NOvA - Википедия - NOvA

Эксперимент NOvA Neutrino
	Фотография детектора NOvA Far
Организация	NOvA сотрудничество
Место расположения	Река Эш, Миннесота, США
Координаты	48 ° 22′45 ″ с.ш. 92 ° 50′1 ″ з.д. / 48,37917 ° с.ш.92,83361 ° з.Координаты: 48 ° 22′45 ″ с.ш. 92 ° 50′1 ″ з.д. / 48,37917 ° с.ш.92,83361 ° з.
Интернет сайт	novaexperiment.fnal.gov
	Место проведения эксперимента NOvA Neutrino
	[редактировать в Викиданных ]

Сравнение дальних и ближних детекторов NOvA с размером Airbus A380.

В NOνA (NuMI Вне оси ν_е Внешний вид) эксперимент представляет собой физика элементарных частиц эксперимент, предназначенный для обнаружения нейтрино в Фермилаб с NuMI (Нейтрино в главном инжекторе) луч. Предназначен для преемника МИНОС, NOνA состоит из двух детекторов, один на Фермилаб ( возле детектора) и один в северной Миннесоте ( дальний детектор). Нейтрино из NuMI пройти через 810 км Земли, чтобы добраться до дальнего детектора. Основная цель NOνA - наблюдение колебание из мюонных нейтрино в электронные нейтрино. Основные физические цели NOvA:^[1]

Точное измерение нейтрино и антинейтрино угол смешивания θ₂₃, особенно если он больше, меньше или равен 45 °
Точное измерение для нейтрино и антинейтрино связанного расщепления масс Δm²₃₂
Сильные ограничения на CP-нарушающие фаза δ
Сильные ограничения на иерархию масс нейтрино

Физические цели

Основные цели

Колебания нейтрино параметризованы Матрица PMNS и разности квадратов масс между массами нейтрино собственные состояния. Если предположить, что три ароматы нейтрино участвуют в смешивании нейтрино, существует шесть переменных, которые влияют на осцилляции нейтрино: три угла θ₁₂, θ₂₃, и θ₁₃, фаза нарушения CP δ, и любые две из трех разностей квадратов масс. В настоящее время нет веских теоретических причин ожидать какого-либо конкретного значения этих параметров или взаимосвязи между ними.

θ₂₃ и θ₁₂ были измерены как ненулевые в нескольких экспериментах, но наиболее чувствительный поиск ненулевого θ₁₃ посредством Chooz сотрудничество дали только верхний предел. В 2012, θ₁₃ был измерен в Дайя Бэй быть ненулевым для Статистическая значимость из 5.2 σ.^[2] В следующем году, T2K открыл переход ${ displaystyle nu _ { mu} rightarrow nu _ {e}}$ исключая гипотезу неявки со значимостью 7,3σ.^[3] Нет измерения δ было изготовлено. Абсолютные значения двух разностей квадратов масс известны, но поскольку одно очень мало по сравнению с другим, порядок масс не определен.

Вероятности колебаний, игнорируя влияние материи и предполагая θ₁₃ близок к текущему пределу. NOνA будет наблюдать первый пик.

NOνA на порядок более чувствителен к θ₁₃ чем предыдущее поколение экспериментов, таких как МИНОС. Он будет измерять это путем поиска перехода ${ displaystyle nu _ { mu} rightarrow nu _ {e}}$ в Фермилаб NuMI луч. Если ненулевое значение θ₁₃ разрешима NOνA, можно будет получить измерения δ и массовый порядок, также наблюдая ${ displaystyle { bar { nu}} _ { mu} rightarrow { bar { nu}} _ {e}.}$ Параметр δ может быть измерен, потому что он по-разному изменяет вероятности осцилляции для нейтрино и антинейтрино. Аналогичным образом можно определить массовое упорядочение, потому что нейтрино проходят через Землю, которая через Эффект ТБО, изменяет вероятности осцилляций по-разному для нейтрино и антинейтрино.^[4]

Важность

Насколько нам известно, массы нейтрино и углы смешивания являются фундаментальными константами Вселенной. Их измерение - основное требование для нашего понимания физики. Зная ценность Нарушение CP параметр δ поможет нам понять, почему Вселенная имеет асимметрия вещества-антивещества. Также, согласно Механизм качели Согласно теории, очень малые массы нейтрино могут быть связаны с очень большими массами частиц, которые у нас пока нет технологии для непосредственного изучения. Таким образом, измерения нейтрино - это косвенный способ 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 θ₁₂ было решено как не максимальное или минимальное. Если измерения NOνA и другие будущие эксперименты продолжат показывать θ₂₃ как максимальное и θ₁₃ как минимум, это может указывать на некоторую еще неизвестную симметрию природы.^[4]

Отношение к другим экспериментам

NOνA потенциально может разрешить иерархию масс, потому что работает при относительно высокой энергии. Из проводимых в настоящее время экспериментов он имеет самые широкие возможности для однозначного измерения с наименьшей зависимостью от значения δ. Многие будущие эксперименты, направленные на прецизионные измерения свойств нейтрино, будут полагаться на измерения NOνA, чтобы знать, как сконфигурировать свои устройства для обеспечения максимальной точности и как интерпретировать их результаты.

Эксперимент, подобный NOνA, есть T2K, эксперимент на пучке нейтрино в Японии, аналогичный NOνA. Как и NOνA, он предназначен для измерения θ₁₃ и δ. Он будет иметь базу 295 км и будет использовать нейтрино с более низкой энергией, чем NOνA, около 0,6 ГэВ. С материальные эффекты менее выражены как при более низких энергиях, так и при более коротких базах, он не может разрешить массовое упорядочение для большинства возможных значений δ.^[5]

Интерпретация Безнейтринный двойной бета-распад эксперименты также выиграют от знания массового упорядочения, поскольку массовая иерархия влияет на теоретическое время жизни этого процесса.^[4]

Реактор эксперименты также могут измерять θ₁₃. Пока они не могут измерить δ или массовое упорядочение, их измерение угла смешивания не зависит от знания этих параметров. Три эксперимента, в которых измерялась величина θ₁₃, в порядке убывания чувствительности Дайя Бэй в Китае, RENO в Южной Корее и Двойной чуц во Франции, которые используют базовые линии 1-2 км, оптимизированные для наблюдения первых θ₁₃-управляемые колебания максимум.^[6]

Вторичные цели

В дополнение к своим основным физическим целям NOνA сможет улучшить измерения уже измеренных параметров колебаний. NOνA, вроде МИНОС, хорошо подходит для обнаружения мюонных нейтрино и поэтому сможет уточнить наши знания о θ₂₃.

Ближний детектор NOνA будет использоваться для измерения взаимодействия нейтрино. поперечные сечения которые в настоящее время не известны с высокой степенью точности. Его измерения в этой области дополнят другие аналогичные предстоящие эксперименты, такие как MINERνA, который также использует NuMI луч.^[7]

Поскольку он способен обнаруживать нейтрино от галактический сверхновые, NOνA войдет в состав Система раннего предупреждения о сверхновых. Данные о сверхновых от NOνA можно сопоставить с данными от Супер-Камиоканде, чтобы изучить влияние вещества на колебания этих нейтрино.^[4]

Дизайн

Для достижения своих физических целей NOνA должен эффективно обнаруживать электронные нейтрино, которые, как ожидается, появятся в NuMI луч (первоначально состоящий только из мюонных нейтрино) в результате осцилляции нейтрино.

Поперечный разрез земли с изображением Фермилаба, МИНОС и NOνA в масштабе. Красная линия - это центральная ось NuMI луч.

Предыдущие нейтринные эксперименты, такие как МИНОС, уменьшили фон из космические лучи находясь под землей. Тем не менее, NOνA находится на поверхности и полагается на точную информацию о времени и четко определенную энергию луча, чтобы уменьшить количество паразитного фона. Он расположен в 810 км от истока NuMI балка и 14миллирадианы (12 км) к западу от центральной оси балки. В этом положении он измеряет 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 жидкостных сцинтилляционных детекторов с мелкими частицами. Ближний детектор находится в Фермилабе и измеряет неосциллирующий луч. Дальний детектор находится в северной Миннесоте и состоит из примерно 500000 ячеек, каждая размером 4 см × 6 см × 16 м, заполненных жидкостью. сцинтиллятор. Каждая ячейка содержит цикл голых оптоволокно кабель для сбора сцинтилляционного света, оба конца которого ведут к лавинный фотодиод для считывания.

Ближний детектор NOνA. (Больше цифр на Фермилаб^[8])

Детектор ближнего боя имеет такую же общую конструкцию, но только около¹⁄₂₀₀ такой же массивный. Этот 222-тонный детектор состоит из 186 плоскостей ячеек, заполненных сцинтиллятором (6 блоков по 31 плоскости), за которыми следует мюон ловец. Хотя все самолеты идентичны, первые 6 используются как область вето; ливни частиц, которые начинаются в них, считаются не нейтрино и игнорируются. Следующие 108 плоскостей служат опорным регионом; ливни частиц, начинающиеся в них, представляют интерес нейтринные взаимодействия. Окончательные 72 самолетов являются «душа сдерживание области», который наблюдается хвостовой частью ливней частиц, которая началась в доверительной области. Наконец, область «улавливателя мюонов» длиной 1,7 метра состоит из стальных пластин, чередующихся с 10 активными плоскостями жидкого сцинтиллятора.

Сотрудничество

В эксперименте NOνA участвуют ученые из большого числа институтов. Разные учреждения берут на себя разные задачи. Сотрудничество и его подгруппы регулярно встречаются по телефону на еженедельных встречах и лично несколько раз в год. Участвующие учреждения по состоянию на апрель 2018 года:^[9]

История финансирования

В конце 2007 г. NOνA прошел Департамент энергетики Обзор «Критического решения 2», что примерно означает, что его дизайн, стоимость, график и научные цели были одобрены. Это также позволило включить проект в бюджетную заявку Конгресса Министерства энергетики США. (NOνA по-прежнему требует рассмотрения «Критического решения 3», чтобы начать строительство.)

21 декабря 2007 г. президент Буш подписал общий счет расходов, H.R.2764, что сократило финансирование физики высоких энергий на 88 миллионов долларов с ожидаемой стоимости в 782 миллиона долларов.^[10] Бюджет Фермилаб было сокращено на 52 миллиона долларов.^[11] В этом законопроекте прямо указано, что «В рамках финансирования физики на основе протонных ускорителей не предусмотрены средства на деятельность NOνA по усовершенствованию комплекса Теватрон».^[12]^[13] Таким образом, хотя проект NOνA получил одобрение как Министерства энергетики, так и Фермилаба, Конгресс оставила NOνA без средств на 2008 финансовый год для создания детектора, оплаты труда сотрудников или продолжения работы над научными результатами. Однако в июле 2008 года Конгресс принял, а президент подписал закон о дополнительном бюджете,^[14] которые включали финансирование NOνA, что позволило сотрудничеству возобновить свою работу.

Прототип NOνA ближнего детектора (Near Detector on Surface, или NDOS) начал работать в Фермилабе в ноябре и зарегистрировал свои первые нейтрино от NuMI луч 15 декабря 2010 г.^[15] В качестве прототипа NDOS хорошо послужил сотрудничеству в создании сценария использования и предложении улучшений в конструкции компонентов детектора, которые позже были установлены как ближний детектор в Фермилабе и дальний детектор в Эш-Ривер, Миннесота (48 ° 22′45 ″ с.ш. 92 ° 49′54 ″ з.д. / 48,37912 ° с.ш. 92,83164 ° з.д. / 48.37912; -92.83164).

После завершения строительства здания NOvA началось строительство детекторных модулей. 26 июля 2012 года был установлен первый модуль. Установка 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. Полная эксплуатация началась в октябре 2014 года.^[16]

внешняя ссылка

[RadovicWC-1] Радович, Александр (12 января 2018 г.). "Последние результаты колебаний NOvA от NOvA" (Совместная экспериментально-теоретическая физика). База данных документов NOvA. Фемилаб. Получено 30 марта 2018.

[2] «Наблюдение за исчезновением электронов-антинейтрино в Дайя Бэй». Письма с физическими проверками. 108: 171803. 8 марта 2012 г. arXiv:1203.1669. Bibcode:2012PhRvL.108q1803A. Дои:10.1103 / PhysRevLett.108.171803. PMID 22680853.

[3] Abe, K .; и другие. (Сотрудничество T2K) (16 апреля 2014 г.). «Наблюдение за появлением электронного нейтрино в пучке мюонных нейтрино». arXiv:1311.4750.

[proposal-4] а ^б ^c ^d ^е ^ж Ayres, D.S .; и другие. (Сотрудничество NOνA). "Предложение NOνA о создании внеосевого детектора мощностью 30 килотонн для изучения нейтринных осцилляций в Фермилаборатории. NuMI луч ". arXiv:hep-ex / 0503053.

[5] "Эксперимент по колебаниям нейтрино в JHF" (PDF). Сотрудничество T2K (письмо о намерениях). JHF. 21 января 2003 г.

[6] Цао, Дж. (27 сентября 2005 г.). «Эксперимент Дайя Бэй с нейтрино». arXiv:hep-ex / 0509041.

[7] McFarland, K .; и другие. (Коллаборация MINERνA). "MINERvA: специальный эксперимент по рассеянию нейтрино в NuMI". arXiv:физика / 0605088.

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

[9] Веб-страница NOνA: Сотрудничество NOvA, получено 2018 апреля 2

[10] «Завершение бюджетного цикла с неутешительными результатами науки Министерства энергетики». FYI Number 121. Американский институт физики. 18 декабря 2007 г.. Получено 21 декабря 2007.

[11] Рабочий, Рассел (20 декабря 2007 г.). «Бюджет Фермилаб сокращен на 52 миллиона долларов, вероятно увольнение». Чикаго Трибьюн. Архивировано из оригинал 24 декабря 2007 г.. Получено 21 декабря 2007.

[12] «Поправки палаты представителей к поправке Сената к HR 2764 - Закон об ассигнованиях на государственные, иностранные операции и связанные программы, 2008 г.» (PDF). Дивизион C - Энергия и вода. Закон о консолидированных ассигнованиях, 2008 г. стр. 39 (PDF, страница 79. Архивировано с оригинал (PDF) 26 декабря 2007 г.. Получено 21 декабря 2007.

[13] «Индексная страница для всей поправки». H.R. 2764. Архивировано с оригинал 26 декабря 2007 г.

[14] Минкель, Дж. Р. (7 июля 2008 г.). «Фермилаб спас от пламени - пока». Scientific American.

[15] «Первые нейтрино для прототипа детектора NOvA». Фермилаб сегодня. 21 декабря 2010. с. 1. Получено 22 декабря 2010.

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

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]