Первый совместный анализ данных экспериментов NOvA и T2K
Два семинара с идентичной тематикой прошли в один и тот же день и в одно и то же время в двух разных часовых поясах (по японскому стандартному и североамериканскому центральному времени), чтобы обеспечить максимальный охват целевой аудитории (https://kds.kek.jp/event/49811/ и https://indico.fnal.gov/event/62062/).
Задачи экспериментов NOvA и T2K — измерения параметров осцилляций нейтрино и, в первую очередь, все еще неизвестных фазы нарушения CP-четности и упорядоченности масс нейтрино. Эта информация крайне востребована: в частности, 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.
Оба 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 ( https://www.jinr.ru/posts/ostsillyatsii-nejtrino-status-i-perspektivy-opredeleniya-poryadka-nejtrinnyh-mass-i-fazy-narusheniya-leptonnoj-cp-invariantnosti/).
Эксперименты и дальше продолжают набирать данные, хотя результаты, полученные на статистике после 2020 года, пока публично не представлялись.
 |  |
| Сравнение доверительных контуров, полученных в экспериментах NOvA и T2K соответственно, в предположении нормальной упорядоченности нейтринных масс. Расхождение в значении $\delta_{CP}$ составляет < $2\sigma$ | Сравнение доверительных контуров, полученных в экспериментах NOvA и T2K соответственно, в предположении обратного порядка нейтринных масс |
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.
До сегодняшнего дня не было примеров сотрудничества в области совместного анализа данных нейтринных экспериментов, проводимых в сходной постановке. 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. Таким образом 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.
Первые совместные результаты от имени обоих экспериментов были оглашены на прошедших в пятницу семинарах представителями рабочей группы, занимавшейся совместным анализом. Эти результаты 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.
 |  |
| Результаты измерения параметра осцилляций $\Delta m^{2}_{32}$ разными экспериментами (центральное значение и $1\sigma$ ошибка) в предположении обратной упорядоченности нейтринных масс. Эксперименты сгруппированы по типу, цветом обозначен источник нейтрино. Фиолетовым маркером выделен результат совместного анализа NOvA+T2K | Распределение апостериорной плотности вероятности для параметра осцилляций $\delta_{CP}$ для обеих упорядоченностей нейтринных масс (фиолетовая линия), для обратной (желтая) и нормальной (синяя). В нижней части представлены соответствующие байесовские доверительные интервалы ($1\sigma$). |
Предложенная инициатива уникальна для нейтринных экспериментов с одинаковыми целями и схожей постановкой, работающих одновременно, как из-за соревновательного характера их работы, так и из-за технических сложностей при объединении двух разных подходов к анализу, каждый со своим моделированием и систематическими неопределенностями. Впервые подобное объединение результатов было реализовано в физике высоких энергий экспериментами в CERN на коллайдерах LEP и позже LHC, что потребовало, кроме всего прочего, большой открытости и соблюдения баланса интересов.
За долгое время совместной работы специалисты по анализу NOvA и T2K обменялись опытом анализа, что также привело к большему пониманию его деталей. В частности, была отработана методика и создан инструментарий для совместного анализа данных, который будет совершенствоваться в ходе дальнейшей совместной работы. Кроме физики трехфлейворных нейтринных осцилляций, разработанные подходы могут использоваться для совместного анализа данных экспериментов NOvA и T2K при поиске стерильных нейтрино, нестандартных взаимодействий нейтрино и, возможно, измерения сечений взаимодействия нейтрино в ближних детекторах экспериментов.
Представленный результат многолетней работы коллабораций NOvA и T2K – прекрасный пример продуктивного сотрудничества, важная веха и прочный фундамент для дальнейшей совместной работы. Такая модель взаимодействия коллабораций с дополняющими друг друга подходами будет актуальна и для будущих экспериментов, таких, например, как DUNE и Hyper-Kamiokande.
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 играют важную роль в основном анализе эксперимента NOvA с целью изучения трехфлейворных осцилляций нейтрино. Полученный опыт нашел применение при проведении первого 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.
