NOvA (эксперимент)

Для термина «Nova» см. также другие значения.

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

Цель эксперимента

Как теперь известно, нейтрино с определённым лептонным числом ([math]\displaystyle{ \nu_e }[/math], [math]\displaystyle{ \nu_\mu }[/math], и [math]\displaystyle{ \nu_\tau }[/math]) не совпадают с состояниями с определённой массой ([math]\displaystyle{ \nu_1 }[/math], [math]\displaystyle{ \nu_2 }[/math] и [math]\displaystyle{ \nu_3 }[/math]), а являются их суперпозицией:

[math]\displaystyle{ \begin{pmatrix} \nu_e \\ \nu_\mu \\ \nu_\tau \end{pmatrix} = U \begin{pmatrix} \nu_1 \\ \nu_2 \\ \nu_3 \end{pmatrix} }[/math]

где [math]\displaystyle{ U }[/math] — унитарная матрица 3 х 3. Если массы состояний [math]\displaystyle{ \nu_1 }[/math], [math]\displaystyle{ \nu_2 }[/math] и [math]\displaystyle{ \nu_3 }[/math] различны ([math]\displaystyle{ m_1 \ne m_2 \ne m_3 }[/math]), то нейтрино [math]\displaystyle{ \nu_e }[/math], [math]\displaystyle{ \nu_\mu }[/math], и [math]\displaystyle{ \nu_\tau }[/math], 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 [math]\displaystyle{ U }[/math] зависит, в общем случае, от четырёх параметров: трех углов Эйлера [math]\displaystyle{ \theta_{ij} }[/math] и фазы [math]\displaystyle{ \delta }[/math]:

[math]\displaystyle{ 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} }[/math]

Неравенство фазы [math]\displaystyle{ \delta }[/math] нулю или [math]\displaystyle{ \pi }[/math] означает нарушение CP-инвариантности. Аналогичный параметр в матрице смешивания кварков отвечает за нарушение CP-чётности в распадах K-мезонов.

Величины [math]\displaystyle{ \Delta m_{12}^2 = m_1^2 - m_2^2 }[/math] и [math]\displaystyle{ \theta_{12} }[/math] измерены в экспериментах с электронными нейтрино: солнечными и реакторными.

Целью эксперимента NOvA является измерение величин [math]\displaystyle{ \delta }[/math], [math]\displaystyle{ \theta_{23} }[/math] и [math]\displaystyle{ \Delta m_{23}^2 = m_3^2 - m_2^2 }[/math]. Для этого наблюдаются «исчезновения» мюонного нейтрино ([math]\displaystyle{ \nu_\mu \to \nu_\mu }[/math]) и превращения его в электронное ([math]\displaystyle{ \nu_\mu \to \nu_e }[/math]), и аналогичные процессы с участием антинейтрино — [math]\displaystyle{ \tilde\nu_\mu \to \tilde\nu_\mu }[/math], [math]\displaystyle{ \tilde\nu_\mu \to \tilde\nu_e }[/math].

Оборудование

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.

Результаты

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 ([math]\displaystyle{ m_3 \gt m_2 }[/math]) на уровне достоверности [math]\displaystyle{ 1.8\sigma }[/math], наиболее вероятные значения фазы [math]\displaystyle{ \delta = 0.17\pi }[/math], угла смешивания [math]\displaystyle{ \sin^2\theta_{23} = 0.58 }[/math] и разности масс [math]\displaystyle{ \Delta m_{23}^2 = 2.51\cdot 10^{-3} \text{эВ}^2 }[/math].

Ссылки

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