В НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ обсудили новый эксперимент по физике нейтрино

Четверг, 23 января 2020

В Отделении физики высоких энергий Института состоялся семинар, на котором обсуждался новый амбициозный нейтринный эксперимент JUNO. Измерения должны начаться в 2021 году и продлиться порядка пяти лет. Ученые надеются определить иерархию масс нейтрино при помощи нового экспериментального метода.

Физика нейтрино сейчас на подъеме. Строго говоря, в Стандартной модели физики частиц, нейтрино – частицы безмассовые. Обнаружение нейтринных осцилляций говорит об обратном. Феномен нейтринного смешивания теоретически описывается массами так называемых массовых состояний (m1m2 и m3) и параметрами θ12, θ23, θ13 и δCP., которые задают матрицу нейтринного смешивания (матрица Понтекорво-Маки-Накагавы-Сакаты, ПМНС-матрица). В настоящее время ключевой задачей экспериментальной физики нейтрино является установление значений неизвестных параметров этого сектора частиц: значения CP-нарушающей фазы матрицы нейтринного смешивания, а также иерархии масс нейтрино. Мы уже не раз писали об исследованиях такого рода (1, 2, 3).

Сейчас в Китае строится и вводится в эксплуатацию новый реакторный эксперимент JUNO (Jiangmen Underground Neutrino Observatory), нацеленный на выполнение широкой физической программы. Об устройстве JUNO и основных задачах, стоящих перед ним, на Семинаре ОФВЭ НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ рассказал Михаил Смирнов (сотрудник Университета Сун Ят-Сен).

JUNO – огромный сцинтилляционный детектор, который будет располагаться глубоко под землей. На расстоянии порядка 50 километров от него расположены две большие атомные электростанции (реакторы) с суммарной энергетической мощностью до 36 ГВт. Они будут выступать в качестве источников электронных антинейтрино. Такое расположение JUNO выбрано не случайно. Из-за нейтринных осцилляций регистрироваться должно только 20% от общего потока электронных антинейтрино, остальные 80% превратятся в антинейтрино других сортов.

Осцилляционный спектр зависит от фундаментальных параметров нейтринной физики, а также от расстояния от источника антинейтрино (L) и энергии этой частицы (E). При этом в спектре присутствуют две колебательные компоненты: «медленная» и «быстрая» (см. рисунок 1).

«Медленная» компонента отвечает за основное подавление потока антинейтрино. Ключевой задачей этого эксперимента будет являться определение иерархии масс нейтрино при помощи измерения энергетического спектра реакторных нейтрино, в которой проявляется «быстрая» компонента. Для нормальной и обратной иерархий масс энергетический спектр должен быть разным (см. рисунок 2). Именно это позволит определить, какая из них реализуется в нашем мире.

Для выделения сигнала от антинейтрино будет использован процесс обратного бета-распада. Схематично он представлен на рисунке 3. Антинейтрино взаимодействует с протонами, в результате чего появляется позитрон и нейтрон. Позитрон практически мгновенно аннигилирует, испуская два фотона. Нейтрон же в течение долей секунды захватывается протоном, образуя ядро дейтерия. Совпадение сигналов позволяет выделить события обратного бета-распада. При этом испускается фотон с энергией 2.2 МэВ. Позитрон несет практически всю энергию антинейтрино.

Для таких измерений необходимо создать детектор с высоким энергетическим разрешением, обеспечить его радиационную чистоту, создать систему вето для мюонов, прецизионно измерить спектр реакторных антинейтрино, а также хорошо контролировать фоновую компоненту. Ожидаемое число зарегистрированных реакторных антинейтрино в день составляет 60 штук. Фоновых событий будет на порядок меньше. В своем докладе Михаил Смирнов подробно рассказал о методах измерения и технических вызовах, стоящих перед экспериментаторами. За пять лет набора данных физики надеются собрать 100000 событий, что позволит сделать заключение об иерархии масс нейтрино со статистической значимостью на уровне 3 – 5 стандартных отклонений.

Подробнее с материалами семинара можно будет ознакомиться на сайте ОФВЭ НИЦ «Курчатовский институт» - ПИЯФ.

Теги
фгбу пияф им. Б. П. Константинова Национальный исследовательский центр Курчатовский институт