NOvA (эксперимент)

Для термина «Nova» см. также другие значения.

NOvA — эксперимент по изучению осцилляций нейтрино. Начал работу в 2014 году.

Цель экспериментаПравить

Как теперь известно, нейтрино с определённым лептонным числом (${\mathrm{\nu <!--\; \nu \; -->}}_e$$\nu _{e}$ , ${\mathrm{\nu <!--\; \nu \; -->}}_{\mathrm{\mu <!--\; \mu \; -->}}$$\nu _{\mu }$ , и ${\mathrm{\nu <!--\; \nu \; -->}}_{\mathrm{\tau <!--\; \tau \; -->}}$$\nu _{\tau }$ ) не совпадают с состояниями с определённой массой (${\mathrm{\nu <!--\; \nu \; -->}}_1$$\nu _{1}$ , ${\mathrm{\nu <!--\; \nu \; -->}}_2$$\nu _{2}$  и ${\mathrm{\nu <!--\; \nu \; -->}}_3$$\nu _{3}$ ), а являются их суперпозицией:

$\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\nu <!--\; \nu \; -->}}_e\\ {\mathrm{\nu <!--\; \nu \; -->}}_{\mathrm{\mu <!--\; \mu \; -->}}\\ {\mathrm{\nu <!--\; \nu \; -->}}_{\mathrm{\tau <!--\; \tau \; -->}}\end{array}\right)=U\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\nu <!--\; \nu \; -->}}_1\\ {\mathrm{\nu <!--\; \nu \; -->}}_2\\ {\mathrm{\nu <!--\; \nu \; -->}}_3\end{array}\right)$${\begin{pmatrix}\nu _{e}\\\nu _{\mu }\\\nu _{\tau }\end{pmatrix}}=U{\begin{pmatrix}\nu _{1}\\\nu _{2}\\\nu _{3}\end{pmatrix}}$ 

где $U$$U$  — унитарная матрица 3 х 3. Если массы состояний ${\mathrm{\nu <!--\; \nu \; -->}}_1$$\nu _{1}$ , ${\mathrm{\nu <!--\; \nu \; -->}}_2$$\nu _{2}$  и ${\mathrm{\nu <!--\; \nu \; -->}}_3$$\nu _{3}$  различны ($m_1\ne <!--\; \ne \; -->m_2\ne <!--\; \ne \; -->m_3$$m_{1}\neq m_{2}\neq m_{3}$ ), то нейтрино ${\mathrm{\nu <!--\; \nu \; -->}}_e$$\nu _{e}$ , ${\mathrm{\nu <!--\; \nu \; -->}}_{\mathrm{\mu <!--\; \mu \; -->}}$$\nu _{\mu }$ , и ${\mathrm{\nu <!--\; \nu \; -->}}_{\mathrm{\tau <!--\; \tau \; -->}}$$\nu _{\tau }$ , которые рождаются, например, в ядерных реакциях, не являются стационарными состояниями, а, будучи предоставлены сами себе, с течением времени превращаются друг в друга и обратно. Это явление, с математической точки зрения, аналогично биениям в системе связанных маятников и известно как осцилляции нейтрино.

Матрица преобразования $U$$U$  зависит, в общем случае, от четырёх параметров: трех углов Эйлера ${\mathrm{\theta <!--\; \theta \; -->}}_{ij}$$\theta _{ij}$  и фазы $\mathrm{\delta <!--\; \delta \; -->}$$\delta$ :

$U={\begin{pmatrix}1&0&0\\0&\cos \theta _{23}&\sin \theta _{23}\\0&-\sin \theta _{23}&\cos \theta _{23}\end{pmatrix}}{\begin{pmatrix}\cos \theta _{13}&0&e^{-i\delta }\sin \theta _{13}\\0&1&0\\-e^{i\delta }\sin \theta _{13}&0&\cos \theta _{13}\\\end{pmatrix}}{\begin{pmatrix}\cos \theta _{12}&\sin \theta _{12}&0\\-\sin \theta _{12}&\cos \theta _{12}&0\\0&0&1\end{pmatrix}}$ 

Неравенство фазы $\mathrm{\delta <!--\; \delta \; -->}$$\delta$  нулю или $\mathrm{\pi <!--\; \pi \; -->}$$\pi$  означает нарушение CP-инвариантности. Аналогичный параметр в матрице смешивания кварков отвечает за нарушение CP-чётности в распадах K-мезонов.

Величины $\mathrm{\Delta <!--\; \Delta \; -->}{m}_{12}^2=m_1^2-<!--\; -\; -->m_2^2$$\Delta m_{12}^{2}=m_{1}^{2}-m_{2}^{2}$  и ${\mathrm{\theta <!--\; \theta \; -->}}_{12}$$\theta _{12}$  измерены в экспериментах с электронными нейтрино: солнечными и реакторными.

Целью эксперимента NOvA является измерение величин $\mathrm{\delta <!--\; \delta \; -->}$$\delta$ , ${\mathrm{\theta <!--\; \theta \; -->}}_{23}$$\theta _{23}$  и $\mathrm{\Delta <!--\; \Delta \; -->}{m}_{23}^2=m_3^2-<!--\; -\; -->m_2^2$$\Delta m_{23}^{2}=m_{3}^{2}-m_{2}^{2}$ . Для этого наблюдаются «исчезновения» мюонного нейтрино (${\mathrm{\nu <!--\; \nu \; -->}}_{\mathrm{\mu <!--\; \mu \; -->}}\to <!--\; \to \; -->{\mathrm{\nu <!--\; \nu \; -->}}_{\mathrm{\mu <!--\; \mu \; -->}}$$\nu _{\mu }\to \nu _{\mu }$ ) и превращения его в электронное (${\mathrm{\nu <!--\; \nu \; -->}}_{\mathrm{\mu <!--\; \mu \; -->}}\to <!--\; \to \; -->{\mathrm{\nu <!--\; \nu \; -->}}_e$$\nu _{\mu }\to \nu _{e}$ ), и аналогичные процессы с участием антинейтрино — ${\stackrel{~<!--\; ~\; -->}{\mathrm{\nu <!--\; \nu \; -->}}}_{\mathrm{\mu <!--\; \mu \; -->}}\to <!--\; \to \; -->{\stackrel{~<!--\; ~\; -->}{\mathrm{\nu <!--\; \nu \; -->}}}_{\mathrm{\mu <!--\; \mu \; -->}}$${\tilde {\nu }}_{\mu }\to {\tilde {\nu }}_{\mu }$ , ${\stackrel{~<!--\; ~\; -->}{\mathrm{\nu <!--\; \nu \; -->}}}_{\mathrm{\mu <!--\; \mu \; -->}}\to <!--\; \to \; -->{\stackrel{~<!--\; ~\; -->}{\mathrm{\nu <!--\; \nu \; -->}}}_e$${\tilde {\nu }}_{\mu }\to {\tilde {\nu }}_{e}$ .

ОборудованиеПравить

В эксперименте используется пучок мюонных нейтрино NuMI, создаваемый ускорителем в Fermilab, и два детектора: ближний на расстоянии 1 км от источника нейтрино и дальний на расстоянии 810 км, в штате Миннесота.

Нейтринный пучок создаётся так: протоны, ускоренные до энергии 120 ГэВ, падают на графитовую мишень; при этом, среди прочего, рождаются пионы и каоны. Они фокусируются при помощи магнитного поля специальной конфигурации, а при их распаде возникают нейтрино (антинейтрино), в основном — мюонные. Как сообщают экспериментаторы, это самый мощный нейтринный пучок в мире на данный момент (2018 год).

Дальний детектор весом 14 000 т имеет размеры 15 х 15 х 60 м. Ближний детектор весит 300 т и имеет размеры 4 х 4 х 15 м. Устройство обоих детекторов одинаково — они состоят из поливинилхлоридных ячеек, заполненных жидким сцинтиллятором, а световые импульсы от них собираются специальным оптоволокном. Ближний детектор находится под землёй на глубине 100 м, а дальний — на поверхности.

Из-за осцилляций состав частиц, зарегистрированных дальним детектором, должен отличаться от состава первоначального пучка: мюонных нейтрино становится меньше, и появляются электронные нейтрино, которых в нём не было.

РезультатыПравить

С февраля 2014 по февраль 2017 года эксперимент проводился с нейтринным, с февраля 2017 года по настоящее время — с антинейтринным пучком. За это время накоплена статистика, соответствующая 8.85·10²⁰ столкновениям протонов с мишенью в первом и 6.91·10²⁰ во втором режиме (поскольку непосредственно измерить интенсивность нейтринного пучка невозможно, её оценивают косвенно по количеству протонов в первичном пучке).

За это время (с учётом отбора событий по разнообразным критериям, подробно описанным в оригинальных статьях) в дальнем детекторе зарегистрировано:

• мюонных нейтрино:
  • в нейтринном режиме — 113 событий (в отсутствие осцилляций ожидалось 730)
  • в антинейтринном режиме — 65 событий (без осцилляций было бы 266)
• электронных нейтрино:
  • в нейтринном режиме — 58 событий (при оценке фона 15 событий)
  • в антинейтринном режиме — 18 (при ожидании фона 5.3).

Совместный анализ данных нейтринного и антинейтринного режимов указывает на прямую иерархию масс ($m_3>m_2$$m_{3}>m_{2}$ ) на уровне достоверности $1.8\mathrm{\sigma <!--\; \sigma \; -->}$$1.8\sigma$ , наиболее вероятные значения фазы $\mathrm{\delta <!--\; \delta \; -->}=0.17\mathrm{\pi <!--\; \pi \; -->}$$\delta =0.17\pi$ , угла смешивания ${\sin }^2<!--\; \; -->{\mathrm{\theta <!--\; \theta \; -->}}_{23}=0.58$$\sin ^{2}\theta _{23}=0.58$  и разности масс $\mathrm{\Delta <!--\; \Delta \; -->}{m}_{23}^2=2.51\cdot <!--\; \cdot \; -->{10}^{-<!--\; -\; -->3}{\text{эВ}}^2$$\Delta m_{23}^{2}=2.51\cdot 10^{-3}{\text{эВ}}^{2}$ .

СсылкиПравить

• FermiLab NOvA Архивная копия от 6 января 2018 на Wayback Machine
• JINR NOvA Архивная копия от 2 августа 2018 на Wayback Machine