Виды экспериментов по изучению нейтринных осцилляций

Выделяют два основных класса экспериментов по поиску нейтринных осцилляций:

· эксперименты, ведущие поиск тех типов нейтрино, которые изначально не присутствовали в нейтринном пучке (эксперименты «на возникновение»);

· эксперименты, направленные на обнаружение убывания того типа нейтрино, который был в пучке первоначально (эксперименты «на исчезновение»).

В экспериментах «на возникновение» в имеющемся пучке, в идеальном случае, состоящем только из нейтрино одного аромата, ведется поиск нейтрино другого аромата на расстоянии x от источника. При этом энергии нейтрино должны быть достаточны для возможности детектирования возникающего нейтрино нового отличного от первичного аромата. Преимущество этого класса измерений состоит в высокой чувствительности к малым углам смешивания, так как достаточно зарегистрировать всего несколько нейтрино «неправильного» типа. Обычно ведется поиск одного заранее выбранного канала.

Второй класс экспериментов менее чувствителен к амплитудам смешивания. Чувствительность ограничивается неопределенностями нейтринного потока и нейтринного спектра, а также вероятностью детектирования в детекторе. С другой стороны, эксперименты «на исчезновение» позволяют регистрировать переходы во всевозможные конечные каналы, включая переходы в стерильное нейтрино (например, правые нейтрино и левые антинейтрино). Эксперименты «на исчезновение» очень чувствительны к малым значениям массовых параметров .

Все установки, изучающие осцилляции, для защиты от фона космического излучения располагаются в глубоких подземных шахтах [6]. Ввиду малого сечения взаимодействия нейтрино с веществом ( ) такие детекторы (особенно дальние – на расстоянии L~1000 км, в которых из-за расходимости пучка число взаимодействий в пересчете на единицу массы детектора на 5 – 6 порядков меньше, чем в ближних) должны иметь большие массы.

§3.2 Экспериментальное обнаружение n_t нейтрино

Первое прямое наблюдение n_t нейтрино было результатом эксперимента DONUT (Direct Observation of the NU Tau) в 2000г [4, 6]. В DONUT использовалась традиционная постановка эксперимента «beam-dump», когда интенсивный пучок протонов от тэватрона FNAL с энергией 800 ГэВ сбрасывается на толстую мишень большого размера. Затем с помощью магнитов все заряженные частицы уводятся с линии пучка и поглощаются в окружающей защите, а образовавшиеся в мишени нейтрино продолжают двигаться до детектора. Сам детектор представляет собой «сэндвич», состоящий из 1 мм плоскостей железа, прослоенной пластиком толщиной 200 мкм, на который с каждой стороны нанесены слои ядерной фотоэмульсии толщиной по 100 мкм. По оценкам на 10¹² n_t, прошедших через детектор ожидалось 1 n_t-взаимодействие с ядром железа. Распад короткоживущего t-лептона (2.9´10^-13 c) идентифицировался по излому на треке. Анализ фотоэмульсионных слоев был сделан группой из Нагои при использовании автоматизированных микроскопов – трекселекторов. Из 203 зарегистрированных нейтринных событий 4 события удовлетворяли всем критериям короткоживущего распада и были интерпретированы как взаимодействия n_t с последующим распадом t-лептона (два распада  и два ).

Проект OPERA

Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus (OPERA) - фотоэмульсионный эксперимент «на появление», в котором осцилляции будут изучаться путем прямого наблюдения распадов t-лептонов [9]. Пучок нейтрино от ускорителя SPS в ЦЕРНе направляется на детектор, находящийся в 732 км в подземной лаборатории Гран-Сассо. Пучок нейтрино в основном будет содержать  нейтрино с примесью ~2%  и 1% . Будет использоваться система временной синхронизации работы детектора OPERA и ускорителя SPS. Интенсивность нейтринного пучка в лаборатории Гран-Сассо составит приблизительно 4.49´10^-9 м^-2 на 1 падающий на мишень протон (~10¹⁷ протонов в сутки), поперечный размер – около 800 м, средняя энергия  17 ГэВ. При этом в детекторе ожидается около 50 событий n_m взаимодействий в сутки. Предполагается, что регистрация будет идти 200 дней в году. Таким образом, за пять лет планируется получить ~50000 событий, связанных с взаимодействием n_m, из них ~10-20 событий n_t .

При обработке эмульсий планируется выделять следующие основные типы событий (таблица 1).

1	СС взаимодействие nm (обмен W± бозоном)	nm®m-X
2	NC взаимодействие нейтрино (обмен Z0 бозоном)	nN®nX
3	СС взаимодействие ne	neN®e-X
4	Взаимодействия с образованием чармированных частиц	nmN®сmX
5	CC взаимодействие nt	ntN®t-X

Таблица 1. Типы регистрируемых событий в OPERA

Основной целью проекта OPERA является выделение событий последнего, пятого типа. Предполагается идентифицировать моды распадов t-лептонов, содержащие одну заряженную частицу:

Значительный парциальный выход этих каналов – 49.5, 17.7, 17.8% соответственно для адронной мюонной и электронной моды, а также низкий уровень фоновых процессов, имитирующих эти распады, гарантирует высокую надежность регистрации осцилляций .

Детектор OPERA

В детекторе OPERA ближний детектор отсутствует и будет использован только дальний. Это свинцово-фотоэмульсионный детектор модульной конструкции с полезной массой, доходящей до 2 кт, из которой масса фотоэмульсии составляет около 100 т, что не имеет аналогов в экспериментальной физике. Структура единичного элемента-блока определяется средней длиной пробега t-лептона, которая при энергии CNGS составляет около 1 мм. На рисунке 2 показана конфигурация блока: слои ядерной фотоэмульсии толщиной 50 мкм, политой с двух сторон на 200 мкм пластиковую основу, чередуются с 1мм свинцовыми пластинками. Радиус зерен эмульсии около 0.2 мкм, плотность зерен – 30 зерен/100 мкм. Эмульсионные пластины производились с использованием промышленных линий Fuji, обеспечивающих ровную поверхность и постоянную толщину пластин.

Рис. 2. Структурная схема фотоэмульсионного блока в детекторе OPERA

Координаты траектории заряженной частицы на границе эмульсии определяются с высокой точностью (0.1 – 0.2 мкм), что обеспечивает точность измерения углов не хуже 5-8 мрад. Если n_t взаимодействует в какой либо из свинцовых пластин, то с наибольшей вероятностью распад t-лептона (визуально выглядящий как излом трека) произойдет в следующей за ней пластинке свинца. При прослеживании треков в эмульсионных слоях, прилегающих к этой пластинке, на одном из них будет наблюдаться изменение угла трека в результате его излома. Каждый блок такой конфигурации имеет поперечный размер 10.2´12.7 см, вес 8.3 кг (7.9 кг – свинец, 0.4 - эмульсия) и содержит 56 свинцовых пластин и 58 пластин с двухсторонней эмульсией. Стенка, собранная из 3264 блоков, и прилегающие к ней две взаимно перпендикулярные плоскости сцинтилляторов составляют модуль детектора. Его поперечные размеры 6.75´6.75 м², а толщина 12 см. С помощью сцинтилляционных плоскостей вырабатывается триггерный сигнал, и в стенке локализуется фотоэмульсионный блок, в котором произошло нейтринное взаимодействие. Такой блок изымается из стенки, содержащаяся в нем фотоэмульсия проявляется и сканируется, а на его место устанавливается новый. Сцинтилляционная плоскость собирается из полос органического сцинтиллятора с WLS-волокнами, которые подсоединяются к 16 канальному ФЭУ «Hamamatsu» R5900-M16. Пространственное разрешение сцинтилляционного детектора определяется шириной полосы сцинтиллятора ~25 мм.

Секция мишени, состоящая из 24 последовательных модулей, и замыкающий ее спектрометр мюонов образуют наиболее масштабную структуру детектора – супермодуль весом 652 т(623 т – свинец, 29 т - эмульсия). Три супермодуля образуют детектор OPERA (рис. 3).

Рис. 3. Общий вид детектора OPERA

В конце каждого супермодуля OPERA устанавливается мюонный спектрометр, состоящий из дипольного магнита и плоскостей позиционно-чувствительных детекторов. Магнит представляет собой две стенки, набранные из 12 железных пластин толщиной 5 см, которые намагничиваются током 1200 А, циркулирующим в верхней и нижней медных обмотках. В результате создается магнитное поле 1.5 Тл. Координатную информацию обеспечивают: вне магнита (между супермодулями) – плоскости, собранные из дрейфовых трубок, внутри RPC-детектора. Энергетические потери мюона, пересекающего эмульсионную мишень, составляют 1.7 ГэВ, а в магнитном поле спектрометра 0.6 ГэВ. Таким образом, мюоны, которые пересекают весь супермодуль, имеют эффективность идентификации близкую к 100%.