Поиск осцилляций ν µ в ν τ с использованием пучка высокоэнергичных нейтрино из ЦЕРНа в Гран Сассо (эксперимент OPERA ) Галкин В.И. 1, Горнушкин Ю.A. 2, Матвеев В.А. 3, Ольшевский А.Г. 2, Полухина Н.Г. 4, Роганова Т.М. 1, Ряжская О.Г. 3, Царев В.А 4. (от имени коллаборации OPERA ) 29-я РККЛ, Москва, 2006 МН 05 1 Научно-исследовательский Институт Ядерной Физики им. Д.В.Скобельцына Московского Государственного Университета им. М.В.Ломоносова 2 Объединенный Институт Ядерных Исследований 3 Институт Ядерных Исследований РАН 4 Физический Институт им.П.Н.Лебедева РАН

Целью эксперимента OPERA является наблюдение осцилляций ν µ в ν τ в пучке ν µ от ускорителя ЦЕРН посредством прямой регистрации τ-лептонов в ядерной эмульсии в подземной лаборатории Гран-Сассо. Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus (OPERA) – эксперимент по прямому наблюдению осцилляций нейтрино.

Пучок мюонных нейтрино от ускорителя SPS в ЦЕРНе направляется на детектор, находящийся в 732 км в подземной лаборатории Gran Sasso.

Главный элемент детектора --- эмульсионные пластины, в которых будут исследоваться события взаимодействия нейтрино, в том числе, появление которых связано с эффектом осцилляции, впервые предложенным в[Б.Понтекорво, ЖЭТФ 34 (1958),870]. Главный элемент детектора --- эмульсионные пластины, в которых будут исследоваться события взаимодействия нейтрино, в том числе, появление которых связано с эффектом осцилляции, впервые предложенным в[Б.Понтекорво, ЖЭТФ 34 (1958),870]. Вероятность обнаружить на расстоянии L от источника энергии E определяется выражением Вероятность обнаружить на расстоянии L от источника энергии E определяется выражением где - угол смешивания, - разность квадратов масс нейтрино, L/E измеряется в км/ГэВ. K2K, MINOS, BOREXINO, ICARUS

При разработке проекта эксперимента OPERA авторы ориентировались на данные эксперимента с атмосферными нейтрино SUPERKAMIOKANDE 90% доверительный интервал

В данный момент в CERN подготовлен к пуску комплекс для получения пучка нейтрино, который в основном будет состоять из с примесью 2% и 1%. OPERA и ускорителя SPS Cоздана система временной синхронизации работы детектора OPERA и ускорителя SPS

Интенсивность нейтринного пучка в лаборатории Gran Sasso составит приблизительно на 1 падающий на мишень протон ( протонов в сутки), поперечный размер – около 800 м, средняя энергия 17 ГэВ При этом в детекторе массой 1800 т ожидается около 50 событий по каналу заряженного тока в сутки. Предполагается, что регистрация будет идти 200 дней в году. Таким образом за пять лет планируется получить ~ событий, связанных с взаимодействиями из них событий

Мишенные блоки : 31 стенки «эмульсионных кирпичей», за каждой из которых будет находиться панель из электронных детекторов – Target Tracker, которые состоят из сцинтилляционных полос:256 вертикальных и 256 горизонтальных стрипов размером 6.7 м × 2.6 см × 1 см, которые позволят указать, в каком «эмульсионном кирпиче» произошло взаимодействие. Мишенный блок имеет размеры 6.7м×6.7м×2.9м, массу 883 т и содержит «эмульсионных кирпичей». В лаборатории Gran Sasso на глубине ~ 2 км под землей сооружен детектор, состоящий из двух независимых супермодулей (мишенные блоки + мюонные спектрометры)

За каждым мишенным блоком установлен мюонный спектрометр, включающий в себя магнит, детекторы RPC (Resistive Plate Chambers) и вертикальные дрейфовые трубки

«Эмульсионный кирпич» состоит из 56 эмульсионных пластин, прослоенных 56 пластинами из низкофонового свинца толщиной 1 мм, имеет размеры и массу 8.5 кг. Будет изготовлено ~200 тысяч кирпичей. Дополнительно будут использованы Changeable Sheet - две эмульсионные пластины, которые крепятся в специальной упаковке к брику снаружи. При срабатывании электронных детекторов сначала предполагается исследовать CS, после чего, в случае обнаружения следов взаимодействия, будет исследован «эмульсионный кирпич». Эмульсии в исследуемом брике будут помечены рентгеном, после чего на поверхности брик будет разобран, эмульсии проявлены и упакованы в защитную пленку. Эмульсионные пластины (для эксперимента OPERA потребуется~ 10 миллионов), состоят из прозрачной пластиковой основы толщиной 200 мкм, на которую с двух сторон нанесены эмульсионные слои толщиной 50 мкм, покрытые тонким защитным слоем желатина. Радиус зерен эмульсии – около 0.2 мкм, плотность – 30 зерен/100 мкм. Пластины производились с использованием промышленных линий компании Fuji, что обеспечило ровную поверхность и постоянную толщину.

При обработке эмульсий планируется выделять следующие основные типы событий: Основной целью проекта OPERA является выделение событий пятого типа. Время жизни -лептона 2.9 · с. Основные каналы распада: 17.8%, 17.7%, 49.5%. Вероятности распадов равны :

При распаде образуется излом трека (kink), который при исследовании топологии события является основным признаком образовании -лептона.

Методологически распады -лептона подразделяют на «короткие» и «длинные». Короткий распад происходит в той же свинцовой пластине, в которой произошло первичное взаимодействие, длинный – в одной из последующих. В первом случае отбор события происходит по прицельному параметру (impact parameter), который должен превышать величину 5 мкм. Признаком длинного распада является угол излома трека, лежащий в пределах от 20 до 500 мрад.

Основным фоном для таонных событий являются события с образованием чармированных частиц, поскольку масса и время жизни последних имеют тот же порядок, что и у таона. Чармированные события подразделяют на три типа: с образованием мюона в точке первичного взаимодействия (77.1%), с образованием мюона при распаде чармированной частицы (19.3%), без образования мюона (3.6%). События первого типа однозначно идентифицируются. События второго типа могут быть неверно идентифицированы только если положительный заряд вторичного мюона не определен, или определен неверно (~6% событий). В последнем случае очень эффективен кинематический анализ. Всего чармированные события дают фон в ~16 событий на 10 6 взаимодействий. Фон от распада вторичных 0 эффективно подавляется кинематическим анализом (измерение изменения поперечного импульса) и составляет ~0.2 на 10 6 событий. Рассеяние первичных мюонов и вторичное взаимодействие адронов дают фон соответственно 5 и 11 на 10 6 событий. Фоновые события

Ввиду огромного объема информации обработка эмульсий эксперимента OPERA возможна лишь в автоматизированном режиме, что требует создания установок по сканированию эмульсий. В настоящее время идет наладка более 50 автоматических установок, которые будут задействованы в эксперименте OPERA. Разработано 2 основных варианта реализации этих установок: японский и европейский. Российский комплекс ПАВИКОМ имеет принцип работы, аналогичный европейскому и его также планируется использовать для обработки эмульсий в данном эксперименте.

В европейской системе на массивном столе расположен прецизионный стол и мраморная «рука». К «руке» крепится подвижная оптическая система с цифровой камерой. Исследуемая эмульсионная пластина помещается на прецизионный стол под стекло и «присасывается» вакуумным насосом. При скорости сканирования порядка 1 кадр в 10 мс, которую обеспечивает механика системы и CMOS камера, объем получаемых данных очень велик (> 500 MB/s), поэтому требуется специальное программное обеспечение для первичной обработки данных по мере их поступления (online). Комплекс программ был разработан в Университете Салерно и получил название SySal. SySal использует следующий алгоритм работы: сначала оптическая система наводится на верхний край эмульсии и начинает движение вниз с одновременным захватом изображения. В режиме online начинается обработка получаемых изображений: применение фильтров, выделение кластеров, трекинг. Когда микроскоп в процессе сканирования проходит все 40 мкм эмульсионного слоя по вертикали, произведя захват 13 кадров (каждые 3 мкм), происходит перемещение эмульсии под микроскопом в горизонтальной плоскости. В новом поле зрения вновь проводится сканирование по всем глубинам.. Таким образом SySal запускает 4 одновременных процесса: передвижение механики установки, захват изображения, первичную обработку изображения, кластеризацию и трекинг. Описанный цикл занимает ~180 мс при размере поля зрения 390 x 310мкм 2. Таким образом, скорость сканирования составит ~20 см 2 /час. SySal на выходе дает информацию о микротреках (треках в пределах одного эмульсионного слоя) и кластерах, которые эти треки составляют.

Российский комплекс ПАВИКОМ. ПАВИКОМ (Полностью АВтоматизированный Измерительный КОМплекс) действующий в ФИАНе и предназначенный для автоматического сканирования эмульсий, является единственным в России, удовлетворяющим мировым стандартам. После принятия решения об использовании ПАВИКОМа в проекте OPERA, требуется переход на более совершенную технологию CMOS Active pixel. Достоинствами CMOS технологии является низкое энергопотребление, малый размер камеры, возможность получать изображение с предварительно заданного региона матрицы,более высокое быстродействие. Быстродействие CMOS-камеры – порядка 500 кадров в секунду, у простой CCD – менее 40 кадров в секунду. На ПАВИКОМе установлена новая CMOS камера Microtron MC-1310, карта для захвата и обработки изображения Matrox Odyssey Xpro. Новая видеокамера уже смонтирована, адаптировано соответствующее программное обеспечение и сканирование трековых детекторов выполняется в высокоскоростном режиме. В настоящее время проводится адаптация пакета SySal для ПАВИКОМ. Реализация в полном объеме аппаратных средств и программного обеспечения позволит приблизить скорость сканирования ПАВИКОМа к европейскому аналогу.

В настоящее время в коллаборации OPERA работают 35 российских физиков, имеющих большой опыт работы с трековыми детекторами и анализа фотоэмульсии на российском комплексе ПАВИКОМ. Работа поддерживается грантом РФФИ Программой поддержки Международного сотрудничества Россия –Италия федерального агенства по науке РСФСР Фондом FAI

The INR team : ©can give a contribution to the definition and optimization of conditions of the brick exposition in cosmic rays flux by means of simulations; ©the data taking during the brick exposition; ©the responsibility for an assurance of the experiment with required manpower; The Skobeltsyn Institute of Nuclear Physics (SINP MSU) and the Lebedev Physical Institute (LPI) : ©can contribute in emulsion development; film scanning; ©data primary processing; ©participation in experimental work on mounting and dismounting of the chamber; ©participation in emulsion procession.

TT installation JINR team responsibilities at GS: JINR team responsibilities at GS: TT modules tests, TT walls commissioning after assembly and installation: all the 31 walls of the Super Module 1 are installed, aligned, surveyed and commissioned. TT modules tests, TT walls commissioning after assembly and installation: all the 31 walls of the Super Module 1 are installed, aligned, surveyed and commissioned. Trigger rate test to detect problematic strips Alignment and survey of TT walls by JINR physicists in GS