Новый

NOva Нейтринный эксперимент
	Фотография дальнего детектора NOvA
Организация	сотрудничество НОВА
Расположение	Эш-Ривер, Миннесота, США
Координаты	48 ° 22'45 "с.ш. 92 ° 50'1" з.д. / 48,37917 ° с.ш. 92,83361 ° з.д.
Веб-сайт	новаэксперимент .fnal .gov
	Место проведения нейтринного эксперимента NOvA
	Соответствующие СМИ на сайте Commons
	[ править в Викиданных ]

Сравнение детекторов дальнего и ближнего света NOvA с размером Airbus A380.

Эксперимент NOνA ( NuMI Off-Axis ν _Appearance ) — это эксперимент по физике элементарных частиц , предназначенный для обнаружения нейтрино в Фермилаборатории луче NuMI (нейтрино в главном инжекторе) e . NOνA , призванный стать преемником MINOS , состоит из двух детекторов: один в Фермилабе ( ближний детектор ) и один в северной Миннесоте ( дальний детектор ). Нейтрино от NuMI проходят через 810 км Земли, чтобы достичь дальнего детектора. Основная цель NOνA — наблюдать колебания мюонных нейтрино в электронные нейтрино. Основными физическими целями NOvA являются: ^[1]

Точное измерение угла смешивания θ ₂₃ для нейтрино и антинейтрино , особенно если он больше, меньше или равен 45°.
Точное измерение соответствующего массового расщепления Δm для нейтрино и антинейтрино. ²₃₂
Сильные ограничения на нарушающую CP фазу δ,
Сильные ограничения на иерархию масс нейтрино.

Цели по физике

Основные цели

Осцилляции нейтрино параметризуются матрицей PMNS и разностью квадратов масс между собственными состояниями масс нейтрино . Предполагая, что в смешивании нейтрино участвуют три сорта нейтрино, существует шесть переменных, которые влияют на осцилляции нейтрино: три угла θ ₁₂ , θ ₂₃ и θ ₁₃ , фаза δ , нарушающая CP , и любые две из трех разностей квадратов масс. В настоящее время нет убедительных теоретических оснований ожидать какого-либо конкретного значения или взаимосвязи между этими параметрами.

Несколько экспериментов показали, что θ ₂₃ и θ ₁₂ отличны от нуля, но наиболее чувствительный поиск ненулевого θ ₁₃ , проведенный коллаборацией Chooz, дал только верхний предел. В 2012 году значение θ ₁₃ было измерено в заливе Дайя и оказалось отличным от нуля до статистической значимости 5,2 σ . ^{[ сломанный якорь ]}. ^[2] В следующем году T2K обнаружила переход $\nu _{\mu }\rightarrow \nu _{e}$ исключая гипотезу о неявке со значимостью 7,3 σ . ^[3] Никаких измерений δ не проводилось. Абсолютные значения двух разностей квадратов масс известны, но поскольку одна из них очень мала по сравнению с другой, порядок масс не был определен.

NOνA на порядок более чувствителен к θ ₁₃ , чем эксперименты предыдущего поколения, такие как MINOS . Он будет измерять его путем поиска перехода $\nu _{\mu }\rightarrow \nu _{e}$ Фермилаба в луче NuMI . Если ненулевое значение θ ₁₃ разрешимо с помощью NOνA, можно будет получить измерения δ и массового упорядочения, также наблюдая ${\bar {\nu }}_{\mu }\rightarrow {\bar {\nu }}_{e}.$ Параметр δ можно измерить, поскольку он по-разному изменяет вероятности колебаний нейтрино и антинейтрино. Упорядочение масс аналогичным образом можно определить, поскольку нейтрино проходят через Землю, что за счет эффекта МСВ по-разному изменяет вероятности колебаний для нейтрино и антинейтрино. ^[4]

Важность

Массы нейтрино и углы смешивания, насколько нам известно, являются фундаментальными константами Вселенной. Их измерение является основным требованием для нашего понимания физики. Знание значения , нарушающего CP параметра δ , поможет нам понять, почему во Вселенной существует асимметрия материи-антиматерии . Кроме того, согласно теории механизма качелей , очень малые массы нейтрино могут быть связаны с очень большими массами частиц, для непосредственного изучения которых у нас пока нет технологий. Измерения нейтрино в таком случае являются косвенным способом изучения физики при чрезвычайно высоких энергиях. ^[4]

В нашей современной теории физики нет причин, по которым углы смешивания нейтрино должны иметь какие-либо конкретные значения. И все же из трех углов смешивания нейтрино только θ ₁₂ не был признан ни максимальным, ни минимальным. Если измерения NOνA и другие будущие эксперименты продолжат показывать θ ₂₃ как максимальное, а θ ₁₃ как минимальное, это может указывать на некую пока неизвестную симметрию природы. ^[4]

Связь с другими экспериментами

NOνA потенциально может разрешить иерархию масс, поскольку работает при относительно высокой энергии. Из проводимых в настоящее время экспериментов он имеет самые широкие возможности для однозначного проведения этого измерения с наименьшей зависимостью от значения δ . Многие будущие эксперименты, направленные на точные измерения свойств нейтрино, будут полагаться на измерения NOνA, чтобы знать, как настроить их аппарат для достижения максимальной точности и как интерпретировать их результаты.

Эксперимент, аналогичный NOνA, — это T2K , эксперимент с пучком нейтрино в Японии, аналогичный NOνA. Как и NOνA, он предназначен для измерения θ ₁₃ и δ . Он будет иметь базовую линию 295 км и будет использовать нейтрино с более низкой энергией, чем NOνA, около 0,6 ГэВ. Поскольку эффекты материи менее выражены как при более низких энергиях, так и при более коротких базах, она не может разрешить массовое упорядочение для большинства возможных значений δ . ^[5]

Интерпретация экспериментов по безнейтринному двойному бета-распаду также выиграет от знания порядка масс, поскольку иерархия масс влияет на теоретическое время жизни этого процесса. ^[4]

Реакторные эксперименты также позволяют измерить θ ₁₃ . Хотя они не могут измерить δ или массовый порядок, их измерение угла смешивания не зависит от знания этих параметров. Три эксперимента, в которых было измерено значение θ ₁₃ , в порядке убывания чувствительности: Daya Bay в Китае, RENO в Южной Корее и Double Chooz во Франции, в которых используются базовые линии 1–2 км, оптимизированные для наблюдения первого θ ₁₃ - максимум управляемых колебаний. ^[6]

Второстепенные цели

В дополнение к своим основным физическим целям NOνA сможет улучшить измерения уже измеренных параметров колебаний. NOνA, как и MINOS , хорошо подходит для обнаружения мюонных нейтрино и поэтому сможет уточнить наши знания о θ ₂₃ .

Ближний детектор NOνA будет использоваться для проведения измерений сечений взаимодействия нейтрино , которые в настоящее время не известны с высокой степенью точности. Его измерения в этой области дополнят другие подобные предстоящие эксперименты, такие как MINERνA , в котором также используется луч NuMI . ^[7]

Поскольку NOνA способна обнаруживать нейтрино от галактических сверхновых , она станет частью системы раннего предупреждения о сверхновых . Данные о сверхновых NOνA можно сопоставить с данными Супер-Камиоканде, чтобы изучить влияние материи на колебания этих нейтрино. ^[4]

Дизайн

Для достижения своих физических целей NOνA должен эффективно обнаруживать электронные нейтрино, которые, как ожидается, появятся в NuMI луче (первоначально состоящем только из мюонных нейтрино) в результате нейтринных осцилляций.

Разрез Земли: Фермилаб, MINOS и NOνA, в масштабе. Красная линия — центральная ось луча NuMI .

Предыдущие эксперименты с нейтрино, такие как MINOS , позволили уменьшить фон от космических лучей , находясь под землей. Однако NOνA находится на поверхности и полагается на точную временную информацию и четко определенную энергию луча для уменьшения количества паразитного фона. Он расположен в 810 км от источника луча NuMI и в 14 миллирадианах (12 км) к западу от центральной оси луча. В этом положении он отбирает луч, который имеет гораздо более узкое распределение энергии, чем если бы он был расположен в центре, что еще больше снижает влияние фона. ^[4]

Детектор выполнен в виде пары мелкозернистых жидкостных сцинтилляционных детекторов. Ближний детектор находится в Фермилабе и снимает неколеблющиеся сигналы. ^{[ проверьте орфографию ]} луч. Дальний детектор находится в северной Миннесоте и состоит примерно из 500 000 ячеек, каждая размером 4 см × 6 см × 16 м, заполненных жидким сцинтиллятором . Каждая ячейка содержит петлю неизолированного оптоволоконного кабеля для сбора сцинтилляционного света, оба конца которого ведут к лавинному фотодиоду для считывания.

Ближний детектор имеет такую же общую конструкцию, но его характеристики примерно одинаковы. 1 ⁄ 200 от массы. Этот 222-тонный детектор состоит из 186 плоскостей ячеек, заполненных сцинтилляторами (6 блоков по 31 плоскость), за которыми следует ловец мюонов . Хотя все самолеты идентичны, первые шесть используются как область вето; ливни частиц, начинающиеся в них, считаются не нейтрино и игнорируются. Следующие 108 самолетов служат контрольным регионом; Начинающиеся в них ливни частиц представляют интерес для нейтринных взаимодействий. Последние 72 плоскости представляют собой «область сдерживания ливня», в которой наблюдают за задней частью ливней частиц, начавшихся в контрольной области. Наконец, область «ловца мюонов» длиной 1,7 метра состоит из стальных пластин, чередующихся с 10 активными плоскостями жидкого сцинтиллятора.

Сотрудничество

В эксперименте NOνA участвуют ученые из большого количества учреждений. Разные учреждения решают разные задачи. Коллаборация и ее подгруппы регулярно встречаются по телефону для еженедельных встреч и лично несколько раз в год. Участвующими учреждениями по состоянию на май 2024 г. являются: ^[9]

История финансирования

В конце 2007 года NOνA прошла проверку «Критического решения 2» Министерства энергетики , что примерно означает, что ее дизайн, стоимость, график и научные цели были одобрены. Это также позволило включить проект в бюджетный запрос Конгресса Министерства энергетики. (Для начала строительства NOνA по-прежнему требовалась проверка «Критического решения 3».)

21 декабря 2007 года президент Буш подписал сводный законопроект о расходах HR 2764, который сократил финансирование физики высоких энергий на 88 миллионов долларов с ожидаемой суммы в 782 миллиона долларов. ^[10] Бюджет Фермилаба был урезан на 52 миллиона долларов. ^[11] В этом законопроекте прямо говорилось, что «в рамках финансирования физики на основе протонных ускорителей не предусмотрено никаких средств для деятельности NOνA по усовершенствованию комплекса Тэватрон». ^[12]^[13] Таким образом, хотя проект NOνA сохранил одобрение как со стороны Министерства энергетики, так и со стороны Фермилаба, Конгресс оставил NOνA без средств на 2008 финансовый год для создания детектора, оплаты труда его персонала или продолжения достижения научных результатов. Однако в июле 2008 года Конгресс принял, а президент подписал дополнительный законопроект о бюджете. ^[14] что включало финансирование NOνA, что позволило сотрудничеству возобновить свою работу.

Прототип ближнего детектора NOνA (Near Detector on Surface, или NDOS) начал работу в Фермилабе в ноябре и зарегистрировал свои первые нейтрино из пучка NuMI 15 декабря 2010 года. ^[15] В качестве прототипа NDOS хорошо послужил для сотрудничества, определив вариант использования и предложив улучшения в конструкции компонентов детектора, которые позже были установлены в качестве ближнего детектора в Фермилабе и дальнего детектора в Эш-Ривер, Миннесота ( 48 ° 22'45 "N 92 ° 49'54" W / 48,37912 ° N 92,83164 ° W / 48,37912; -92,83164 ).

После завершения строительства здания NOva началось строительство детекторных модулей. 26 июля 2012 года был заложен первый модуль. Размещение и склейка модулей продолжались более года, пока детекторный зал не был заполнен.

Первое обнаружение произошло 11 февраля 2014 года, а строительство завершилось в сентябре того же года. Полноценная эксплуатация началась в октябре 2014 года. ^[16]

Ссылки

^ Радович, Александр (12 января 2018 г.). «Последние результаты колебаний NOvA от NOvA» (Объединенная экспериментально-теоретическая физика) . База данных документов NOva . Фемилаб . Проверено 30 марта 2018 г.
^ Ан, ФП; и др. (Сотрудничество Дайя Бэй) (8 марта 2012 г.). «Наблюдение исчезновения электронов-антинейтрино в заливе Дайя». Письма о физических отзывах . 108 (17): 171803. arXiv : 1203.1669 . Бибкод : 2012PhRvL.108q1803A . doi : 10.1103/PhysRevLett.108.171803 . ПМИД 22680853 . S2CID 16580300 .
^ Абэ, К.; и др. (Сотрудничество T2K) (16 апреля 2014 г.). «Наблюдение появления электронных нейтрино в пучке мюонных нейтрино». Письма о физических отзывах . 112 (6): 061802. arXiv : 1311.4750 . Бибкод : 2014PhRvL.112f1802A . doi : 10.1103/PhysRevLett.112.061802 . ПМИД 24580687 . S2CID 2586182 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Эйрс, Д.С.; и др. (Сотрудничество NOνA) (2005). «Предложение NOνA о создании внеосевого детектора мощностью 30 килотонн для изучения нейтринных осцилляций в канале NuMI Fermilab ». arXiv : hep-ex/0503053 .
^ «Эксперимент по осцилляциям нейтрино в JHF» (PDF) . Сотрудничество T2K (Письмо о намерениях). ЯХФ. 21 января 2003 г.
^ Цао, Дж. (27 сентября 2005 г.). «Нейтринный эксперимент Дайя Бэй». Ядерная физика B - Приложения к сборнику трудов . 155 : 229–230. arXiv : hep-ex/0509041 . doi : 10.1016/j.nuclphysbps.2006.02.057 . S2CID 242130 .
^ МакФарланд, К.; и др. (сотрудничество MINERνA) (2006). «MINERνA: специальный эксперимент по рассеянию нейтрино в NuMI». Ядерная физика B - Приложения к сборнику трудов . 159 : 107–112. arXiv : физика/0605088 . Бибкод : 2006НуФС.159..107М . doi : 10.1016/j.nuclphysbps.2006.08.073 . S2CID 14356072 .
^ «Обзор детектора» . fnal.gov . НОВА. Фермилаб.
^ Веб-страница NOνA: Сотрудничество NOvA , получено 31 мая 2024 г.
^ «Бюджетный цикл завершается разочаровывающими научными результатами Министерства энергетики» . К вашему сведению, номер 121. Американский институт физики. 18 декабря 2007 года . Проверено 21 декабря 2007 г.
^ Рабочий, Рассел (20 декабря 2007 г.). «Бюджет Fermilab сокращен на 52 миллиона долларов, возможны увольнения» . Чикаго Трибьюн . Архивировано из оригинала 24 декабря 2007 года . Проверено 21 декабря 2007 г.
^ «Поправки Палаты представителей к поправке Сената к HR 2764 – Закону об ассигнованиях на государственные операции, зарубежные операции и соответствующие программы, 2008 г.» (PDF) . Дивизион C – Энергетика и вода. Закон о консолидированных ассигнованиях, 2008 г., с. 39 (страница 79 в формате PDF. Архивировано из оригинала (PDF) 26 декабря 2007 года . Проверено 21 декабря 2007 года .
^ «Главная страница всей поправки» . HR 2764. Архивировано из оригинала 26 декабря 2007 года.
^ Минкель-младший (7 июля 2008 г.). «Фермилаб спас от плахи — пока» . Научный американец .
^ «Первые нейтрино для прототипа детектора NOva» . Фермилаб сегодня . 21 декабря 2010 г. с. 1 . Проверено 22 декабря 2010 г.
^ «500-мильный нейтринный эксперимент Фермилаба запущен» . Взаимодействие NewsWire. 6 октября 2014 г.

Внешние ссылки

[RadovicWC-1] Радович, Александр (12 января 2018 г.). «Последние результаты колебаний NOvA от NOvA» (Объединенная экспериментально-теоретическая физика) . База данных документов NOva . Фемилаб . Проверено 30 марта 2018 г.

[2] Ан, ФП; и др. (Сотрудничество Дайя Бэй) (8 марта 2012 г.). «Наблюдение исчезновения электронов-антинейтрино в заливе Дайя». Письма о физических отзывах . 108 (17): 171803. arXiv : 1203.1669 . Бибкод : 2012PhRvL.108q1803A . doi : 10.1103/PhysRevLett.108.171803 . ПМИД 22680853 . S2CID 16580300 .

[3] Абэ, К.; и др. (Сотрудничество T2K) (16 апреля 2014 г.). «Наблюдение появления электронных нейтрино в пучке мюонных нейтрино». Письма о физических отзывах . 112 (6): 061802. arXiv : 1311.4750 . Бибкод : 2014PhRvL.112f1802A . doi : 10.1103/PhysRevLett.112.061802 . ПМИД 24580687 . S2CID 2586182 .

[proposal-4] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Эйрс, Д.С.; и др. (Сотрудничество NOνA) (2005). «Предложение NOνA о создании внеосевого детектора мощностью 30 килотонн для изучения нейтринных осцилляций в канале NuMI Fermilab ». arXiv : hep-ex/0503053 .

[5] «Эксперимент по осцилляциям нейтрино в JHF» (PDF) . Сотрудничество T2K (Письмо о намерениях). ЯХФ. 21 января 2003 г.

[6] Цао, Дж. (27 сентября 2005 г.). «Нейтринный эксперимент Дайя Бэй». Ядерная физика B - Приложения к сборнику трудов . 155 : 229–230. arXiv : hep-ex/0509041 . doi : 10.1016/j.nuclphysbps.2006.02.057 . S2CID 242130 .

[7] МакФарланд, К.; и др. (сотрудничество MINERνA) (2006). «MINERνA: специальный эксперимент по рассеянию нейтрино в NuMI». Ядерная физика B - Приложения к сборнику трудов . 159 : 107–112. arXiv : физика/0605088 . Бибкод : 2006НуФС.159..107М . doi : 10.1016/j.nuclphysbps.2006.08.073 . S2CID 14356072 .

[8] «Обзор детектора» . fnal.gov . НОВА. Фермилаб.

[9] Веб-страница NOνA: Сотрудничество NOvA , получено 31 мая 2024 г.

[10] «Бюджетный цикл завершается разочаровывающими научными результатами Министерства энергетики» . К вашему сведению, номер 121. Американский институт физики. 18 декабря 2007 года . Проверено 21 декабря 2007 г.

[11] Рабочий, Рассел (20 декабря 2007 г.). «Бюджет Fermilab сокращен на 52 миллиона долларов, возможны увольнения» . Чикаго Трибьюн . Архивировано из оригинала 24 декабря 2007 года . Проверено 21 декабря 2007 г.

[12] «Поправки Палаты представителей к поправке Сената к HR 2764 – Закону об ассигнованиях на государственные операции, зарубежные операции и соответствующие программы, 2008 г.» (PDF) . Дивизион C – Энергетика и вода. Закон о консолидированных ассигнованиях, 2008 г., с. 39 (страница 79 в формате PDF. Архивировано из оригинала (PDF) 26 декабря 2007 года . Проверено 21 декабря 2007 года .

[13] «Главная страница всей поправки» . HR 2764. Архивировано из оригинала 26 декабря 2007 года.

[14] Минкель-младший (7 июля 2008 г.). «Фермилаб спас от плахи — пока» . Научный американец .

[15] «Первые нейтрино для прототипа детектора NOva» . Фермилаб сегодня . 21 декабря 2010 г. с. 1 . Проверено 22 декабря 2010 г.

[16] «500-мильный нейтринный эксперимент Фермилаба запущен» . Взаимодействие NewsWire. 6 октября 2014 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]