ОИЯИ – Фермилаб: изучение осцилляций нейтрино в проекте NOvA


https://www.youtube.com/jinrtv

Между двумя научными центрами — Объединенным институтом ядерных исследований и Национальной ускорительной лабораторией имени Энрико Ферми (Фермилаб, США) существует кооперация  по перспективному проекту NOvA. Это ускорительный нейтринный эксперимент (мюон-электронные осцилляции нейтрино). ОИЯИ принимает активное участие в работе коллаборации, включающей 40 институтов из 7 стран. С 2014 года идет набор статистики от нейтринного пучка в Лаборатории Ферми. Из района Чикаго пучок нейтрино движется 500 миль – 810 км —   в Миннесоту.

Найджел Локиер, директор Национальной Лаборатории имени Э. Ферми (США): «Пучок, который мы посылаем из Фермилаба, представляет собой почти чистый пучок мюонных нейтрино. А когда он пребывает в Миннесоту, то часть его становится электронным, и поэтому мы пытаемся  искать электроны в Миннесоте. Это можно сравнить с тем, как если бы вы купили мороженое с клубникой, обошли вокруг парка и когда пришли назад, то  мороженое превратилось в шоколадное. Примерно такая аналогия».

В 2015 году коллаборация NOvA объявила о своих первых результатах. В течение года набора статистики в дальнем детекторе было зарегистрировано исчезновение потока мюонных нейтрино и появление электронных нейтринных событий.  Ученые наблюдали 6 таких  событий.

В Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ оборудована комната удаленного управления  экспериментом NOvA. Набор статистики здесь происходит непрерывно 24 часа в сутки на протяжении почти двух лет. Эксперимент продлится до 2020 года.

Олег Самойлов, начальник сектора ускорительных нейтрино научно-экспериментального отдела физики элементарных частиц Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ: «Эксперимент направлен  на изучение свойств нейтрино. Широко уже известны  осцилляции, другими словами превращение одного типа нейтрино  в другой. Хотя матрица,  смешивание, изучено хорошо, однако есть еще, по крайней мере, два параметра, которые неизвестны.  Если нейтрино у нас дираковкое – это означает, что нейтрино и антинейтрионо – это разные частицы. Тогда нам нужно  измерить два параметра – это нарушение четности нейтрино, так зазываемой СР-четности,  то есть пространственной и временной одновременно.  А измерить это можно по различию этих свойств осцилляции нейтрино для нейтрино и антинейтрино, на что  направлен эксперимент NOvA. А второе свойство – физики  любят измерять некую шкалу.  Для частицы – это шкала масс. Известно, что есть у нас три типа нейтрино, но неизвестен порядок – как они расположены. Есть первое нейтрино, есть второе, есть третье. В данный момент известна разница масс между первым и вторым и между этой смесью и третьим».

Ученым еще непонятно, какое из нейтрино самое легкое. Именно на это направлены  наиболее перспективные эксперименты, и NOvA – один из первых.

Николай Анфимов, научный сотрудник научно-экспериментального отдела физики элементарных частиц Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ, ответственный за лабораторию  тестирования фотодетекторов: «Осцилляции – на сегодняшний день их уже открыли (была вручена Нобелевская премия).  Стало понятно, что это еще и очень хороший инструмент для изучения  свойств самих нейтрино. И для того, чтобы нам понимать, как все устроено во Вселенной, необходимо знать очень важный параметр – так называемую иерархию масс,  определить, какое нейтрино тяжелее, какое легче.  Осцилляции нейтрино – это тот инструмент, который позволит дать ответ на этот вопрос. В связи с этим сейчас проводятся эксперименты различные с методической точки зрения, но направленные на изучение одних и тех же свойств, например, ускорительный эксперимент NOvA».

Нейтрино – самая распространенная частица во Вселенной, но мы о ней почти ничего не заем, — говорят ученые.

Найджел Локиер, директор Национальной Лаборатории имени Э. Ферми (США):  «Самое главное мы хотим понять – важны ли нейтрино в процессе создания Вселенной. Ученые считают, что существует три типа нейтрино — электронные, мюонные и таонные  — νe,  νµ, ντ. Поскольку  электрон  является самой легкой частицей  из заряженных лептонов, то многие думают, что  электронные нейтрино должны быть легче из этих трех».

Источником нейтнино в космосе являются звезды, Солнце – самый близкий к Земле источник этих частиц.  В лабораторных условиях нейтрино получают в физических установках. В Фермилабе – это ускоритель.

Николай Анфимов, научный сотрудник научно-экспериментального отдела физики элементарных частиц Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ, ответственный за лабораторию  тестирования фотодетекторов: «Там ускоряются протоны. Дальше эти протоны сбрасываются на мишень, и  в результате ядерных  реакций  рождаются пи-мезоны. А эти пи-мезоны уже распадаются на мюоны и мюонные нейтрино. В зависимости от того, какой пи-мезон (пи-плюс или пи-минус) от этого будут получаться мюонные нейтрино или мюонные антинейтрино. Дальше  все частицы отводятся магнитным полем и получается чистый пучок нейтрино».

В километре от мишени, где рождаются нейтрино, в Фермилабе,  стоит ближний детектор. Через 810 км у Канадской границы на их пути – дальний детектор.

Олег Самойлов, начальник сектора №2 (ускорительных нейтрино) научно-экспериментального отдела физики элементарных частиц Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ: «Есть два детектора. Один из них находится в Фермилабе, близко к пучку – это некий монитор самого пучка, когда рождаются в основном мюонные нейтрино и измеряется их спектр. Дальше пучок транслируется в Миннесоту – там расположен дальний детектор, он идентичен ближнему, но намного больше – его размеры 15х15х60м (как 5-этажный дом, можно по высоте сравнить с Собором Василия Блаженного).  А в дальнем детекторе измеряется  уже поток электронных нейтрино. (Мюонное нейтрино превратилось в новую частицу – в электронное нейтрино). На основе этого делаются выводы – о параметрах самих этих осцилляций и еще  – иерархия масс   и нарушение  зарядовой пространственной четности».

Николай Анфимов, научный сотрудник научно-экспериментального отдела физики элементарных частиц Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ, ответственный за лабораторию  тестирования фотодетекторов: «Детектор имеет очень высокую сегментацию, состоит из множества мельчайших длинных трубок, каждая размером 6х4см. В целом получается 340 тысяч каналов. Каждый канал может считывать, оцифровывать, и дальше это идет в общий анализ данных. По своей масштабности это грандиозные эксперименты с огромным числом каналов. Для этого требуется современная электроника —  как в считывании света, так и в оцифровке данных, в их обработке и анализе».

Данные с обоих детекторов  в режиме реального времени отражаются на экранах в комнате удаленного центра управления  экспериментом NOvA в Дубне.  Этот центр был первым, построенным вне США. Его еще называют «удаленная виртуальная сессия». Сколько мюонных нейтрино превратились в электронные —  узнают и в Фермилабе, и в ОИЯИ.

Олег Самойлов, начальник сектора №2 (ускорительных нейтрино) научно-экспериментального отдела физики элементарных частиц Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ: «Каждую секунду  рождается несколько нейтрино, или во временном окне, которое 10 микросекунд, у нас может  родиться 5 или 7 нейтрино.  В то время, как на дальнем детекторе эти события очень редкие,  и мы наблюдаем в основном космические  мюоны».

Найджел Локиер, директор Национальной Лаборатории имени Э. Ферми (США): «Самое интересное — ОИЯИ имеет у себя пульт управления экспериментом дистанционный,  не пучком,   а экспериментом. Они могут управлять экспериментальной установкой в Миннесоте,  могут вести сбор  данных».

Директор Фермилаба во время посещения ОИЯИ в 2016 году смог пообщаться по видеосвязи с сотрудницей американской лаборатории, находясь в Лаборатории ядерных проблем. И в Дубне, и в Фермилабе задачи у сменщиков  одинаковые.

Дневная смена в секторе ускорительных нейтрино ЛЯП длится  с 8 до 16 часов летом и  с 9 до 17 зимой  — по сути, она является ночной, ведь в США в это время ночь. Дежурит на сменах эксперимента NOvA  так называемый шифтер – сменщик. Он следит за тем, чтобы все оборудование работало надежно, ведь в режиме он-лайн ведется анализ нейтринных событий. Бывает, по техническим причинам набор данных  прекращается и надо оперативно реагировать,  связываться с экспертами, находящимися и в Дубне, и за океаном. Сменщик не может надолго отлучаться от мониторов. Для экономии времени кухню совместили с конференц-залом. Здесь и кофе-машина, и плита, и холодильник, но чашку кофе лучше брать на место дежурства — убедились специалисты.

Помимо мониторинга детекторов в  лабораторном комплексе ЛЯП с 2014 года проводятся измерения с электроникой,  используемой в нейтринном эксперименте NOvA, для чего был сделан измерительный стенд, где можно моделировать разные формы сигнала.

Николай Анфимов, научный сотрудник научно-экспериментального отдела физики элементарных частиц Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ, ответственный за лабораторию  тестирования фотодетекторов: «Здесь у нас в ЛЯП мы сделали  небольшой стенд, на котором проверяем фотодетекторы, которые используются для считывания света (с «родной» электроникой, используемой  в  эксперименте NOvA). Исследовали различные эффекты в обработке сигналов, в их оцифровке – даже для  экзотических случаев. Стоит упомянуть работу  по поиску экзотических частиц магнитных монополей. Есть шанс, что обнаружат эти гипотетические частицы».

В ОИЯИ для анализа экспериментальных данных  NOvA созданы хорошие условия: в Лаборатории информационных технологий выделены ресурсы (для ГРИД и облачных вычислений), которые включены в общий ресурс NOvA и обеспечивают работу с актуальным математическим обеспечением эксперимента.

Первые данные эксперимента NOvA показывают, что детекторы и вся цепочка анализа работают надежно,  и продолжение набора данных должно принести  новые результаты.   Сотрудники Лаборатории   участвуют в  экспериментах,  нацеленных на измерение иерархии масс и нарушения  СР -четности (комбинированной чётности, которая является произведением пространственной чётности  и зарядовой чётности) в нейтринных осцилляциях — это проекты NovA (NuMI Off-Axis νe Appearance ( США) и JUNO (Китай). Планируется принять участие в эксперименте DUNE. Все это для того, чтобы понять, как  развивается Вселенная. «Нам надо знать о нейтрино как можно больше, — говорят ученые. — С помощью нейтрино можно  контролировать  наработку плутония в ядерных реакторах.  Есть даже идея  — при помощи нейтрино сделать томографию Земли, ведь нейтрино беспрепятственно проходят через нашу планету».

Научно-информационный отдел ОИЯИ, 2016

Редактор портала: Инна ОРЛОВА

Видеограф: Евгений ГОРЯЧКИН

http://www1.jinr.ru/News/Jinrnews_rus.html

http://wwwinfo.jinr.ru/jinrmag