Ускорительное нейтрино
 | Эта статья нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( март 2020 г. ) |
Ускорительное нейтрино — это созданное человеком нейтрино или антинейтрино, полученное с помощью ускорителей частиц , в которых пучок протонов ) , ускоряется и сталкивается с фиксированной мишенью, производя мезоны (в основном пионы которые затем распадаются на нейтрино . В зависимости от энергии ускоренных протонов и от того, распадаются ли мезоны в полете или в состоянии покоя, можно генерировать нейтрино различного аромата , энергии и углового распределения. Ускорительные нейтрино используются для изучения нейтринных взаимодействий и нейтринных осцилляций , используя высокую интенсивность нейтринных пучков, а также возможность контролировать и понимать их тип и кинематические свойства в гораздо большей степени, чем для нейтрино из других источников .
Производство пучков мюонных нейтрино
[ редактировать ]
Процесс создания пучка мюонных нейтрино или мюонных антинейтрино состоит из следующих этапов: [1] [2]
- Ускорение первичного пучка протонов в ускорителе частиц .
- Столкновение пучка протонов с неподвижной мишенью. При таком столкновении вторичные частицы, главным образом пионы и каоны . рождаются
- Фокусировка с помощью набора магнитных рупоров вторичных частиц с выбранным зарядом : положительным для создания пучка мюонных нейтрино, отрицательным для создания пучка мюонных антинейтрино.
- Распад вторичных частиц в полете в длинном (порядка сотен метров) туннеле распада. Распад заряженных пионов [3] более чем на 99,98% на мюон и соответствующее нейтрино по принципу сохранения электрического заряда и лептонного числа :
п +
→
м +
+
н
м ,
п −
→
м −
+
н
м
Обычно предполагается иметь чистый пучок, содержащий только один тип нейтрино: либо
н
μ или
н
мкм . Таким образом, длина туннеля распада оптимизируется так, чтобы максимизировать количество распадов пионов и одновременно минимизировать количество распадов мюонов . [4] в которых образуются нейтрино нежелательных типов:
м +
→
и +
+
н
м +
н
и ,
м −
→
и −
+
н
м +
н
и
сусла или каона При распаде [5] образуются нейтрино соответствующего типа (мюонные нейтрино для положительных каонов и мюонные антинейтрино для отрицательных каонов):
К +
→
м +
+
н
м ,
К −
→
м −
+
н
μ , (63,56% распадов),
К +
→
м +
+
н
м +
п 0
,
К −
→
м −
+
н
м +
п 0
, (3,35% распадов),
однако распадается на электронные (анти)нейтрино, также составляет значительную долю:
К +
→
и +
+
н
и +
п 0
,
К −
→
и −
+
н
и +
п 0
, (5,07% распадов).
- Поглощение оставшихся адронов и заряженных лептонов в пучковом отвале (обычно блоке графита ) и в земле. При этом нейтрино беспрепятственно путешествуют дальше, приближаясь к направлению своих родительских частиц.
Кинематические свойства нейтринного пучка
[ редактировать ]Нейтрино не имеют электрического заряда , поэтому их нельзя сфокусировать или ускорить с помощью электрических и магнитных полей, а значит, невозможно создать параллельный моноэнергетический пучок нейтрино, как это делается для пучков заряженных частиц в ускорителях. В какой-то степени можно управлять направлением и энергией нейтрино, правильно подбирая энергию первичного пучка протонов и фокусируя вторичные пионы и каоны, поскольку нейтрино перенимают часть их кинетической энергии и движутся в направлении, близком к родительскому. частицы.
Внеосевой луч
[ редактировать ]Методом, позволяющим еще больше сузить энергетическое распределение образующихся нейтрино, является использование так называемого внеосевого пучка. [6] Пучок нейтрино ускорителя представляет собой широкий пучок, не имеющий четких границ, поскольку нейтрино в нем движутся не параллельно, а имеют определенное угловое распределение. Однако чем дальше от оси (центра) пучка, тем меньше число нейтрино, но меняется и распределение энергии. Энергетический спектр сужается, а его максимум смещается в сторону меньших энергий. Внеосевой угол и, следовательно, энергетический спектр нейтрино можно оптимизировать, чтобы максимизировать вероятность осцилляций нейтрино или выбрать энергетический диапазон, в котором желаемый тип взаимодействия нейтрино является доминирующим.
Первым экспериментом, в котором использовался внеосевой пучок нейтрино, был эксперимент Т2К. [7]
Контролируемые и маркированные нейтринные пучки
[ редактировать ]Высокого уровня контроля нейтрино в источнике можно достичь, контролируя образование заряженных лептонов ( позитронов , мюонов ) в туннеле распада нейтринного пучка. Установки, использующие этот метод, называются контролируемыми пучками нейтрино. Если скорость лептона достаточно мала, современные детекторы частиц могут пометить по времени заряженный лептон, образовавшийся в туннеле распада, и связать этот лептон с нейтрино, наблюдаемым в детекторе нейтрино. Эта идея, зародившаяся еще в 1960-х гг. [8] был разработан в рамках концепции пучка меченых нейтрино, но пока не продемонстрирован. Контролируемые пучки нейтрино производят нейтрино в узком диапазоне энергий и, следовательно, могут использовать внеосевой метод для прогнозирования энергии нейтрино путем измерения вершины взаимодействия, то есть расстояния взаимодействия нейтрино от номинальной оси пучка. Энергетическое разрешение в диапазоне 10–20% было продемонстрировано в 2021 году коллаборацией ENUBET . [9]
Пучки нейтрино в физических экспериментах
[ редактировать ]Ниже приведен список пучков мюонов (анти)нейтрино, используемых в прошлых или текущих физических экспериментах:
- ЦЕРН Нейтрино в пучок Гран-Сассо (CNGS) [10] производится на суперпротонном синхротроне в ЦЕРНе и используется в экспериментах OPERA и ICARUS .
- Booster Neutrino Beam (BNB), производимый синхротроном Booster в Фермилабе, используемый в экспериментах SciBooNE , MiniBooNE и MicroBooNE .
- Нейтрино в луче главного инжектора (NuMI), создаваемого синхротроном главного инжектора в Фермилабе, используемом в MINOS , MINERνA и NOνA . экспериментах
- Пучок нейтрино K2K, создаваемый протонным синхротроном с энергией 12 ГэВ в KEK в Цукубе, используемый в K2K . эксперименте
- Пучок нейтрино Т2К [7] произведенный синхротроном Main Ring в J-PARC в Токае, используемый в эксперименте T2K .
Примечания
[ редактировать ]- ^ Сотрудничество Т2К (2011). «Эксперимент Т2К» Нукл. Инструмент. Методы А. 659 (1): 106–135. arXiv : 1106.1238 . Бибкод : 2011NIMPA.659..106A . дои : 10.1016/j.nima.2011.06.067 . S2CID 55962579 .
{{cite journal}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ) - ^ КОПП, С (февраль 2007 г.). «Ускорительные нейтринные пучки». Отчеты по физике . 439 (3): 101–159. arXiv : физика/0609129 . Бибкод : 2007ФР...439..101К . дои : 10.1016/j.physrep.2006.11.004 . S2CID 13894304 .
- ^ М. Танабаши; и др. ( Группа данных частиц ). «Обзор физики элементарных частиц: мезоны за 2019 год» (PDF) . Физ. Преподобный . D98 : 1. doi : 10.1103/PhysRevD.98.030001 .
(2018 г.) и обновление 2019 г.
- ^ М. Танабаши; и др. ( Группа данных частиц ). «Обзор физики элементарных частиц: лептоны за 2019 год» (PDF) . Физ. Преподобный . D98 : 2. doi : 10.1103/PhysRevD.98.030001 .
(2018 г.) и обновление 2019 г.
- ^ М. Танабаши; и др. ( Группа данных частиц ). «Обзор физики элементарных частиц: мезоны за 2019 год» (PDF) . Физ. Преподобный . D98 : 24. doi : 10.1103/PhysRevD.98.030001 .
(2018 г.) и обновление 2019 г.
- ^ Кирк Т. Макдональд (2001). «Внеосевой нейтринный пучок». arXiv : hep-ex/0111033 . Бибкод : 2001hep.ex...11033M .
{{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется|journal=( помощь ) - ^ Jump up to: а б Сотрудничество Т2К (2013). «Прогнозирование потока нейтрино T2K». Физ. Преподобный . D87 (1): 012001.arXiv : 1211.0469 . Бибкод : 2013PhRvD..87a2001A . doi : 10.1103/PhysRevD.87.012001 . S2CID 55114627 .
{{cite journal}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ) - ^ Хэнд, Л.Н. (31 октября 1970 г.). «Исследование взаимодействий нейтрино от 40 до 90 ГэВ с использованием пучка меченых нейтрино» . Корнеллский университет, Итака, штат Нью-Йорк, OSTI 4117486 . Проверено 28 ноября 2021 г.
{{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется|journal=( помощь ) - ^ Лонгин, А.; Терранова, Ф. (15 марта 2022 г.). «Улучшенные лучи NeUtrino от kaon Tagged (ENUBET)». arXiv : 2203.08319 [ hep-ex ].
- ^ Джакомелли, Дж. (1 июня 2008 г.). «Пучок нейтрино CNGS». Физический журнал: серия конференций . 116 (1): 012004. arXiv : физика/0703247 . Бибкод : 2008JPhCS.116a2004G . дои : 10.1088/1742-6596/116/1/012004 . S2CID 2624092 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Доре, Убальдо; Ловерр, Пьер; Людовичи, Люциус (2 октября 2019 г.). «История ускорительных нейтринных пучков». Европейский физический журнал H . 44 (4–5): 271–305. arXiv : 1805.01373 . Бибкод : 2019EPJH... 44..271D дои : 10.1140/epjh/e2019-90032-x . S2CID 73628709 .