Конкурс научных работ ЛЯП ОИЯИ за 2020 год: Борис Попов об исследовании рождения адронов в протон-ядерных взаимодействиях в NA61/SHINE (CERN) для точного предсказания спектров и потоков нейтрино в T2K (Япония)

Борис Попов

Нейтринная физика давно является одним из приоритетных направлений работы ЛЯП ОИЯИ. Одна из областей исследования ― физика нейтрино на ускорителях, которой уже с 1980-х годов занимался Научно-экспериментальный отдел физики элементарных частиц (НЭОФЭЧ) под руководством Степана Агароновича Бунятова. Работы велись на установке “Нейтринный детектор ИФВЭ-ОИЯИ” на ускорителе У-70. Затем группа из ЛЯП ОИЯИ присоединилась к эксперименту NOMAD в CERN, основной задачей которого был поиск нейтринных осцилляций. 

В 2010 году заработал нейтринный эксперимент нового поколения Т2К (Tokai-to-Kamioka), который изучает ускорительные нейтрино, создаваемые с помощью протонного синхротрона в центре J-PARC (Токай, Япония). Пучок нейтрино от ускорителя направлен сначала в ближний детектор ND280, который расположен в 280 м от мишени, а затем в дальний ― Super-Kamiokande ― в 300 км от ускорителя. Ученые изучают осцилляции мюонных нейтрино (и антинейтрино), то есть их способность превращаться в другой тип нейтрино (и антинейтрино), сравнивая ожидаемое и зарегистрированное число событий и их энергетический спектр на разных расстояниях от источника.

Нейтринный пучок от ускорителя образуется, как правило, следующим образом: пучок протонов направляется на протяженную мишень (цилиндр длиной 90 см и диаметром 2,6 см) из бериллия или углерода (в эксперименте Т2К это углеродная мишень). Протоны взаимодействуют с мишенью, в результате чего рождаются вторичные заряженные частицы, которые с помощью магнитов направляются в так называемый распадный канал, где они и распадаются с образованием нейтрино или антинейтрино (в зависимости от полярности магнитов, которые могут фокусировать как положительно заряженные, так и отрицательно заряженные вторичные частицы). Нейтринный пучок и его состав измеряется сначала в ближнем, а потом и в дальнем детекторе, и таким образом определяются параметры произошедших осцилляций.

Для наиболее точного измерения этих параметров ученым необходимо знать поток нейтрино с максимальной возможной точностью. Именно с этой целью и проводился вспомогательный эксперимент на ускорителе SPS в CERN. Физики воссоздали условия образования нейтринного пучка Т2К: протонный пучок сбрасывался на мишень, и с помощью магнитного спектрометра NA61/SHINE определялись выходы вторичных частиц. 

Такое “параллельное” исследование было необходимо потому, что в условиях реального нейтринного эксперимента интенсивность протонного пучка, вторичных частиц и облучения мишени чрезвычайно высоки, и провести такое же длительное, как сам эксперимент, детектирование пучка частиц невозможно. Поэтому в CERN были воспроизведены условия эксперимента Т2К, но с меньшей интенсивностью пучка от ускорителя и вторичного потока частиц.

Для измерений сначала использовали тонкую мишень, а затем ― точную копию углеродной мишени эксперимента Т2К. Работа с тонкой мишенью была необходима для отработки технологии эксперимента, а также для более точных расчетов.

 

Inside the NA61/SHINE experiment at CERN (Image: CERN)

 

Почему было важно провести этот эксперимент? Обычно для расчета параметров пучков используют приемы моделирования. Во вспомогательном же эксперименте на спектрометре NA61/SHINE были получены реальные данные. Их точность весьма высока, что уменьшает степень неопределенности и позволяет существенно уменьшить время набора статистики в основном эксперименте T2K.

Несмотря на то что представленные в цикле* работы опубликованы от имени большой международной коллаборации, именно физики Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ внесли наибольший вклад в эту часть научной программы эксперимента NA61/SHINE, что подтверждается назначением представителя группы ЛЯП ОИЯИ ответственным за подготовку к публикации статей 1 и 3 цикла и главным редактором всех статей цикла.
Основная статья** посвящена памяти Степана Агароновича Бунятова, вдохновителя и одного из организаторов этих исследований.

Магнитный спектрометр NA61/SHINE используется и для других экспериментов в области физики тяжелых ионов и для исследования космических лучей. 

Борис Альбертович добавил, что глобальная цель эксперимента Т2К ― исследовать с помощью нейтринных осцилляций асимметрию между веществом и антивеществом во Вселенной. Именно изучение и сравнение вероятности осцилляций для нейтрино и антинейтрино может дать ответ на вопрос, нарушается ли СР-симметрия в лептонном секторе.

Cовещание коллаборации NA61/SHINE в Дубне, 2014

*Цикл работ, завоевавший второе место в Конкурсе научных работ ЛЯП ОИЯИ за 2020 год:

1. N. Abgrall et al. [NA61/SHINE Collaboration https://link.springer.com/article/10.1140%2Fepjc%2Fs10052-016-3898-y 

2. N. Abgrall et al. [NA61/SHINE Collaboration https://link.springer.com/article/10.1140%2Fepjc%2Fs10052-016-4440-y 

3.** N. Abgrall et al. [NA61/SHINE Collaboration https://link.springer.com/article/10.1140/epjc/s10052-019-6583-0 

4. A. Acharya et al. [NA61/SHINE Collaboration https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.103.012006">https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.103.012006

---

 

Читайте также:

Эксперимент Т2К: открыт новый тип нейтринных осцилляций

Эксперимент T2K: новые результаты исследования нарушения CP-симметрии с помощью осцилляций нейтрино и антинейтрино

Результаты конкурса научных работ ЛЯП за 2020 год

Конкурс научных работ ЛЯП ОИЯИ за 2020 год: Алексей Жемчугов об исследовании радиационной стойкости полупроводниковых детекторов

Новости лаборатории