Русская Википедия:NOvA (эксперимент)
Шаблон:Значения термина NOvA — эксперимент по изучению осцилляций нейтрино[1]. Начал работу в 2014 году[2].
Цель эксперимента
Как теперь известно, нейтрино с определённым лептонным числом (<math>\nu_e</math>, <math>\nu_\mu</math>, и <math>\nu_\tau</math>) не совпадают с состояниями с определённой массой (<math>\nu_1</math>, <math>\nu_2</math> и <math>\nu_3</math>), а являются их суперпозицией:
<math> \begin{pmatrix} \nu_e \\ \nu_\mu \\ \nu_\tau \end{pmatrix} = U \begin{pmatrix} \nu_1 \\ \nu_2 \\ \nu_3 \end{pmatrix} </math>
где <math>U</math> — унитарная матрица 3 х 3. Если массы состояний <math>\nu_1</math>, <math>\nu_2</math> и <math>\nu_3</math> различны (<math>m_1 \ne m_2 \ne m_3</math>), то нейтрино <math>\nu_e</math>, <math>\nu_\mu</math>, и <math>\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>U</math> зависит, в общем случае, от четырёх параметров: трех углов Эйлера <math>\theta_{ij}</math> и фазы <math>\delta</math>:
<math> 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>\delta</math> нулю или <math>\pi</math> означает нарушение CP-инвариантности. Аналогичный параметр в матрице смешивания кварков отвечает за нарушение CP-чётности в распадах K-мезонов.
Величины <math>\Delta m_{12}^2 = m_1^2 - m_2^2</math> и <math>\theta_{12}</math> измерены в экспериментах с электронными нейтрино: солнечными и реакторными.
Целью эксперимента NOvA является измерение величин <math>\delta</math>, <math>\theta_{23}</math> и <math>\Delta m_{23}^2 = m_3^2 - m_2^2</math>. Для этого наблюдаются «исчезновения» мюонного нейтрино (<math>\nu_\mu \to \nu_\mu</math>) и превращения его в электронное (<math>\nu_\mu \to \nu_e</math>), и аналогичные процессы с участием антинейтрино — <math>\tilde\nu_\mu \to \tilde\nu_\mu</math>, <math>\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[3].
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[4]. Как сообщают экспериментаторы, это самый мощный нейтринный пучок в мире на данный момент (2018 год)[5].
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[6]. 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[3].
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)[6].
За это время (с учётом отбора событий по разнообразным критериям, подробно описанным в оригинальных статьях) в дальнем детекторе зарегистрировано[5]:
- 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[5] на прямую иерархию масс (<math>m_3 > m_2</math>) на уровне достоверности <math>1.8\sigma</math>, наиболее вероятные значения фазы <math>\delta = 0.17\pi</math>, угла смешивания <math>\sin^2\theta_{23} = 0.58</math> и разности масс <math>\Delta m_{23}^2 = 2.51\cdot 10^{-3} \text{эВ}^2</math>.
Примечания
Ссылки
- ↑ Илья Ехлаков Эксперимент NOνA Шаблон:Wayback
- ↑ Илья Хель 10 октября 2014 года Эксперимент NOvA по исследованию нейтрино начал работу Шаблон:Wayback
- ↑ 3,0 3,1 Шаблон:Arxiv
- ↑ Шаблон:ArXiv
- ↑ 5,0 5,1 5,2 Шаблон:Статья
- ↑ 6,0 6,1 Шаблон:Cite web
