Первый совместный анализ данных по измерению осцилляций нейтрино в экспериментах NOvA и T2K опубликован в журнале Nature
Представленный в журнале Nature итог многолетней работы коллабораций NOvA и T2K – прекрасный пример продуктивного сотрудничества, важная веха и прочный фундамент для дальнейшей совместной работы. Этот совместный анализ представляет собой один из самых точных на сегодня результатов измерений параметров нейтринных осцилляций в мире.
«Эти результаты стали итогом сотрудничества и взаимопонимания двух уникальных коллабораций, каждая из которых включает множество экспертов в области физики нейтрино, технологий детектирования и методов анализа, работающих в совершенно разных условиях, использующие разные методы и инструменты», — говорит представитель коллаборации T2K Томаш Носек.
Переговоры между коллаборациями NOvA и T2K о совместном анализе начались практически сразу после получения первых результатов. В 2017 году состоялась первая встреча специалистов обеих коллабораций. Прошло почти семь лет от идеи совместного анализа до объявления его первых результатов. Такая продолжительность была обусловлена не только технической сложностью анализа, но и необходимостью скрупулезного обсуждения всех деталей анализа в коллаборациях, связанной с беспрецедентностью инициативы. Основная техническая сложность заключалась в различии подходов к моделированию и анализу данных, что усугублялось большим количеством коррелирующих систематических неопределенностей. Это до сих пор один из самых сложных элементов этого объединенного анализа. В случае же принципиально разных постановок, как правило, неопределенности экспериментов независимы и такое объединение не представляло бы сложности.
Задачи нейтринных ускорительных экспериментов NOvA и T2K — измерения параметров осцилляций нейтрино, и в первую очередь, фазы нарушения CP-четности и упорядоченности масс нейтрино. Упорядоченность масс играет существенную роль в моделировании потоков нейтрино при взрыве сверхновых, она важна также для оценки чувствительности целого класса экспериментов по поиску безнейтринного двойного бета-распада и является входным параметром для экспериментов по прямому измерению масс нейтрино и поиску реликтовых нейтрино. Фазу же нарушения CP-инвариантности в лептонном секторе в ряде моделей связывают с важнейшим явлением – возникновением асимметрии вещества и антивещества во Вселенной.
Как постановка экспериментов NOvA и T2K, так и их цели очень схожи. Однако эксперименты не только конкурируют, но и дополняют друг друга: из-за более длинной базы осцилляций эксперимент NOvA более чувствителен к упорядоченности нейтринных масс, а эксперимент T2K при известной упорядоченности масс нейтрино оказывается чувствительным к $\delta_{CP}$ в определенном диапазоне его значений.
Оба нейтринных ускорительных эксперимента NOvA и T2K работают с пучком (анти)нейтрино, полученным в результате взаимодействия ускоренного пучка протонов с неподвижной мишенью. В каждом эксперименте задействована пара детекторов: ближний и дальний. Эксперимент NOvA базируется в Национальной ускорительной лаборатории им. Э. Ферми (США). Ближний детектор располагается на расстоянии 1 км от мишени, он используется для измерения начального флейворного состава пучка нейтрино. Далее пучок проходит расстояние 809 км, и в дальнем детекторе регистрируется конечный флейворный состав пучка нейтрино. Эксперимент T2K располагается на территории протонного ускорительного комплекса J-PARC (Япония). Поток нейтрино регистрируется в двух детекторных комплексах, разнесенных на расстояние 295 км.
Статистика нейтринных событий, которые использовались в совместном анализе данных двух экспериментов, как и состояние каждого индивидуального подхода к анализу данных (отбор событий, методы аппроксимации данных и прочее), ограничены 2020 годом. Индивидуальные результаты экспериментов демонстрируют расхождение с небольшой (< 2σ) статистической значимостью. А именно, для нормальной упорядоченности нейтринных масс в эксперименте NOvA не проявляется асимметрия между появлением электронных нейтрино и антинейтрино, в то время как в эксперименте T2K эта асимметрия наблюдается. Как результат, значения $\delta_{CP}$, получаемые в двух экспериментах, различны. Этот факт стимулировал появление ряда объяснений с привлечением физики за пределами Стандартной модели, например, с допущением нестандартных взаимодействий нейтрино. Примечательным, однако, является согласие экспериментов в предположении обратного порядка нейтринных масс.
Результаты совместного анализа являются более точными по сравнению с результатами каждого из экспериментов в отдельности. Например, полученное объединенное значение $\Delta m_{32}^{2}$ является на сегодняшний день самым точным. Для неизвестных же до сих пор параметров упорядоченности нейтринных масс и CP-нарушения в лептонном секторе в совместном анализе получилось небольшое предпочтение обратного порядка нейтринных масс. В этом случае на уровне > $3\sigma$ исключается ряд значений $\delta_{CP}$, в том числе отвечающих за отсутствие CP-нарушения. «Совместный анализ позволяет получить более точные результаты, чем каждый эксперимент в отдельности, — рассказывает участница коллаборации NOvA, заместитель начальника НЭОФЭЧ ЛЯП, к.ф.-м.н. Людмила Колупаева. — Как правило, эксперименты в физике высоких энергий имеют разные схемы, даже если преследуют одну и ту же научную цель. Совместный анализ позволяет нам использовать их взаимодополняющие особенности».
Для справки:
ОИЯИ участвует в эксперименте NOvA с 2014 года. За это время сотрудники НЭОФЭЧ ЛЯП внесли в него существенный и разносторонний вклад. Методические исследования использовались при уточнении ряда систематических неопределенностей и при совершенствовании моделирования детектора. Участники группы ведут исследования по изучению потоков атмосферных мюонов, поиску магнитных монополей и нейтрино от взрывов сверхновых, регистрации атмосферных нейтрино. В течение многих лет физики из ОИЯИ играли важную роль в основном анализе эксперимента NOvA с целью изучения трехфлейворных осцилляций нейтрино. Полученный опыт нашел применение и при проведении совместного анализа экспериментов NOvA и T2K с целью измерения параметров осцилляций нейтрино.
В эксперименте T2K ОИЯИ участвует с 2020 года. Физики из Научно-экспериментального отдела множественных адронных процессов ЛЯП (НЭОМАП ЛЯП) и Отдела научно-исследовательских работ и инноваций ЛЯП (ОНИРИ ЛЯП) проводят методические исследования, занимаются моделированием потоков нейтрино с помощью измерений, сделанных в эксперименте SHINE (CERN), и уже внесли вклад в сборку новой мишени ближнего детектора эксперимента.
По материалам статьи Л. Д. Колупаевой и А. Г. Ольшевского:
https://www.jinr.ru/posts/pervyj-sovmestnyj-analiz-dannyh-eksperimentov-nova-i-t2k/
Статью Л. Д. Колупаевой о публикации в Nature можно прочитать на сайте ОИЯИ.
Наши публикации
