Статья с результатами первого совместного анализа данных экспериментов NOvA и T2K по измерению параметров осцилляций трех типов нейтрино была опубликована в одном из самых авторитетных научных изданий — Nature. Ключевую роль в проведении этого анализа и подготовке публикации сыграли сотрудники Лаборатории ядерных проблем имени В. П. Джелепова.
На рубеже XX–XXI веков было доказано, что нейтрино имеют ненулевую массу и могут менять свой тип по мере распространения в пространстве. Это явление, впервые описанное в Объединенном институте ядерных исследований Бруно Понтекорво и его соавторами, получило название нейтринных осцилляций. Открытие породило множество теоретических и экспериментальных вопросов, которые активно изучаются и сегодня. Изучение осцилляций остается одним из наиболее мощных экспериментальных инструментов для поиска ответов на ключевые вопросы физики, в частности, для проверки гипотезы о нарушении нейтрино симметрии CP-четности. Согласно ряду теоретических моделей, такое нарушение может быть связано с необъяснимым преобладанием вещества над антивеществом во Вселенной. Кроме того, осцилляции позволяют понять порядок масс нейтрино и процесс их смешивания.
В статье представлены результаты первого в физике нейтрино совместного анализа двух экспериментов — NOvA и T2K. До настоящего момента подобные полноценные совместные аппроксимации данных нескольких экспериментов не выполнялись.
Сегодня NOvA в США и T2K в Японии являются единственными действующими ускорительными экспериментами по изучению осцилляций трех типов нейтрино. Их постановка и цели во многом сходны. Оба эксперимента используют пучки нейтрино и антинейтрино, рождающиеся при взаимодействии протонов с неподвижной мишенью. Измерение нейтринных взаимодействий происходит в двух детекторах, расположенных на расстоянии в несколько сотен километров друг от друга. Это позволяет отслеживать вызванные осцилляциями изменения в потоках нейтрино. Сравнение измеренных спектров событий-кандидатов от нейтринных взаимодействий в двух детекторах позволяет определить параметры этого процесса.
Существующие осцилляционные эксперименты различаются в зависимости от источника нейтрино. Такое разделение позволяет каждому из них фокусироваться на изучении отдельных параметров. Ускорительные эксперименты одновременно чувствительны к δCP, Δm322 , θ23 и порядку масс нейтрино. NOvA и T2K регулярно представляют индивидуальные измерения этих параметров.
Совместный анализ данных имеет ряд преимуществ, обусловленных в первую очередь небольшими, но важными различиями в постановке экспериментов. Из-за отличающегося расстояния между детекторами (базы осцилляций) NOvA и T2K обладают разной чувствительностью к целевым параметрам. Например, эксперимент NOvA более чувствителен к определению порядка масс нейтрино, тогда как T2K – к δCP. При совместном измерении уменьшается вырождение параметров, что в итоге повышает точность измерений.
Для проведения анализа было разработано специализированное программное обеспечение для совместной аппроксимации, обеспечивающее полный доступ к данным и моделированию экспериментов. Это позволило выполнить статистически корректный анализ на основе данных NOvA и T2K, соответствующих их индивидуальным анализам 2022 года. Полученные физические результаты оказались точнее, чем у каждого эксперимента в отдельности. В частности, с рекордной точностью был измерен параметр Δm322 . Теперь он является самым точно известным параметром осцилляций, что важно для проверки теоретических моделей, а также для других методов определения порядка масс нейтрино. Кроме того, были получены значимые результаты, касающиеся CP-нарушения в лептонном секторе.
Результаты измерений параметра осцилляций Δm232, выполненных в совместном анализе NOvA+T2K, в сравнении с измерениями других экспериментов. Цветом обозначен тип источника нейтрино (красный – реакторные, синий – атмосферные, зеленый – ускорительные)
Первый полноценный совместный анализ данных экспериментов NOvA и T2K создал важный прецедент в нейтринной физике. Подобные инициативы теперь ожидаются и от экспериментов следующего поколения — DUNE и Hyper-Kamiokande. Коллаборации NOvA и T2K продолжат работу по анализу данных, включая обновление результатов измерения параметров трехфлейворных осцилляций на большей статистике, а также проведение ряда других совместных аппроксимаций.