2$ и ${\theta }_{12}$ измерены в экспериментах с электронными нейтрино: солнечными и реакторными.

Целью эксперимента NOvA является измерение величин $\delta$, ${\theta }_{23}$ и $\mathrm{\Delta }{m}_{23}^2=m_3^2-m_2^2$. Для этого наблюдаются «исчезновения» мюонного нейтрино (${\nu }_{\mu }\to {\nu }_{\mu }$) и превращения его в электронное (${\nu }_{\mu }\to {\nu }_e$), и аналогичные процессы с участием антинейтрино — ${\tilde{\nu }}_{\mu }\to {\tilde{\nu }}_{\mu }$, ${\tilde{\nu }}_{\mu }\to {\tilde{\nu }}_e$.

Оборудование

В эксперименте используется пучок мюонных нейтрино NuMI, создаваемый ускорителем в Fermilab, и два детектора: ближний на расстоянии 1 км от источника нейтрино и дальний на расстоянии 810 км, в штате Миннесота.

Нейтринный пучок создаётся так: протоны, ускоренные до энергии 120 ГэВ, падают на графитовую мишень; при этом, среди прочего, рождаются пионы и каоны. Они фокусируются при помощи магнитного поля специальной конфигурации, а при их распаде возникают нейтрино (антинейтрино), в основном — мюонные. Как сообщают экспериментаторы, это самый мощный нейтринный пучок в мире на данный момент (2018 год).

Дальний детектор весом 14 000 т имеет размеры 15 х 15 х 60 м. Ближний детектор весит 300 т и имеет размеры 4 х 4 х 15 м. Устройство обоих детекторов одинаково — они состоят из поливинилхлоридных ячеек, заполненных жидким сцинтиллятором, а световые импульсы от них собираются специальным оптоволокном. Ближний детектор находится под землёй на глубине 100 м, а дальний — на поверхности.

Из-за осцилляций состав частиц, зарегистрированных дальним детектором, должен отличаться от состава первоначального пучка: мюонных нейтрино становится меньше, и появляются электронные нейтрино, которых в нём не было.

Результаты

С февраля 2014 по февраль 2017 года эксперимент проводился с нейтринным, с февраля 2017 года по настоящее время — с антинейтринным пучком. За это время накоплена статистика, соответствующая 8.85·10²⁰ столкновениям протонов с мишенью в первом и 6.91·10²⁰ во втором режиме (поскольку непосредственно измерить интенсивность нейтринного пучка невозможно, её оценивают косвенно по количеству протонов в первичном пучке).

За это время (с учётом отбора событий по разнообразным критериям, подробно описанным в оригинальных статьях) в дальнем детекторе зарегистрировано:

• мюонных нейтрино:
  • в нейтринном режиме — 113 событий (в отсутствие осцилляций ожидалось 730)
  • в антинейтринном режиме — 65 событий (без осцилляций было бы 266)
• электронных нейтрино:
  • в нейтринном режиме — 58 событий (при оценке фона 15 событий)
  • в антинейтринном режиме — 18 (при ожидании фона 5.3).

Совместный анализ данных нейтринного и антинейтринного режимов указывает на прямую иерархию масс ($m_3>m_2$) на уровне достоверности $1.8\sigma$, наиболее вероятные значения фазы $\delta =0.17\pi$, угла смешивания ${\sin }^2{\theta }_{23}=0.58$ и разности масс $\mathrm{\Delta }{m}_{23}^2=2.51\cdot 10^{-3}{\text{эВ}}^2$.

Ссылки

• FermiLab NOvA Шаблон:Wayback
• JINR NOvA Шаблон:Wayback