16 февраля 2024 года, коллаборации нейтринных ускорительных экспериментов NOvA и T2K провели семинары, на которых представили результаты многолетней работы по первому совместному анализу данных. Сотрудники Научно-экспериментального отдела физики элементарных частиц Лаборатории ядерных проблем (НЭОФЭЧ ЛЯП) ОИЯИ внесли в эту работу существенный вклад.
Два идентичных семинара прошли в один и тот же день и в одно и то же время в двух разных часовых поясах (по японскому стандартному и североамериканскому центральному времени) для максимального охвата мирового сообщества этой области физики нейтрино.
Задачами экспериментов NOvA и T2K являются измерения параметров осцилляций нейтрино и, в первую очередь, все еще остающихся неизвестными на сегодняшний день фазы нарушения CP-четности и порядка масс нейтрино. Эта информация крайне востребована: в частности, порядок масс играет существенную роль в моделировании потоков нейтрино при взрыве сверхновых, он важен также для оценки перспектив целого класса экспериментов в физике нейтрино по поиску безнейтринного двойного бета-распада и является входным параметром для экспериментов по прямому измерению масс нейтрино и поиску реликтовых нейтрино. Фазу же нарушения CP-инвариантности в лептонном секторе в ряде моделей связывают с важнейшим явлением – возникновением асимметрии вещества и антивещества во Вселенной.
Оба эксперимента (NOvA и T2K) работают с пучком (анти)нейтрино, полученным в результате взаимодействия ускоренного пучка протонов с неподвижной мишенью, и двумя детекторами. Эксперимент NOvA базируется в Национальной ускорительной лаборатории им. Э. Ферми (США). Первый детектор эксперимента располагается на небольшом расстоянии от мишени (1 км) для измерения начального состава потока частиц. Далее пучок проходит расстояние 809 км, и его флейворный состав регистрируется в дальнем детекторе. Эксперимент T2K располагается на территории Протонного ускорительного комплекса J-PARC (Япония). Изучаемый поток частиц регистрируется в двух детекторных комплексах, разнесенных на расстояние 295 км.
Статистика нейтринных событий, которые использовались в совместном анализе данных двух экспериментов, как и состояние индивидуальных анализов (отбор событий, методы аппроксимации данных и прочее), датируются 2020 годом. Эти индивидуальные результаты экспериментов имеют некоторое расхождение с небольшой (< 2σ) статистической значимостью. А именно, в то время как для нормального порядка нейтринных масс эксперимент NOvA не видит асимметрии между появлением электронных нейтрино и антинейтрино, эксперимент T2K эту асимметрию видит. Как результат, предпочитаемые экспериментами значения δCP различны. Эти результаты стимулировали появление ряда объяснений с участием физики за пределами Стандартной модели, таких как, например, существование нестандартных взаимодействий. Примечательным, однако, является согласие экспериментов в предположении обратного порядка нейтринных масс.
Эксперименты и дальше продолжают набирать данные, хотя публичных представлений результатов со статистикой после 2020 года пока не было.
Сравнение доверительных контуров, полученных экспериментами NOvA и T2K в индивидуальных анализах, в предположении нормального порядка нейтринных масс. Представленное в предпочитаемом значении δCP расхождение < 2σ.
Постановка экспериментов NOvA и T2K и их цели очень схожи. Однако, они не только конкурируют, но и дополняют друг друга: из-за более длинной базы осцилляций эксперимент NOvA более чувствителен к порядку нейтринных масс, а эксперимент T2K при известном порядке масс нейтрино может сделать хорошее измерение δCP для некоторых значений этого параметра.
До сегодняшнего дня ни один нейтринный эксперимент не сделал полноценный совместный анализ данных с другим экспериментом такой же постановки. Переговоры между коллаборациями NOvA и T2K о совместном анализе начались в скором времени после получения первых результатов. В 2017 году состоялась первая встреча специалистов этих коллабораций. Весь процесс занял почти 7 лет. Такая продолжительность была обусловлена не только сложной подготовкой программного обеспечения и методов анализа, но и скрупулезным обсуждением всех деталей в самих коллаборациях, вызванным беспрецедентностью этой инициативы. Основная техническая сложность заключалась в разных подходах экспериментов к моделированию и анализу данных, что усугублялось большим количеством коррелирующих систематических неопределенностей, до сих пор являющихся одним из самых сложных элементов этого объединения. В случае же принципиально разных постановок, как правило, неопределенности экспериментов независимые и такое объединение не представляет сложности.
Первые совместные результаты от имени обоих экспериментов были оглашены на прошедших в пятницу семинарах представителями рабочей группы, занимавшейся совместным анализом. Эти результаты являются более точными по сравнению с индивидуальными результатами каждого из экспериментов в отдельности. Например, полученное объединенное значение Δm322 является на сегодняшний день самым точным в мире. Для неизвестных же до сих пор параметров порядка нейтринных масс и CP-нарушения в лептонном секторе в совместном анализе получилось небольшое предпочтение обратного порядка нейтринных масс. В этом случае на уровне >3σ исключается ряд значений δCP, в том числе отвечающих за отсутствие CP-нарушения.
Предложенная инициатива уникальна для нейтринных экспериментов с одинаковыми целями и схожей постановкой, работающих одновременно, как из-за соревновательного характера их работы, так и из-за технических сложностей при необходимости объединения двух разных анализов со своими особенностями, моделированием и систематическими неопределенностями. Впервые подобное объединение результатов было реализовано в физике высоких энергий экспериментами в CERN на коллайдерах LEP и позже LHC, что потребовало, кроме всего прочего, большой открытости и соблюдения баланса интересов.
За долгое время совместной работы специалисты по анализу NOvA и T2K обменялись интересными практиками и методиками, что также привело к большему пониманию деталей анализа. В частности, была отработана методика и создан инструментарий, который будет улучшаться во время последующих совместных анализов. Кроме физики трехфлейворных нейтринных осцилляций, созданные средства могут использоваться также для совместных анализов NOvA и T2K для поиска стерильных нейтрино, нестандартных взаимодействий и, возможно, для измерения сечений взаимодействия нейтрино в ближних детекторах экспериментов.
Представленный результат многолетней работы коллабораций NOvA и T2K является прекрасным примером продуктивного сотрудничества, важной вехой и прочным фундаментом для дальнейших совместных анализов. Такая модель взаимодействия коллабораций с дополняющими друг друга подходами будет актуальна и для будущих экспериментов, таких, например, как DUNE и Hyper-Kamiokande.
В эксперименте NOvA ОИЯИ участвует с 2014 года. За это время сотрудники НЭОФЭЧ ЛЯП внесли в него существенный и разносторонний вклад. Методические исследования нашли применение в уточнении ряда систематических неопределенностей и совершенствовании моделирования детектора. Участники группы ведут разработку нескольких физических анализов, связанных с изучением потоков атмосферных мюонов, поиском магнитных монополей и нейтрино от взрывов сверхновых, регистрацией атмосферных нейтрино. В течение многих лет физики из ОИЯИ играют важную роль в основном физическом анализе эксперимента NOvA – изучении осцилляций трехфлевйорных нейтрино. Полученные компетенции нашли свое применение и в активном участии при проведении первого совместного анализа экспериментов NOvA и T2K с целью измерения параметров осцилляций нейтрино.
В эксперименте T2K ОИЯИ участвует с 2020 года. Физики из Научно-экспериментального отдела множественных адронных процессов ЛЯП (НЭОМАП ЛЯП) и Отдела научно-исследовательских работ и инноваций ЛЯП (ОНИРИ ЛЯП) проводят методические исследования, занимаются моделированием потоков нейтрино с помощью измерений, сделанных в эксперименте SHINE (CERN), и уже внесли вклад в сборку новой мишени ближнего детектора эксперимента.