NOvA (эксперимент)

NOvA — эксперимент по изучению осцилляций нейтрино^[1]. Начал работу в 2014 году^[2].

Как теперь известно, нейтрино с определённым лептонным числом (${\displaystyle \nu _{e}}$, ${\displaystyle \nu _{\mu }}$, и ${\displaystyle \nu _{\tau }}$) не совпадают с состояниями с определённой массой (${\displaystyle \nu _{1}}$, ${\displaystyle \nu _{2}}$ и ${\displaystyle \nu _{3}}$), а являются их суперпозицией:

${\displaystyle {\begin{pmatrix}\nu _{e}\\\nu _{\mu }\\\nu _{\tau }\end{pmatrix}}=U{\begin{pmatrix}\nu _{1}\\\nu _{2}\\\nu _{3}\end{pmatrix}}}$

где ${\displaystyle U}$ — унитарная матрица 3 х 3. Если массы состояний ${\displaystyle \nu _{1}}$, ${\displaystyle \nu _{2}}$ и ${\displaystyle \nu _{3}}$ различны (${\displaystyle m_{1}\neq m_{2}\neq m_{3}}$), то нейтрино ${\displaystyle \nu _{e}}$, ${\displaystyle \nu _{\mu }}$, и ${\displaystyle \nu _{\tau }}$, которые рождаются, например, в ядерных реакциях, не являются стационарными состояниями, а, будучи предоставлены сами себе, с течением времени превращаются друг в друга и обратно. Это явление, с математической точки зрения, аналогично биениям в системе связанных маятников и известно как осцилляции нейтрино.

Матрица преобразования ${\displaystyle U}$ зависит, в общем случае, от четырёх параметров: трех углов Эйлера ${\displaystyle \theta _{ij}}$ и фазы ${\displaystyle \delta }$:

${\displaystyle U={\begin{pmatrix}1&0&0\\0&\cos \theta _{23}&\sin \theta _{23}\\0&-\sin \theta _{23}&\cos \theta _{23}\end{pmatrix}}{\begin{pmatrix}\cos \theta _{13}&0&e^{-i\delta }\sin \theta _{13}\\0&1&0\\-e^{i\delta }\sin \theta _{13}&0&\cos \theta _{13}\\\end{pmatrix}}{\begin{pmatrix}\cos \theta _{12}&\sin \theta _{12}&0\\-\sin \theta _{12}&\cos \theta _{12}&0\\0&0&1\end{pmatrix}}}$

Неравенство фазы ${\displaystyle \delta }$ нулю или ${\displaystyle \pi }$ означает нарушение CP-инвариантности. Аналогичный параметр в матрице смешивания кварков отвечает за нарушение CP-чётности в распадах K-мезонов.

Величины ${\displaystyle \Delta m_{12}^{2}=m_{1}^{2}-m_{2}^{2}}$ и ${\displaystyle \theta _{12}}$ измерены в экспериментах с электронными нейтрино: солнечными и реакторными.

Целью эксперимента NOvA является измерение величин ${\displaystyle \delta }$, ${\displaystyle \theta _{23}}$ и ${\displaystyle \Delta m_{23}^{2}=m_{3}^{2}-m_{2}^{2}}$. Для этого наблюдаются «исчезновения» мюонного нейтрино (${\displaystyle \nu _{\mu }\to \nu _{\mu }}$) и превращения его в электронное (${\displaystyle \nu _{\mu }\to \nu _{e}}$), и аналогичные процессы с участием антинейтрино — ${\displaystyle {\tilde {\nu }}_{\mu }\to {\tilde {\nu }}_{\mu }}$, ${\displaystyle {\tilde {\nu }}_{\mu }\to {\tilde {\nu }}_{e}}$.

В эксперименте используется пучок мюонных нейтрино NuMI, создаваемый ускорителем в Fermilab, и два детектора: ближний на расстоянии 1 км от источника нейтрино и дальний на расстоянии 810 км, в штате Миннесота^[3].

Нейтринный пучок создаётся так: протоны, ускоренные до энергии 120 ГэВ, падают на графитовую мишень; при этом, среди прочего, рождаются пионы и каоны. Они фокусируются при помощи магнитного поля специальной конфигурации, а при их распаде возникают нейтрино (антинейтрино), в основном — мюонные^[4]. Как сообщают экспериментаторы, это самый мощный нейтринный пучок в мире на данный момент (2018 год)^[5].

Дальний детектор весом 14 000 т имеет размеры 15 х 15 х 60 м. Ближний детектор весит 300 т и имеет размеры 4 х 4 х 15 м^[6]. Устройство обоих детекторов одинаково — они состоят из поливинилхлоридных ячеек, заполненных жидким сцинтиллятором, а световые импульсы от них собираются специальным оптоволокном. Ближний детектор находится под землёй на глубине 100 м, а дальний — на поверхности^[3].

Из-за осцилляций состав частиц, зарегистрированных дальним детектором, должен отличаться от состава первоначального пучка: мюонных нейтрино становится меньше, и появляются электронные нейтрино, которых в нём не было.

С февраля 2014 по февраль 2017 года эксперимент проводился с нейтринным, с февраля 2017 года по настоящее время — с антинейтринным пучком. За это время накоплена статистика, соответствующая 8.85·10²⁰ столкновениям протонов с мишенью в первом и 6.91·10²⁰ во втором режиме (поскольку непосредственно измерить интенсивность нейтринного пучка невозможно, её оценивают косвенно по количеству протонов в первичном пучке)^[6].

За это время (с учётом отбора событий по разнообразным критериям, подробно описанным в оригинальных статьях) в дальнем детекторе зарегистрировано^[5]:

• мюонных нейтрино:
  • в нейтринном режиме — 113 событий (в отсутствие осцилляций ожидалось 730)
  • в антинейтринном режиме — 65 событий (без осцилляций было бы 266)
• электронных нейтрино:
  • в нейтринном режиме — 58 событий (при оценке фона 15 событий)
  • в антинейтринном режиме — 18 (при ожидании фона 5.3).

Совместный анализ данных нейтринного и антинейтринного режимов указывает^[5] на прямую иерархию масс (${\displaystyle m_{3}>m_{2}}$) на уровне достоверности ${\displaystyle 1.8\sigma }$, наиболее вероятные значения фазы ${\displaystyle \delta =0.17\pi }$, угла смешивания ${\displaystyle \sin ^{2}\theta _{23}=0.58}$ и разности масс ${\displaystyle \Delta m_{23}^{2}=2.51\cdot 10^{-3}{\text{эВ}}^{2}}$.

• FermiLab NOvA Архивная копия от 6 января 2018 на Wayback Machine
• JINR NOvA Архивная копия от 2 августа 2018 на Wayback Machine