Эксперимент MINOS по изучению осцилляций нейтрино.
MINOS
Эксперимент MINOS по физике частиц изучал осцилляции нейтрино, подтвердив их существование. Детекторы в Иллинойсе и Миннесоте (США) помогли в исследовании.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Эксперимент по физике частиц
Particle physics experiment
Эксперимент MINOS (Main Injector Neutrino Oscillation Search – поиск нейтринных колебаний на главном инжекторе) был экспериментом по физике частиц, разработанным для изучения явления нейтринных осцилляций, впервые обнаруженного экспериментом Super Kamiokande (Super K) в 1998 году. Нейтрино, производимые пучком NuMI ("Нейтрино на главном инжекторе") в Фермилабе, расположенном недалеко от Чикаго, регистрировались двумя детекторами: один – вблизи источника пучка (ближний детектор), а другой – значительно более крупный, на расстоянии 735 км в северной Миннесоте (дальний детектор). Эксперимент MINOS начал регистрацию нейтрино из пучка NuMI в феврале 2005 года. 30 марта 2006 года коллаборация MINOS объявила, что анализ первоначальных данных, собранных в 2005 году, согласуется с нейтринными осцилляциями, а параметры осцилляций соответствуют измерениям, полученным в Super K. MINOS получил последние нейтрино из пучка NuMI в полночь 30 апреля 2012 года. Затем эксперимент был модернизирован до MINOS+, который начал сбор данных в 2013 году. Эксперимент был завершен 29 июня 2016 года, дальний детектор был демонтирован и вывезен.
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.
Детекторы
В эксперименте используются два детектора. Ближний детектор по конструкции аналогичен дальнему, но меньше по размеру и имеет массу 980 (т). Он расположен в Фермилабе, в нескольких сотнях метров от графитовой мишени, с которой взаимодействуют протоны, и примерно в 100 метрах под землей. Пуско-наладочные работы ближнего детектора были завершены в декабре 2004 года, и сейчас он полностью работоспособен. Дальний детектор имеет массу 5,4. Он находится в шахте Судан в Северной Миннесоте на глубине 716 метров. Дальний детектор полностью работоспособен с лета 2003 года и собирает данные о космических лучах и атмосферных нейтрино с самого начала строительства. Оба детектора MINOS представляют собой стальные сцинтилляционные калориметры с дискретизацией, состоящие из чередующихся плоскостей намагниченной стали и пластиковых сцинтилляторов. Магнитное поле искривляет траекторию мюона, рожденного при взаимодействии мюонного нейтрино, что позволяет различать взаимодействия с нейтрино и антинейтрино. Эта особенность детекторов MINOS позволяет MINOS проводить поиск нарушения CPT-инвариантности с использованием атмосферных нейтрино и антинейтрино.
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.
Луч нейтрино
Для создания пучка NuMI, 120-геВ-ные импульсы протонов из Главного инжектора сталкиваются с графитовой мишенью, охлаждаемой водой. В результате взаимодействия протонов с материалом мишени образуются пионы и каоны, которые фокусируются системой магнитных рогов. Нейтрино, рождающиеся при последующем распаде пионов и каонов, формируют пучок нейтрино. Большинство из них – мюонные нейтрино, с небольшим содержанием электронных нейтрино. Нейтринные взаимодействия в ближнем детекторе используются для измерения начального потока нейтрино и энергетического спектра. Поскольку они слабо взаимодействуют и, следовательно, обычно проходят сквозь вещество, подавляющее большинство нейтрино проходят через ближний детектор, 734 км горных пород, затем через дальний детектор и уходят в космическое пространство. На пути к Судану около 20% мюонных нейтрино осциллируют в другие типы.
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.
Цели и результаты физики
MINOS измеряет разницу в составе пучка нейтрино и распределении энергии в ближнем и дальнем детекторах с целью получения прецизионных измерений разности квадратов масс нейтрино и угла смешивания. Кроме того, MINOS ищет появление электронных нейтрино в дальнем детекторе и либо измеряет, либо устанавливает предел вероятности осцилляции мюонных нейтрино в электронные нейтрино. 29 июля 2006 года коллаборация MINOS опубликовала статью с первоначальными измерениями параметров осцилляций, основанными на анализе исчезновения мюонных нейтрино. Эти значения: × 10−3 эВ²/c⁴ и sin²(2θ₂₃) > 0,87 (68% уровень доверия). В 2008 году MINOS представил новые результаты, полученные на основе более чем удвоенного объема данных (3,36 × 10²⁰ протонов на мишень; включая первый набор данных). Это наиболее точное измерение Δm². Результаты: × 10−3 эВ²/c⁴ и sin²(2θ₂₃) > 0,90 (90% уровень доверия). В 2011 году эти результаты были обновлены повторно, с использованием более чем удвоенного объема данных (экспозиция 7,25 × 10²⁰ протонов на мишень) и улучшенной методологии анализа. Результаты: × 10−3 эВ²/c⁴ и sin²(2θ₂₃) > 0,90 (90% уровень доверия). В 2010 и 2011 годах MINOS опубликовал результаты, указывающие на различие в исчезновении и, следовательно, в массах между антинейтрино и нейтрино, что могло бы нарушить CPT-симметрию. Однако, после анализа дополнительных данных в 2012 году, MINOS сообщил, что эта разница исчезла и избытка больше не наблюдается. Результаты измерений космических лучей, полученные с дальнего детектора MINOS, показали сильную корреляцию между измеренными высокоэнергетическими космическими лучами и температурой стратосферы. Впервые ежедневные вариации вторичных космических лучей, зарегистрированные подземным мюонным детектором, были связаны с планетарными метеорологическими явлениями в стратосфере, такими как внезапное стратосферное потепление, а также со сменой сезонов. Дальний детектор MINOS также способен регистрировать уменьшение потока космических лучей, вызванное Солнцем и Луной.
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.
Время полета нейтрино
В 2007 году эксперимент с детекторами MINOS показал, что скорость 3 нейтрино составила 1,000051 при уровне достоверности 68%, а при уровне достоверности 99% – находилась в диапазоне от 0,999976 до 1,000126. Центральное значение превышало скорость света, однако погрешность была достаточно велика, чтобы результат не исключал также скорости, меньшие или равные скорости света, с такой же высокой степенью достоверности. После модернизации детекторов проекта в 2012 году MINOS скорректировал первоначальный результат и пришел к согласию со скоростью света, обнаружив разницу во времени прибытия −0,0006% (±0,0012%) между нейтрино и светом. В дальнейшем планируется проведение дополнительных измерений.
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.