На днях были объявлены результаты Конкурса научных работ Лаборатории ядерных проблем за 2020 год. Группа научных коммуникаций ЛЯП ОИЯИ поговорила с авторами-победителями об их работах.
Одно из двух вторых мест присуждено авторскому коллективу в составе: Бунятов С. А., Красноперов А. В., Любушкин В. В. (СЭЧ), Попов Б. А., Терещенко В. В. (НЭОМАП) ― за цикл работ «Исследование рождения адронов в протон-ядерных взаимодействиях в эксперименте NA61/SHINE (CERN) для точного предсказания спектров и потоков нейтрино в ускорительном эксперименте T2K (Япония)».
Нейтринная физика давно является одним из приоритетных направлений работы ЛЯП ОИЯИ. Одна из областей исследования ― физика нейтрино на ускорителях, которой уже с 1980-х годов занимался Научно-экспериментальный отдел физики элементарных частиц (НЭОФЭЧ) под руководством Степана Агароновича Бунятова. Работы велись на установке “Нейтринный детектор ИФВЭ-ОИЯИ” на ускорителе У-70. Затем группа из ЛЯП ОИЯИ присоединилась к эксперименту NOMAD в CERN, основной задачей которого был поиск нейтринных осцилляций.
В 2010 году заработал нейтринный эксперимент нового поколения Т2К (Tokai-to-Kamioka), который изучает ускорительные нейтрино, создаваемые с помощью протонного синхротрона в центре J-PARC (Токай, Япония). Пучок нейтрино от ускорителя направлен сначала в ближний детектор ND280, который расположен в 280 м от мишени, а затем в дальний ― Super-Kamiokande ― в 300 км от ускорителя. Ученые изучают осцилляции мюонных нейтрино (и антинейтрино), то есть их способность превращаться в другой тип нейтрино (и антинейтрино), сравнивая ожидаемое и зарегистрированное число событий и их энергетический спектр на разных расстояниях от источника.
Нейтринный пучок от ускорителя образуется, как правило, следующим образом: пучок протонов направляется на протяженную мишень (цилиндр длиной 90 см и диаметром 2,6 см) из бериллия или углерода (в эксперименте Т2К это углеродная мишень). Протоны взаимодействуют с мишенью, в результате чего рождаются вторичные заряженные частицы, которые с помощью магнитов направляются в так называемый распадный канал, где они и распадаются с образованием нейтрино или антинейтрино (в зависимости от полярности магнитов, которые могут фокусировать как положительно заряженные, так и отрицательно заряженные вторичные частицы). Нейтринный пучок и его состав измеряется сначала в ближнем, а потом и в дальнем детекторе, и таким образом определяются параметры произошедших осцилляций.
Для наиболее точного измерения этих параметров ученым необходимо знать поток нейтрино с максимальной возможной точностью. Именно с этой целью и проводился вспомогательный эксперимент на ускорителе SPS в CERN. Физики воссоздали условия образования нейтринного пучка Т2К: протонный пучок сбрасывался на мишень, и с помощью магнитного спектрометра NA61/SHINE определялись выходы вторичных частиц.
Такое “параллельное” исследование было необходимо потому, что в условиях реального нейтринного эксперимента интенсивность протонного пучка, вторичных частиц и облучения мишени чрезвычайно высоки, и провести такое же длительное, как сам эксперимент, детектирование пучка частиц невозможно. Поэтому в CERN были воспроизведены условия эксперимента Т2К, но с меньшей интенсивностью пучка от ускорителя и вторичного потока частиц.
Для измерений сначала использовали тонкую мишень, а затем ― точную копию углеродной мишени эксперимента Т2К. Работа с тонкой мишенью была необходима для отработки технологии эксперимента, а также для более точных расчетов.
Почему было важно провести этот эксперимент? Обычно для расчета параметров пучков используют приемы моделирования. Во вспомогательном же эксперименте на спектрометре NA61/SHINE были получены реальные данные. Их точность весьма высока, что уменьшает степень неопределенности и позволяет существенно уменьшить время набора статистики в основном эксперименте T2K.
Несмотря на то что представленные в цикле* работы опубликованы от имени большой международной коллаборации, именно физики Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ внесли наибольший вклад в эту часть научной программы эксперимента NA61/SHINE, что подтверждается назначением представителя группы ЛЯП ОИЯИ ответственным за подготовку к публикации статей 1 и 3 цикла и главным редактором всех статей цикла.
Основная статья посвящена памяти Степана Агароновича Бунятова, вдохновителя и одного из организаторов этих исследований.
Магнитный спектрометр NA61/SHINE используется и для других экспериментов в области физики тяжелых ионов и для исследования космических лучей.
Борис Альбертович добавил, что глобальная цель эксперимента Т2К ― исследовать с помощью нейтринных осцилляций асимметрию между веществом и антивеществом во Вселенной. Именно изучение и сравнение вероятности осцилляций для нейтрино и антинейтрино может дать ответ на вопрос, нарушается ли СР-симметрия в лептонном секторе.