Открытие нейтринных осцилляций (стр. 3 )

Детектор MPD на коллайдере NICA в ОИЯИ, Дубна. Детектор MPD предназначен для исследования коллективных эффектов и ненуклонных степеней свободы в ядрах и переходных  процессов в сжатой ядерной материи  при столкновениях протонов и тяжёлых ионов с ядрами. Для исследования работы  предложенного в ИЯИ РАН варианта адронного калориметра ZDC  для регистрации спектаторов в столкновениях тяжелых ядер на коллайдере NICA с энергией в с. ц.м. порядка нескольких ГэВ изготовлен прототип калориметра. Отклик изготовленного модуля был исследован на пучке канала T10 PS в ЦЕРНе.  Этот канал обеспечивал пучки пионов и протонов  с импульсом в диапазоне 2 - 6 ГэВ/с.

В качестве прототипа калориметра ZDC установки  MPD использовались сэндвич-модули, состоящие из слоев свинца и пластического сцинтиллятора с поперечным размером 20 х 20 см2. До настоящего времени отклик таких модулей экспериментально исследовался только при энергиях протонов больше 20 ГэВ.  При энергиях протонов ниже 10 ГэВ экспериментальных данных по энергетическому разрешению и линейности отклика таких модулей нет. В области энергий адронов ниже 5 ГэВ отклик калориметра должен отличаться для пионов и протонов в связи с различиями в  развитии адронного ливня при этих энергиях. Таким образом, требуются дополнительные экспериментальные исследования отклика калориметра в области низких энергий протонов. Для обеспечения необходимого энергетического разрешения каждый модуль собран из 60 слоев свинца с расположенными между ними  сцинтилляционными пластинами. Толщина каждой свинцовой пластины составляет 16 мм, а толщина сцинтиллятора 4 мм. При таком соотношении 4:1 толщин свинца и сцинтиллятора выполняется условие так называемой компенсации, при котором вклад электромагнитной компоненты в адронный ливень равен вкладу от чисто адронной компоненты.

Для детектирования света со сцинтилляторов с каждой из 10 секций продольно сегментированного модуля калориметра требуется 10 отдельных фотодетекторов на каждый модуль. В качестве фотодетекторов были выбраны кремниевые полупроводниковые микро-пиксельные лавинные фотодиоды, MAPD-3А, производства  Zecotek Photonics Inc (Сингапур).

Для идентификации пионов и протонов в пучке измерялось время пролета частицы между двумя черенковскими детекторами с кварцевыми радиаторами диаметром  20 мм. 

Проведенные исследования энергетического разрешения и линейности модуля калориметра показали, что предлагаемая концепция и техническая реализация на основе слоистого  свинец / сцинтиллятор конструкции модуля калориметра и выбранной схемы света считывания света с помощью микропиксельных фотодетекторов обеспечивает получение  необходимого энергетического разрешения и линейности отклика в диапазоне энергий ускорительного комплекса НИКА.

  Проведены измерения функции возбуждения выхода пионов в реакции d+Ag, d+Cu, d+W на внутреннем пучке Нуклотрона ЛФВЭ ОИЯИ при энергиях около 350 МэВ на нуклон.

  Эксперимент Е06-TREK  (Япония). Планируемый эксперимент Е06-TREK, J-PARC (Япония) предназначен для поиска Т-нечетной поляризации мюона в распадах положительных каонов. Основной изучаемой модой является Kµ3 распад каона на положительный мюон, нейтральный пион и нейтрино. Нарушение Т-инвариантности в данном распаде требует существования компоненты поляризации мюона РТ, перпендикулярной плоскости Kµ3 распада, поскольку данная компонента меняет знак при операции обращения времени. Таким образом, эксперимент требует определения плоскости распада и величины поляризации мюона, перпендикулярной данной плоскости.

Эксперимент использует модернизированную установку предыдущего эксперимента Е246, выполненного в КЕК (Япония) в 1996-2003 гг  Основными элементами установки являются: дифференциальный Черенковский счетчик, идентифицирующий каоны в налетающем пучке; активная сегментированная мишень, останавливающая каоны; CsI(Tl) электромагнитный калориметр, детектирующий фотоны из распада нейтральных пионов; сверхпроводящий магнитный спектрометр, состоящий из тороидального магнита и системы пропорциональных камер; поляриметр, находящийся на выходе спектрометра и регистрирующий позитроны из распада остановившихся мюонов.

Сотрудниками ИЯИ РАН предлагается использование микропиксельных лавинных фотодиодов МЛФД, в CsI(Tl) калориметре эксперимента TREK. К сожалению, испытанные МЛФД МAPD-3N, имеющие необходимые для калориметрии большой динамический диапазон, не удовлетворяют требованиям по скорости счета в эксперименте TREK из-за большого времени восстановления индивидуальных пикселей. Альтернативой таким фотодиодам с большой плотностью пикселей являются МЛФД с быстрым временем восстановления.  В этом случае, эквивалентное количество активных пикселей практически на порядок превышает их физическое количество, поскольку индивидуальные пиксели неоднократно регистрируют фотон и восстанавливаются в процессе высвечивания сцинтиллятора. Такие фотодиоды найдут широкое применение в электромагнитных калориметрах, в частности, в CsI(Tl) калориметре эксперимента TREK.

Исследование редких распадов элементарных частиц является важной задачей как для расширения наших знаний о природе и свойствах элементарных частиц и их взаимодействий, так и для поиска новых физических явлений.

В рамках исследования нарушения фундаментальных CP и T симметрий в распадах каонов проводится анализ данных эксперимента  Е949 (поиск редких распадов каонов, БНЛ, США) по поиску тяжелых стерильных нейтрино с массами 140-300 МэВ.  Для  будущего эксперимента по прецизионному измерению вероятности распада положительного каона K+ ---> ?+?? (ORKA, Фермилаб, США) проводится исследование триггерных детекторов и фотонных детекторов.

В рамках изучения нейтринных осцилляций в эксперименте T2K с длинной базой на протонном ускорителе J-PARC (Япония) продолжается работа по набору и анализу данных. Работа проводится как по изучению избытка электронных нейтринных событий, так и по дефициту мюонных нейтрино в дальнем детекторе. Проводится анализ данных ближнего детектора по изучению состава и спектра нейтрино на расстоянии 280 м от нейтринной мишени, а также по измерению сечений взаимодействия нейтрино на ядрах кислорода и углерода.

Для  будущих ускорительных нейтринных экспериментов с короткой и длинной базой разрабатывается прототип ближнего нейтринного детектора, работающего в сильном магнитном поле и  состоящего из 9000 сцинтилляционных сегментов на основе экструдированных пластиков, спектросмещающих волокон и лавинных фотодиодов.

На подземных сцинтилляционных детекторах ИЯИ РАН: АСД (Артемовск, Украина) и LVD (Гран Сассо, Италия) ведутся исследования в области нейтринной физики, физики космических лучей и астрофизики.

Основной целью экспериментов является поиск нейтринного излучения от гравитационных коллапсов звезд в Галактике и Магеллановых облаках. Регистрация всех типов нейтрино является уникальной особенностью этих установок.

По данным работы нейтринных телескопов в течение 35 лет (с 1977 г по 2012 г) получено самое сильное экспериментальное ограничение на частоту нейтринных всплесков от гравитационных коллапсов звёзд в Галактике: менее 1 события за 15.2 года на 90% уровне достоверности.

С целью повышение точности идентификации типа нейтрино, излучаемых при гравитационных коллапсах звезд, в 2012 году продолжался эксперимент с добавлением NaCl в структуру детектора в качестве дополнительной мишени для увеличения эффективности регистрации нейтронов в эксперименте LVD.

С использованием нейтринного пучка ЦЕРН - Гран Сассо, с короткими банчами шириной 3 нс и интервалом между ними 100 нс, измерена лучшая величина относительного отклонения скорости нейтрино от скорости света на установке LVD: -3.3?10-6 < (v?-c)/c < 3.5?10-6 (на 99% уровне достоверности).

Также в ходе проекта рассчитаны эффективности регистрации нейтронов по гамма-квантам от np - и nFe - захватов в установке LVD с помощью программ Geant4 и Shield.

Ключом к решению задач, предусмотренных планом работ по Байкальскому нейтринному проекту, и одной из главных целей ежегодных экспедиций на оз. Байкал является обеспечение стабильной работы Байкальского глубоководного нейтринного телескопа (БГНТ) в режиме постоянного круглогодичного набора данных и проведение испытаний новых узлов и элементов проектируемого детектора кубокилометрового масштаба НТ1000. Одним из существенных этапов этой работы стало проведение зимней экспедиции 2012 года, в течение которой удалось выполнить при работе с ледового покрова озера весьма внушительный объем работ по анализу состояния, ремонту, частичной замене и модернизации глубоководной регистрирующей и управляющей аппаратуры комплекса БГНТ.

В настоящее время во всем мире обсуждаются проекты создания больших сцинтилляционных детекторов для исследования слабых нейтринных потоков природного происхождения. Известно, что потоки нейтрино природного происхождения несут информацию как об их источниках, недоступных прямому наблюдению, так и о свойствах самого нейтрино.

Мы рассматриваем программу исследований природных потоков антинейтрино и нейтрино низких энергий (<100–150 МэВ) с помощью большого сцинтилляционного спектрометра, который предлагается создать в Баксанской нейтринной обсерватории (БНО) ИЯИ РАН на глубине 4800 м в. э. Масса мишени спектрометра должна быть не менее 10 кт. В ряде работ была обоснована возможность использования такого детектора для рассматриваемых нами целей [1–3].

Основные направления и цели предполагаемых исследований, относящихся к нейтринной геофизике и астрофизике:

1. Изучение потока антинейтрино, излучаемого дочерними продуктами распада урана и тория (геонейтрино), содержащимися внутри Земли, и определение, таким образом, радиогенной составляющей теплового потока Земли;

2. Проверка гипотезы о протекании в центре Земли цепной реакции деления путем поиска антинейтринного потока “геореактора”;

3. Изучение динамики взрыва сверхновых путём регистрации интенсивности и спектра нейтринной вспышки;

4. Поиски изотропного потока антинейтрино, накопившихся во Вселенной за миллиарды лет при гравитационных коллапсах ядер массивных звезд и образовании нейтронных звёзд и “чёрных дыр”;