Эксперимент DONUT: Первое наблюдение тау-нейтрино в Фермилабе
DONUT
Эксперимент DONUT в Fermilab: открытие тау-нейтрино, подтверждение Стандартной модели! Измерение магнитного момента и сечения взаимодействия. Физика частиц.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Эксперимент в Фермилабе
Эксперимент DONUT
Experiment at Fermilab
the Fermilab experiment
DONUT (Прямое наблюдение нейтрино тау, E872) — это эксперимент, проведенный в Фермилабе и посвященный поиску взаимодействий нейтрино тау. Детектор работал несколько месяцев летом 1997 года и успешно зарегистрировал нейтрино тау, подтвердив существование последнего лептона, предсказанного Стандартной моделью. Данные, полученные в ходе эксперимента, также были использованы для установления верхнего предела магнитного момента нейтрино тау и измерения его сечения взаимодействия.
DONUT (Direct observation of the nu tau, E872) was an experiment at Fermilab dedicated to the search for tau neutrino interactions. The detector operated during a few months in the summer of 1997, and successfully detected the tau neutrino. It confirmed the existence of the last lepton predicted by the Standard Model. The data from the experiment was also used to put an upper limit on the tau neutrino magnetic moment and measure its interaction cross section.
Принцип
В DONUT протоны, ускоренные Теватроном, использовались для получения тау-нейтрино посредством распада очарованных мезонов. После устранения максимально возможного количества нежелательных фоновых частиц с помощью системы магнитов и массивных материалов (в основном железа и бетона), пучок проходил через несколько листов ядерной эмульсии. В очень редких случаях одно из нейтрино взаимодействовало в детекторе, порождая электрически заряженные частицы, которые оставляли видимые треки в эмульсии и могли быть зарегистрированы электронным способом системой сцинтилляторов и дрейфовых камер. На основе электронной информации выявлялись и отбирались возможные взаимодействия нейтрино для дальнейшего анализа. Это подразумевало фотографическую проявку эмульсионных листов, чтобы следы, оставленные проходящими через них частицами, проявлялись в виде маленьких черных точек. Соединяя эти точки на последовательных листах, реконструировалась траектория каждой частицы и идентифицировались вероятные взаимодействия нейтрино. Характерной особенностью взаимодействий нейтрино было внезапное появление нескольких треков, не имеющих предшествующих. Тау-нейтрино идентифицировалось по одному из этих треков, демонстрирующему "излом" через несколько миллиметров, что указывало на распад тау-лептона.
In DONUT, protons accelerated by the Tevatron were used to produce tau neutrinos via decay of charmed mesons. After eliminating as many unwanted background particles as possible by a system of magnets and bulk matter (mostly iron and concrete), the beam passed through several sheets of nuclear emulsion. In very rare cases one of the neutrinos would interact in the detector, producing electrically charged particles which left visible tracks in the emulsion and could be electronically registered by a system of scintillators and drift chambers. Using the electronic information, possible neutrino interactions were identified and selected for further analysis. This meant photographically developing the emulsion sheets so any traces left by particles passing through them would show up as a small black dot. By connecting these dots across subsequent sheets, the path that each particle had taken was reconstructed and likely neutrino interactions identified. The characteristic properties of neutrino interactions were that several tracks suddenly appeared without any leading up to them. The tau neutrino was identified by one of those tracks showing a "kink" after a few millimeters, indicating decay of a tau lepton.
Результат
В июле 2000 года коллаборация DONUT объявила о первом наблюдении взаимодействий тау-нейтрино. Этот результат был основан лишь на четырех событиях, однако сигнал значительно превышал ожидаемый фон (0,34±0,05 событий) и имел p-значение 4×10⁻⁶, что соответствует примерно 3,5 сигмам. Это ниже общепринятого уровня доказательности, но было принято, поскольку существование частицы предполагалось. Окончательный отчёт за 2008 год идентифицировал 9 событий с тау-нейтрино из общей выборки в 578 событий с нейтрино. Значимость этого открытия заключается в том, что тау-нейтрино до этого момента оставалось единственной частицей Стандартной модели, не наблюдавшейся напрямую, за исключением бозона Хиггса. Помимо самого результата, DONUT позволила подтвердить новые методы детектирования высокоэнергетических нейтрино, в частности, эмульсионную облачную камеру, в которой слои ядерной эмульсии чередуются со слоями железа, что увеличивает количество взаимодействий.
In July 2000, the DONUT collaboration announced the first observation of tau neutrino interactions. This result was based on only four events, but the signal was far in excess of the expected background (0.34±0.05 events), and has a p value of 4×10, around 3.5 sigma. This falls below the normal standard of proof, but was generally accepted because the particle was expected to be there. The final report of 2008 identifies 9 tau neutrino events from a total sample of 578 neutrino events. Its significance lies in the fact that the tau neutrino had so far remained the only particle of the Standard Model that had not been directly observed except for the Higgs boson. Other than the result itself, DONUT also allowed validation of new techniques for high energy neutrino detection, notably the Emulsion Cloud Chamber, in which nuclear emulsion sheets are interspersed with layers of iron, leading to an increase in the number of interactions.