НЕЙТРИНО И КОСМИЧЕСКИЕ ЛУЧИ: ОТ ЭКСПЕРИМЕНТОВ НА УСКОРИТЕЛЯХ К ИССЛЕДОВАНИЯМ В КОСМИЧЕСКОМ ПРОСТРАНСТВЕ РЯБОВ Владимир Алексеевич Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН

ИССЛЕДОВАНИЕ НЕЙТРИННЫХ ОСЦИЛЛЯЦИЙ В ЭКСПЕРИМЕНТАХ НА УСКОРИТЕЛЯХ

Поиск нейтринных осцилляций Задача экспериментов с дальними нейтрино – разрешить это противоречие

АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ИССЛЕДОВАНИЯ ОСЦИЛЛЯЦИЙ НЕЙТРИНО С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПУЧКОВ ОТ УСКОРИТЕЛЯ УНК-I С ЭНЕРГИЕЙ 600 ГэВ В нашей стране идеи создания пучков "дальних" нейтрино получили развитие в трудах группы ИФВЭ- ФИАН в связи с предполагавшемся сооружением ускорительно-накопительного комплекса в г. Протвино. Были проанализированы возможности исследования осцилляций с пучками "дальних" нейтрино созданными на УНК. Разработаны проекты экспериментов, включающих ближний детектор, находящийся вблизи вывода пучка нейтрино из УНК-I, и дальние детекторы, в качестве которых были предложены нейтринный телескоп NТ-200 на озере Байкал, и детектор ICARUS в лаборатории Гран-Сассо, удаленные соответственно на расстояния 4200 и 2200 км от ускорителя.

Роль проектов экспериментов по изучению осцилляций нейтрино в нейтринных пучках УНК-I Разработка проектов экспериментов по изучению осцилляций с использованием пучков нейтрино от ускорителя УНК-600 позволила не только определить основную концепцию проведения "дальнобазовых" нейтринных экспериментов, но и заложила основу создания ныне действующих и создаваемых установок, таких как MINOS, NOνA, OPERA. В этих экспериментах реализованы многие идеи, предложенные при разработке комплекса "дальних" нейтрино от УНК-600, связанные как с выбором энергии и структуры пучка, так и с оптимизацией структуры детекторов.

Обзорные статьи

ЭКСПЕРИМЕНТ MINOS Эксперимент MINOS

В 1995 г. возникло предложение о создании в подземной шахте Soudan нового детектора с полезной массой около 10 кт. Этот эксперимент получил название MINOS (Main Injector Neutrino Oscillation Search). Эффект осцилляций регистрируется путем сравнения сигналов зарегистрированных в "ближнем" детекторе, расположенном на территории FNAL и "дальнем" – находящемся на расстоянии 730 км в подземной лаборатории Соудан на глубине 713 м. Сборка дальнего детектора MINOS была завершена в июне 2003 г., а ближнего – в октябре 2004 г. Впервые пучок NuMI был выведен в декабре 2004 г. Цели и задачи

NuMI BEAMLINE MINOS EXPERIMENT

Эксперимент MINOS Нейтринные пучки

Сэндвич-калориметр весом 5,4 кт, состоит из пластин намагниченного железа, прослоенных плоскостями пластического сцинтиллятора. Калориметр разделен на два одинаковых супермодуля, каждый из которых набран из 243 железных пластин с поперечным размером 8 м и толщиной 2,54 см и такого же количества плоскостей сцинтиллятора. Обмотки электромагнитов, создающих в объеме калориметра магнитное поле напряженностью 1,5 Т. Вето- система, необходима для выделения атмосферных нейтрино. Эксперимент MINOS Дальний детектор

Эксперимент MINOS Ближний детектор Имеет полезную массу 1,0 кт и собран из 280 железных пластин с толщиной по пучку 2,54 см. Cчитывание сигналов с каждого конца пластика без мультипликации. Для съема сигналов канальных ФЭУ Hamamatsu R5900-M64. Загрузка в 10 6 раз больше, чем в дальнем детекторе – 20 событий на один мс - сброс ускорителя.

Эксперимент MINOS Результаты наблюдения осцилляций нейтрино от ускорителя Пример восстановления трека мюона космических лучей Нейтринное событие в дальнем детекторе от пучка NuMI

Эксперимент MINOS Результаты наблюдения осцилляций нейтрино от ускорителя

Эксперимент MINOS Возможности наблюдения стерильных нейтрино Взаимодействия NC не чувствительны к ν μ ν τ и ν μ ν e, но будут отражать вклады ν μ ν ster, если они существуют. Необходимо изучить выбывание потока NC-событий, измеряемое в дальнем детекторе, относительно потока, регистрируемого в ближнем. Число NC-событий будет изменяться в зависимости от вероятности

Эксперимент MINOS Реконструирован энергетический спектр NC- взаимодействий. Зарегистрировано 388 NC-событий. Ожидание в трехароматовой модели 377 ± 19,4 (стат) ± 18,5 (сист). Имеется полное согласие с гипотезой отсутствия осцилляций в стерильный аромат!

Эксперимент MINOS Измерение скорости нейтрино Для пучка нейтрино с энергией 3 ГэВ Этот результат на уровне 1.8 σ согласуется со скоростью света! Область ограничений на скорость нейтрино

Реконструирован энергетический спектр электронных нейтрино в ν e -CC взаимодействиях. Зарегистрировано 35 событий. Расчетный фон 27±5±2. Эксперимент MINOS Возможности наблюдения появления электронных нейтрино

Off-axis- эксперимент NOνA (Numi Off-axis Appearance experiment) Нацелен на изучение осцилляций ν ν e. Детектор с полезной массой 15 кт будет размещен на выходе пучка NuMI на поверхность Земли, после дальнего калориметра MINOS. Надежную регистрацию появления ν e должна обеспечить структура калориметра NOνA, в котором толщина структурного элемента в продольном направлении составляет всего 0,15 радиационных длин (что в 10 раз меньше, чем в MINOS). В калориметре NOνA 80% полезной массы составляет активный детектор – жидкий сцинтиллятор на основе минерального масла, залитый в модули сотовой конструкции. На полной длине детектора 132 м размещено 1984 взаимно- ортогональных плоскостей детектора размером 15,7× 15,7 м 2 собранных из сот. Предложение о проведении эксперимента NOνA было разработано в 2002 г.

Off-axis- эксперимент NOνA (Numi Off-axis Appearance experiment) Концепция постановки данного эксперимента, заключается в размещении детектора NOνA не на оси пучка, где интенсивность максимальна, а в стороне на расстоянии 12 км от его оси. В этом случае интенсивность пучка невелика, но спектр нейтрино становится моноэнергичным. Это следует из кинематики распадов пионов, которые в своей системе центра масс распадаются изотропно. Для малых углов между направлением распространения пиона и нейтрино, поток Φ ν и энергия нейтрино E ν, образовавшегося в двухчастичном распаде π ν, определяется в лабораторной системе координат соотношениями Нейтринный поток в направлении вперед (Θ = 0º) возрастает для пионов всех энергий. С увеличением угла Θ, связь между энергиями нейтрино и пиона выполаживается. Начиная с некоторых углов (Θ 7 мрад.), распады пионов любых энергий приводят к образованию нейтрино с одной и той же энергией.

Off-axis- эксперимент NOνA (Numi Off-axis Appearance experiment) Возможность создания моноэнергичных нейтринных пучков путем перемещения детектора с оси пучка на расстояния 5, 10 и 20 км (соответствующие углы 7, 14 и 21 мрад)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Регистрация космических лучей и нейтрино ультравысоких энергий Эксперимент ЛОРД (Лунный Орбитальный РадиоДетектор)

Важная научная задача Регистрация космических лучей и нейтрино ультравысоких энергий Информация об этих частицах важна для решения фундаментальных проблем астрофизики и физики элементарных частиц, касающихся источников и механизмов ускорения космических лучей, природы темной материи, и возможно, нарушения основополагающих принципов теории относительности.

Существующие экспериментальные данные (космические лучи) Каковы же наибольшие энергии частиц во Вселенной? Существует ли обрезание спектра космических лучей? Каковы источники частиц ультравысоких энергий?

Существующие экспериментальные данные (нейтрино) До настоящего времени нейтрино регистрировалось только от двух астрофизических источников: Солнца и сверхновой SN 1987A. Имеются серьезные основания для существования других астрофизических и космологических источников нейтрино.

Две возможные схемы генерации КЛ и нейтрино ультравысоких энергий ИСТОЧНИКИ КЛ и НЕЙТРИНО СВЕРХВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ КОСМОЛОГИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ: Топологические дефекты Сверхпроводящие струны Магнитные монополи Монополи, связанные струнами Космические петли Вортоны Реликтовые Х- частицы АСТРОФИЗИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ: Гамма всплески Активные ядра галактик Остатки сверхновых Нейтронные звезды Микроквазары "bottom-up" – сценарии "top-down"- сценарии Ускорение протонов в источнике. Поток протонов из источника описывается степенным спектром Распад или аннигиляция сверхмассивных Х – частиц. Масса Х – частиц определяет энергию КЛ:

Проблемы регистрации КЛ и нейтрино ультравысоких энергий Теоретически: большое разнообразие источников Экспериментально: редкость событий Поток КЛ при энергиях E КЛ >10 20 эВ составляет 1/км 2 /столетие. В нейтринных телескопах объемом 1 км 3 ожидается регистрация одного нейтрино раз в три года.

Проблемы регистрации КЛ и нейтрино ультравысоких энергий Необходимы детекторы с огромными объемами и площадями. В последние годы для изучения КЛ строятся гигантские наземные детекторы, располагающиеся на площади в несколько тысяч км 2. Существуют проекты по регистрации ливней от частиц ультравысоких энергий в атмосфере Земли оптическими методами со спутников. Строятся нейтринные телескопы объемом 1 км 3. Для создания детекторов очень больших масштабов традиционные методы становятся неадекватными.

Традиционные методы регистрации неадекватны при ультравысоких энергиях? Может оказаться, что апертуры установок AUGER, Telescope Array и даже EUSO будут недостаточно велики, чтобы надежно регистрировать КЛ с энергиями E>10 20 эВ (если такие существуют в Природе). Тоже самое можно сказать и о возможностях нейтринных телескопов с чувствительными объемами 1 км 3, если потоки космических нейтрино окажутся меньше, чем предсказывается в наиболее распространенных моделях.

Обзорные статьи

Радиометод регистрации космических лучей и нейтрино ультравысоких энергий При движении заряженной частицы в среде со скоростью v, превышающей фазовую скорость света в этой среде (v > с / n), возникает черенковское излучение электромагнитных волн. Поскольку процессы рождения пар и тормозного излучения в кулоновском поле атомных ядер, которые определяют развитие каскадов при высоких энергиях ливневых частиц, симметричны по зарядам, то в первом приближении ливень является электрически нейтральным. Поэтому можно ожидать, что ливень не должен излучать в радиодиапазоне. Как было впервые замечено Аскарьяном, значительное число ливневых частиц имеют энергии порядка 30 МэВ и ниже, при которых существенно не только взаимодействие с ядрами, но также взаимодействие с атомными электронами Это взаимодействие приводит к вытягиванию электронов из окружающего вещества в ливень. Возникает зарядовая асимметрия ШАЛ – избыток отрицательных зарядов в ливневом диске составляет 20 – 30%.

Преимущества радиометода при ультравысоких энергиях Важнейшим преимуществом радиометода является возможность использования очень большой длины распространения радиоволн. Как результат, можно обеспечить просмотр огромных объемов атмосферы или других прозрачных для радиоизлучения сред, и регистрировать с высокой статистической обеспеченностью редкие события при ультравысоких энергиях. Применение радиометода целесообразно при ультравысоких энергиях, поскольку мощность когерентного радиосигнала растет квадратично с энергией ливня, и при высоких энергиях мощность излучения в радиодиапазоне превосходит мощность излучения в оптической области.

Радиомассив антенн RICE в Антарктиде

Радиодетектор ANITA на аэростате, просматривающий лед Антарктиды

Эксперимент ЛОРД

Потенциал эксперимента ЛОРД

Сравнение с регистрацией нейтринных потоков в других экспериментах

Ограничения на потоки КЛ и нейтрино ультравысоких энергий

Антенная система прибора ЛОРД

Система регистрации

УНИФИЦИРОВАННАЯ ПЛАТФОРМА УНИФИЦИРОВАННАЯ ПЛАТФОРМА ДЛЯ МАЛОРАЗМЕРНЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТОВ ФГУП «НПО ИМ. С.А.ЛАВОЧКИНА» Конструкция платформы выполнена без гермоотсека. В состав бортовых систем унифицированной платформы входят все необходимые системы, обеспечивающие работу и контроль служебной и целевой аппаратуры платформы и МКА в целом: энергопитание; энергопитание; радиолиния; радиолиния; телеметрия; телеметрия; двигательная установка; двигательная установка; управление движением и навигацией; управление движением и навигацией; терморегулирование. терморегулирование. Унифицированная платформа с размещенными на ней гидразиновой ДУ коррекции орбиты и термостабилизированной сотовой панелью со служебной аппаратурой является конструктивной основой МКА Конструкция платформы позволяет устанавливать различные виды панелей солнечных батарей. Масса платформы 120 кг

Радиодетектор ЛОРД на борту космического аппарата

Выведение на орбиту Луны 2014 год !

Что дальше?

Сравнение апертур для Луны и ледяных спутников при регистрации КЛ и нейтрино

Заключение Огромный интерес к созданию грандиозных нейтринных детекторов связан с перспективой получения уникальной информации, лежащей на стыке астрофизики высоких энергий и физики частиц. Даже при энергиях, приближающихся к масштабам Великого Объединения, Вселенная в значительной мере прозрачна для нейтрино. Измерение спектров нейтрино, приходящих от источников, расположенных на границе наблюдаемой Вселенной, исключительно важны для определения предельных энергий, которые могут генерироваться в Природе. Нейтрино сверхвысоких энергий не только откроют новый канал в исследовании Вселенной, но и станут уникальным инструментом для изучения взаимодействий частиц на энергетическом масштабе, намного превосходящем энергии существующих и даже проектируемых ускорителей. Возможно, что происхождение нейтрино сверхвысоких энергий напрямую связано с проявлениями физики за пределами Стандартной Модели.