12 декабря 2020 г. в китайской провинции Гуандун прошла церемония закрытия установки международного нейтринного эксперимента Daya Bay. Ученые переходят к окончательному анализу данных.
Международная коллаборация, занимающаяся изучением реакторных антинейтрино в эксперименте Daya Bay, закончила набор данных. Хотя формально эксперимент закрывается, коллаборация будет продолжать анализ собранных данных для повышения точности результатов. Проводившийся в одной из подземных лабораторий Китая эксперимент позволил за первые 55 дней работы собрать достаточно данных, чтобы в начале марта 2012 г. объявить о важном открытии: впервые был достоверно измерен фундаментальный параметр стандартной модели — угол смешивания нейтрино Θ13.
Экспериментальная установка, расположенная в 54 километрах к северо-востоку от Гонконга, в провинции Гуандун, в Китае, была создана международными усилиями. Это было первое равноправное сотрудничество США и Китая в рамках крупного физического проекта.
«Мы рады успеху эксперимента Daya Bay, который привел к важным научным открытиям, — сказал Ифан Ван (Yi-Fang Wang), бывший руководитель коллаборации Daya Bay, а сейчас директор Института физики высоких энергий Китайской академии наук (IHEP). — Это настоящее международное партнерство и его уроки для нас бесценны. Мы надеемся на продолжение сотрудничества и в будущих проектах».
IHEP курировал строительство экспериментальной площадки и производство половины детекторов Daya Bay, а за производство второй половины детекторов отвечали американские партнеры. Значительный вклад внесли также ученые России, Тайваня, Гонконга, Чехии и Чили.
Восемь детекторов Daya Bay регистрируют вспышки света в рабочем веществе — жидком сцинтилляторе. Световые сигналы возникают в результате взаимодействий антинейтрино с ядрами водорода — протонами. Регистрируемые антинейтрино рождаются в реакторах расположенных поблизости АЭС Даявань и Линьао.
В процессах ядерного деления, происходящего в реакторах АЭС в строго контролируемом режиме, рождается огромное количество антинейтрино. Это делает реакторы превосходным источником этих неуловимых частиц для проведения экспериментов и высокоточных измерений процессов с их участием.
Нейтрино и его античастица — антинейтрино — беспрепятственно проходят через практически любое вещество, что затрудняет их экспериментальное обнаружение. За последние 70 лет ученые значительно продвинулись в создании детекторов, способных зарегистрировать неуловимые сигналы этих «призрачных» частиц.
«Детекторы Daya Bay работают превосходно, сверх всяких ожиданий, — отметил д.ф.-м.н., заместитель директора ЛЯП ОИЯИ, руководитель Нейтринной программы ОИЯИ Д. В. Наумов. — Этот успех стал ключевой составляющей нашего открытия».
Экспериментальная установка Daya Bay, расположенная в трех подземных залах на расстоянии до полутора километров от шести реакторов, была предназначена для измерения свойства нейтрино, связанного с их превращением, или осцилляциями, в нейтрино других типов: электронные, мюонные и таонные. Эксперимент Daya Bay стал первым, где был достоверно измерен «угол смешивания», обозначаемый как Θ13. Этот угол определяет вероятность превращения одного типа нейтрино в другое. По сравнению с первым измерением в 2012 г. точность измерения угла Θ13 в эксперименте Daya Bay выросла в шесть раз и является рекордной.
Для определения Θ13 ученые измерили число нейтрино определенного сорта, в данном случае электронных антинейтрино, рожденных в близлежащих реакторах. Затем они оценили ожидаемое число взаимодействий электронных антинейтрино, измеряемых с помощью детекторов Daya Bay на разных расстояниях от реакторов. Наконец, исследователи сравнили ожидаемое с измеренным. Был обнаружен дефицит числа взаимодействий, периодическим образом зависящий от расстояния, что впервые позволило определить угол смешивания Θ13.
Измерение этого угла, а также двух других углов смешивания в предыдущих экспериментах, помогает нам понять роль нейтрино в эволюции Вселенной, в которой материи больше, чем антиматерии. Именно поиск различия в осцилляциях нейтрино и антинейтрино может привести к пониманию причин избытка материи во Вселенной.
Участники эксперимента Daya Bay в настоящее время анализируют всю совокупность данных, полученных за девять лет проведения эксперимента. Этот анализ позволит уточнить результаты измерений свойств нейтрино, включая повышение точности определения угла Θ13 — результат, который вряд ли удастся превзойти в ближайшие десятилетия.
Один из ближних залов эксперимента Daya Bay: два антинейтринных детектора в бассейне, заполненном водой
«Научная продуктивность эксперимента Daya Bay вышла далеко за пределы наших ожиданий, — сказал со-руководитель коллаборации Цзюнь Цао (Jun Cao) из IHEP. — Помимо прецизионного определения величины Θ13, благодаря высокому качеству экспериментальных данных Daya Bay, обнаружилась удивительная особенность и в спектре реакторных антинейтрино».
Неожиданный избыток антинейтрино — на 10% больше теоретических ожиданий при энергии антинейтрино около пяти миллионов электрон-вольт (5 МэВ) — проявился с высоким уровнем достоверности. Источник этого расхождения остается неясным и требует дальнейшего изучения.
Исследования, проведенные коллаборацией Daya Bay, указали также на вероятную причину другой особенности, так называемой «аномалии реакторных антинейтрино» — дефицита на уровне примерно 5% потока антинейтрино от реактора по сравнению с теоретическим ожиданием. Одним из возможных объяснений считалось то, что некоторые антинейтрино превращаются в гипотетический четвертый тип нейтрино, так называемое стерильное антинейтрино. Исследователи Daya Bay выяснили, что аномалия, скорее всего, возникает из-за неполноты теоретического описания рождения антинейтрино от одного из ядерных изотопов в реакторе. К такому выводу удалось прийти благодаря анализу огромного числа взаимодействий антинейтрино, накопленного коллаборацией, а также высокой точности определения энергии антинейтрино.
Кроме того, группы ученых из двух крупных экспериментов по изучению осцилляций нейтрино — Daya Bay и MINOS+ — объединенными усилиями провели еще один анализ, который с высоким уровнем достоверности исключилвозможность наличия стерильных нейтрино в своих данных.
«Угол смешивания Θ13, который по мнению многих ученых, мог быть равен нулю, оказался, по счастью, намного больше, чем предполагалось при планировании эксперимента, — сказал Кам-Бью Лук (Kam-Biu Luk), со-руководитель коллаборации. — Это является добрым знаком для проводимых и будущих экспериментов, нацеленных, например на измерение иерархии масс нейтрино».
Это также может быть полезно для экспериментов, где исследуется связь нейтрино с асимметрией материи и антиматерии во Вселенной. Физики полагают, что роль нейтрино в асимметрии состоит в нарушении фундаментального физического закона, постулирующего сохранение зарядово-пространственной четности. Это нарушение предполагает различное поведение частицы в нашем мире и ее античастицы в “зазеркалье”.
Измерение Θ13 в эксперименте Daya Bay является на сегодняшний день самым точным из трех измерений угла смешивания, связанного с осцилляциями нейтрино. Признанием успеха коллаборации Daya Bay в прецизионном измерении угла Θ13стало вручение ей престижной награды за прорыв в фундаментальной физике 2016 года. Сотрудники Лаборатории ядерных проблем им. В. П. Джелепова ОИЯИ, участвующие в эксперименте Daya Bay, также были удостоены этой высокой награды.
«Практически все знания, которые человечество накопило за последние 60-70 лет в области физики частиц, за исключением знаний о темной энергии и темной материи, прекрасно описываются так называемой Стандартной моделью, — поясняет заместитель директора Лаборатории ядерных проблем им. В. П. Джелепова ОИЯИ, руководитель Нейтринной программы ОИЯИ, д.ф.-м.н. Дмитрий Вадимович Наумов. — В модели есть ряд фундаментальных параметров, которые все вместе управляют нашим миром, но которые сама теория предсказать не может — их необходимо определять экспериментально. Угол Θ13 один из таких. Важность его экспериментального определения трудно переоценить».
Дубна участвовала в эксперименте Daya Bay с самого начала и внесла важный вклад в производство и поставку специальной спектросмещающей добавки для жидкого сцинтиллятора, что позволило регистрировать вспышки света от взаимодействий антинейтрино. Дубненские физики активно участвуют и в анализе экспериментальных данных. Например, результат 2016 года был основан на анализе дубненской группы.
Сегодня, когда эксперимент подходит к концу, в коллаборации ясно осознают уникальное качество накопленных данных, которые должны сохраниться для будущих поколений. Именно дубненской группе поручены разработка и поддержка анализа данных, пригодного для использования всеми желающими. Руководить этой работой со стороны ОИЯИ будет к.ф.-м.н., начальник Сектора реакторных антинейтрино Максим Олегович Гончар.
«Теперь, когда мы знаем, что угол Θ13 отличен от нуля, мы разработали новые подходы к изучению иерархии масс нейтрино, в частности, в эксперименте JUNO, в подготовке которого наш институт принимает активное участие. Обнаруженная нами величина угла Θ13 также поможет в поисках нарушения зарядово-пространственной четности в текущих и будущих экспериментах»,
— поясняет М. О. Гончар. Он также отметил, что существующие эксперименты по нейтринным осцилляциям, такие как T2K в Японии и NOvA в США, а также эксперименты следующего поколения, такие как проект DUNE в США и Hyper-Kamiokande в Японии, в значительной степени выиграли от высокоточного измерения угла Θ13 в Daya Bay.