22 июля 2013

Открытие нового типа нейтринных осцилляций в эксперименте Т2К

ОИЯИ
Схема эксперимента Т2К

19 июля на Конференции по физике высоких энергий Европейского Физического Общества (EPS HEP 2013) в Стокгольме международная коллаборация Т2К объявила об открытии нового типа нейтринных осцилляций (процесса перехода одного поколения нейтрино в другое, который был предсказан академиком Б.М. Понтекорво, 100-летний юбилей которого мы отмечаем в этом году).

В данном случае речь идет о процессе,  в котором мюонные нейтрино превращаются  в электронные нейтрино. Следует отметить, что в  2011 году в эксперименте T2K уже было получено первое указание на существование этого процесса. Сейчас, после увеличения объема физических данных  более чем в 3.5 раза, этот новый тип нейтринных осцилляций окончательно и надежно зарегистрирован. 

Вероятность  того, что случайная статистическая флуктуация может привести к наблюдаемому избытку электронных нейтрино в пучке мюонных нейтрино,  меньше чем 10-12, т.е. менее, чем  в одном случае из тысячи миллиардов. Другими словами, такая возможность исключена на уровне значимости  7.5 стандартных отклонений.

Результат Т2К является первым наблюдением эффекта появления  нового типа (поколения) нейтрино отличающегося от типа нейтрино в начальном  пучке.

В эксперименте Т2К мюонные нейтрино рождаются на протонном ускорителе J-PARC, расположенном на восточном побережье Японии,  префектура Ибараки, д.Токай,  и направляются в гигантский Черенковский детектор SuperKamiokande массой 50 кт, который находится вблизи западного побережья Японии на расстоянии 295 км от J-PARC

Параметры пучка мюонных нейтрино вблизи мишени, т.е.  до возможных осцилляций,  измеряются и контролируются комплексом нейтринных детекторов, расположенных на территории J-PARC.  Существенная часть этого детектора была разработана и создана сотрудниками ИЯИ РАН. Физики из Лаборатории ядерных проблем (ЛЯП) ОИЯИ участвовали в этой работе в рамках соглашения о сотрудничестве ОИЯИ-IN2P3 (Франция).

В результате  анализа данных, накопленных за несколько лет измерений с пучком мюонных нейтрино,  в детекторе SuperKamiokande было обнаружено 28 событий, идентифицированных как  взаимодействия электронных нейтрино.  Ожидаемое число фоновых событий, если бы осцилляции мюонных нейтрино в электронные отсутствовали, составило бы за это же время измерений всего 4.6 событий. Одно из событий – кандидатов на взаимодействие электронных нейтрино, зарегистрированных в  детекторе SuperKamiokande,  показано на рисунке 2.

Открытие этого нового типа нейтринных осцилляций предоставляет  уникальные возможности для поиска нарушения комбинированной СР четности в нейтринных осцилляциях. Здесь  С – зарядовое сопряжение, означающее переход от частицы к ее античастице, а Р- четность обозначает  переход физической системы в зеркальную систему координат.  Нарушение СР четности означает, что физические законы изменяются, когда СР трансформация произведена. Это явление до настоящего времени было обнаружено только в кварковом секторе (Нобелевские премии были присуждены в 1980 и 2008 гг.). СР нарушение  в нейтринном секторе  в ранней Вселенной возможно является причиной того, что современная Вселенная состоит из вещества при практически  полном отсутствии антивещества. Эта асимметрия между веществом и антивеществом является одной из тайн природы. Открытие в эксперименте Т2К осцилляций мюонных нейтрино в электронные  делает реальным чувствительный поиск СР нарушения в нейтринных осцилляциях, и, возможно, является первым шагом в разгадке этой тайны.  Эксперимент Т2К будет лидером этого направления в ближайшие годы. В соответствии с утвержденными планами эксперимента, статистика нейтринных событий будет увеличена примерно в 10 раз, включая проведение измерений с пучком мюонных антинейтрино для поиска СР нарушения.

Экспериментальная установка Т2К была разработана, создана и эксплуатируется международной коллаборацией, в которую входят более 400 ученых, представляющих 59 научных организаций из 11 стран (Канада, Франция, Германия, Италия, Япония, Польша, Россия, Швейцария, Испания, Великобритания, США). Эксперимент финансируется Министерством образования, культуры и спорта Японии, NSERC, NRC и CFI, Канада; CEA и CNRS/IN2P3, Франция; DFG, Германия; INFN, Италия; Министерством науки и высшего образования, Польша; Российской Академией Наук, РФФИ и Министерством образования и науки, Россия; MICINN и CPAN, Испания; SNSF и SER, Швейцария; STFC, Великобритания; DOE, США.

Российским  участником эксперимента T2K является Институт ядерных исследований РАН.

Физики из ЛЯП ОИЯИ внесли определяющий вклад в прецизионные измерения выходов адронов в протон-углеродных взаимодействиях при энергии 30 ГэВ в эксперименте NA61/SHINE на ускорителе SPS (CERN). Эти данные используются для точного вычисления спектров и потоков нейтрино в эксперименте T2K.

Следует особо подчеркнуть, что это открытие было бы невозможно без самоотверженного труда  всех сотрудников ускорительного комплекса J-PARC и членов коллаборации Т2К, которые смогли быстро восстановить поврежденный ускоритель и нейтринный канал, обеспечить их стабильную работу и высокое качество нейтринного пучка  после разрушительно землетрясения и цунами 11 марта 2011 г. в восточной Японии.