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 ($\nu _{e}$, $\nu _{\mu }$, и $\nu _{\tau }$) не совпадают с состояниями с определённой массой ($\nu _{1}$, $\nu _{2}$ и $\nu _{3}$), а являются их суперпозицией:

${\begin{pmatrix}\nu _{e}\\\nu _{\mu }\\\nu _{\tau }\end{pmatrix}}=U{\begin{pmatrix}\nu _{1}\\\nu _{2}\\\nu _{3}\end{pmatrix}}$

где $U$ — унитарная матрица 3 х 3. Если массы состояний $\nu _{1}$, $\nu _{2}$ и $\nu _{3}$ различны ($m_{1}\neq m_{2}\neq m_{3}$), то нейтрино $\nu _{e}$, $\nu _{\mu }$, и $\nu _{\tau }$, 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 $U$ зависит, в общем случае, от четырёх параметров: трех углов Эйлера $\theta _{ij}$ и фазы $\delta$:

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

Неравенство фазы $\delta$ нулю или $\pi$ означает нарушение CP-инвариантности. Аналогичный параметр в матрице смешивания кварков отвечает за нарушение CP-чётности в распадах K-мезонов.

Величины $\Delta m_{12}^{2}=m_{1}^{2}-m_{2}^{2}$ и $\theta _{12}$ измерены в экспериментах с электронными нейтрино: солнечными и реакторными.

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

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 ($m_{3}>m_{2}$) на уровне достоверности $1.8\sigma$, наиболее вероятные значения фазы $\delta =0.17\pi$, угла смешивания $\sin ^{2}\theta _{23}=0.58$ и разности масс $\Delta m_{23}^{2}=2.51\cdot 10^{-3}{\text{эВ}}^{2}$.

Ссылки

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