Новая звезда - NOvA - Wikipedia

Не путать с Новая звезда или же НОВАЯ ЗВЕЗДА.
Эксперимент NOvA Neutrino
NOvA Far Detector.jpg
Фотография детектора NOvA Far
ОрганизацияNOvA сотрудничество
Место расположенияРека Эш, Миннесота, США
Координаты48 ° 22′45 ″ с.ш. 92 ° 50′1 ″ з.д. / 48,37917 ° с.ш.92,83361 ° з. / 48.37917; -92.83361Координаты: 48 ° 22′45 ″ с.ш. 92 ° 50′1 ″ з.д. / 48,37917 ° с.ш.92,83361 ° з. / 48.37917; -92.83361
Интернет сайтnovaexperiment.fnal.gov
NOvA находится в США.
Новая звезда
Место проведения эксперимента NOvA Neutrino
[редактировать в Викиданных ]
Сравнение дальних и ближних детекторов NOvA с размером Airbus A380.

В NOνA (NuMI Вне оси νе 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 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 в Фермилаб NuMI луч. Если ненулевое значение θ13 разрешима NOνA, можно будет получить измерения δ и массовый порядок, также наблюдая 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 (NOνA дальний детектор)).

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]

Рекомендации

  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.
  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.

внешняя ссылка