Нейтрино осцилляциясын зерттеген MINOS эксперименті туралы мақала. Fermilab-та жасалған, Миннесотадағы 735 км қашықтықтағы детекторлар арқылы жүргізілді.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Бөлшектер физикасы эксперименті
Particle physics experiment
Негізгі инжекторлық нейтрино тербелісін іздеу (MINOS) – 1998 жылы Супер Камиоканде (Супер К) экспериментімен алғаш рет анықталған нейтрино тербелістері құбылысын зерттеуге арналған бөлшектер физикасы эксперименті. Чикаго маңындағы Фермилабтағы NuMI ("Негізгі инжектордағы нейтринолар") сәулелі желісі арқылы туындаған нейтринолар екі детекторда байқалады: біреуі сәуле туындайтын жерге өте жақын (жақын детектор), ал екіншісі – 735 км қашықтықтағы Солтүстік Миннесотада (алыс детектор). MINOS эксперименті 2005 жылдың ақпан айында NuMI сәулесінен нейтриноларды анықтауды бастады. 2006 жылдың 30 наурызында MINOS ынтымақтастығы 2005 жылы жиналған алғашқы деректерді талдаудың нәтижесінде нейтрино тербелістерімен сәйкес екенін, ал тербеліс параметрлерінің Супер К өлшемдерімен үйлесетінін мәлімдеді. MINOS 2012 жылдың 30 сәуірінде түн ортасында NUMI сәулелі желісінен соңғы нейтриноларды қабылдады. Эксперимент 2013 жылы деректерді жинауды бастаған MINOS+ жүйесіне жаңартылды. Эксперимент 2016 жылдың 29 маусымында тоқтатылды, ал алыс детектор бөлшектелді және алынып тасталды.
Main injector neutrino oscillation search (MINOS) was a particle physics experiment designed to study the phenomena of neutrino oscillations, first discovered by a Super Kamiokande (Super K) experiment in 1998. Neutrinos produced by the NuMI ("Neutrinos at Main Injector") beamline at Fermilab near Chicago are observed at two detectors, one very close to where the beam is produced (the near detector), and another much larger detector 735 km away in northern Minnesota (the far detector). The MINOS experiment started detecting neutrinos from the NuMI beam in February 2005. On 30 March 2006, the MINOS collaboration announced that the analysis of the initial data, collected in 2005, is consistent with neutrino oscillations, with the oscillation parameters which are consistent with Super K measurements. MINOS received the last neutrinos from the NUMI beam line at midnight on 30 April 2012. It was upgraded to MINOS+ which started taking data in 2013. The experiment was shut down on June 29, 2016, and the far detector has been dismantled and removed.
Детektorлар
Экспериментте екі детектор бар. Жақын детектордың дизайны алыс детекторға ұқсас, бірақ массасы 980 тонна болатын кішірек. Ол Ферми лабораториясында, протон сәулесінің графит нысанамен әрекеттесетін жерінен бірнеше жүз метр қашықтықта, жер астында шамамен 100 метр тереңдікте орналасқан. Жақын детекторды іске қосу 2004 жылдың желтоқсан айында аяқталды, және қазір ол толыққанды жұмыс істеп тұр. Алыс детектордың массасы 5,4 тонна. Ол Солтүстік Миннесотадағы Судан кенішінде 716 метр тереңдікте орналасқан. Алыс детектор 2003 жылдың жазынан бері толыққанды жұмыс істеп келеді және құрылысы басталғаннан бері ғарыш сәулелері мен атмосфералық нейтрино деректерін жинап келеді. Екі MINOS детектор да магниттелген болат және пластикалық сцинтилляторлардың кезектесіп орналасқан жазықтықтарынан жасалған болат сцинтилляторлық үлгі алу калориметрлері болып табылады. Магниттік өріс мюондық нейтриноның өзара әрекеттесуінен пайда болған мюонның траекториясын идіп, нейтринолар мен антинейтринолар арасындағы өзара әрекеттесуді ажыратуға мүмкіндік береді. MINOS детекторларының осы ерекшелігі MINOS-қа атмосфералық нейтринолар мен антинейтринолар арқылы CPT симметриясының бұзылуын іздеуге мүмкіндік береді.
There are two detectors in the experiment. The near detector is similar to the far detector in design, but smaller in size with a mass of 980 (t). It is located at Fermilab, a few hundred meters away from the graphite target which the protons interact with, and approximately 100 meters underground. The commissioning of the near detector was completed in December 2004, and it is now fully operational. The far detector has a mass of 5.4. It is located in the Soudan mine in Northern Minnesota at a depth of 716 meters. The far detector has been fully operational since summer 2003, and has been taking cosmic ray and atmospheric neutrino data since early in its construction. Both MINOS detectors are steel scintillator sampling calorimeters made out of alternating planes of magnetized steel and plastic scintillators. The magnetic field causes the path of a muon produced in a muon neutrino interaction to bend, making it possible to distinguish interactions with neutrinos from those with antineutrinos. This feature of the MINOS detectors allows MINOS to search for CPT violation with atmospheric neutrinos and anti neutrinos.
Нейтрино сәулесі
NuMI сәуле желісін жасау үшін 120 ГэВ негізгі инжектордың протон импульстары сумен салқындатылған графит нысанасына соқтығысады. Протонның нысана материалмен өзара әрекеттесуі нәтижесінде пиондар мен каондар пайда болады, олар магниттік мүйіздер жүйесімен фокусқа түсіріледі. Пиондар мен каондардың кейіннен ыдырауынан пайда болатын нейтринолар нейтрино сәулесін құрайды. Олардың көпшілігі – мюондық нейтрино, ал электрондық нейтриноның үлесі аз. Жақын детектордағы нейтрино өзара әрекеттесуі бастапқы нейтрино ағыны мен энергия спектрін өлшеу үшін қолданылады. Олар әлсіз өзара әрекеттесетін болғандықтан және көбінесе материя арқылы өтетіндіктен, нейтринолардың басым бөлігі жақын детектор мен 734 км тау жынысы арқылы, содан кейін алыс детектор арқылы және ғарышқа қарай өтеді. Суданға қарай ұмтылғанда, мюондық нейтринолардың шамамен 20% басқа түрлерге ауысады.
To produce the NuMI beamline, 120 GeV Main Injector proton pulses hit a water cooled graphite target. The resulting interactions of protons with the target material produce pions and kaons, which are focused by a system of magnetic horns. The neutrinos from subsequent decays of pions and kaons form the neutrino beam. Most of these are muon neutrinos, with a small electron neutrino contamination. Neutrino interactions in the near detector are used to measure the initial neutrino flux and energy spectrum. Because they are weakly interacting and therefore usually pass through matter, the vast majority of the neutrinos travel through the near detector and the 734 km of rock, then through the far detector and off into space. On the way toward Soudan, about 20% of the muon neutrinos oscillate into other flavors.
Физиканың мақсаттары мен нәтижелері
MINOS жақын және алыс детекторлардағы нейтрино сәулесінің құрамы мен энергия таралуының айырмашылығын өлшейді, мақсаты – нейтринолардың массасының квадратындағы айырмашылықты және араласу бұрышын жоғары дәлдікпен өлшеу. Сонымен қатар, MINOS алыс детекторда электронды нейтринолардың пайда болуын іздейді және мюонды нейтринолардың электронды нейтриноларға осцилляциялану ықтималдығын өлшеуге тырысады немесе оның шегін анықтайды. 2006 жылдың 29 шілдесінде MINOS ынтымақтастығы мюонды нейтринолардың жоғалуына сәйкес осцилляция параметрлерінің алғашқы өлшемдерін жариялаған мақала жариялады. Бұл: × 10−3 eV2/c4 және sin2(2θ23) > 0,87 (68% сенімділік деңгейі). 2008 жылы MINOS бұрынғы деректерден екі есе көп дерек қолданып (3,36×1020 протон нысанаға; бұл алғашқы деректер жиынтығын қамтиды) қосымша нәтижелер ұсынды. Бұл Δm2 өлшемінің ең жоғары дәлдігі. Нәтижелер: × 10−3 eV2/c4 және sin2(2θ23) > 0,90 (90% сенімділік деңгейі). 2011 жылы жоғарыда көрсетілген нәтижелер жаңадан жаңартылды, олар үшін екі еседен астам деректер үлгісі (7,25×1020 протонға әсер ету) және жақсартылған талдау әдістемесі қолданылды. Нәтижелер: × 10−3 eV2/c4 және sin2(2θ23) > 0,90 (90% сенімділік деңгейі). 2010 және 2011 жылдары MINOS антинейтринолар мен нейтринолардың жоғалуындағы және, демек, массаларындағы айырмашылықты көрсететін нәтижелер туралы хабарлады, бұл CPT симметриясын бұзуы мүмкін. Алайда, 2012 жылы қосымша деректер талданғаннан кейін MINOS бұл айырмашылықтың жойылғанын және ешқандай артықсылық байқалмайтынын хабарлады. MINOS алыс детекторынан алынған ғарыштық сәулелер туралы нәтижелер жоғары энергиялы ғарыштық сәулелер мен стратосфера температурасы арасындағы күшті корреляцияны көрсетті. Бұл жер асты мюон детекторынан алынған екіншілік ғарыштық сәулелердің күндізгі өзгерулерінің планеталық масштабтағы метеорологиялық құбылыстармен, мысалы, кенеттен болатын стратосфералық жылынумен және маусымдардың өзгеруімен байланысты екенін көрсеткен алғашқы рет. MINOS алыс детекторы Күн мен Айдың әсерінен туындаған ғарыштық сәулелердің азаюын да байқауға қабілетті.
MINOS measures the difference in neutrino beam composition and energy distribution in the near and far detectors with the aim of producing precision measurements of the neutrino squared mass difference and mixing angle. In addition, MINOS looks for the appearance of electron neutrinos in the far detector, and will either measure or set a limit on the oscillation probability of muon neutrinos into electron neutrinos. On 29 July 2006, the MINOS collaboration published a paper giving their initial measurements of oscillation parameters as judged from muon neutrino disappearance. These are: × 10−3 eV2/c4 and sin2(2θ23) > 0.87 (68% confidence limit). In 2008, MINOS released a further result using over twice the previous data (3.36×1020 protons on target; this includes the first data set). This is the most precise measurement of Δm2. The results are: × 10−3 eV2/c4 and sin2(2θ23) > 0.90 (90% confidence limit). In 2011, the above results were updated again, using a more than double data sample (exposure of 7.25×1020 protons on target) and improved analysis methodology. The results are: × 10−3 eV2/c4 and sin2(2θ23) > 0.90 (90% confidence limit). In 2010 and 2011, MINOS reported results according to which there is a difference in the disappearance and consequently the masses between antineutrinos and neutrinos, which would violate CPT symmetry. However, after additional data were evaluated in 2012, MINOS reported that this gap has closed and no excess is there any more. Cosmic ray results from the MINOS far detector have shown that there is a strong correlation between high energy cosmic rays measured and the temperature of the stratosphere. This is the first time, daily variations in secondary cosmic rays from an underground muon detector are shown to be associated with planetary–scale meteorological phenomena in the stratosphere such as the sudden stratospheric warming as well as the change in seasons. The MINOS far detector is also able to observe a reduction in cosmic rays caused by the Sun and the Moon.
Нейтринолардың ұшу уақыты
2007 жылы MINOS детекторларымен жүргізілген тәжірибеде 68% сенімділік деңгейінде 3 нейтриноның жылдамдығы 1.000051 болды, ал 99% сенімділік деңгейінде 0,999976 мен 1.000126 аралығындағы мәндер тіркелді. Орталық мән жарық жылдамдығынан асып түсті; алайда, қателіктердің үлкендігі нәтиже осы жоғары сенімділік деңгейінде жарық жылдамдығынан кем немесе тең жылдамдықтарды жоққа шығармады. 2012 жылы жобаның детекторлары жаңартылғаннан кейін MINOS бастапқы нәтижелерін түзетіп, жарық жылдамдығымен сәйкес екенін анықтады, нейтрино мен жарық арасындағы келу уақытының айырмашылығы -0.0006% (±0.0012%) құрады. Алдағы уақытта қосымша өлшемдер жүргізіледі.
In 2007, an experiment with the MINOS detectors found the speed of 3 neutrinos to be 1.000051 at 68% confidence level, and at 99% confidence level a range between 0.999976 to 1.000126. The central value was higher than the speed of light; however, the uncertainty was great enough that the result also did not rule out speeds less than or equal to light at this high confidence level. After the detectors for the project were upgraded in 2012, MINOS corrected their initial result and found agreement with the speed of light, with the difference in the arrival times of −0.0006% (±0.0012%) between neutrinos and light. Further measurements are going to be conducted.