Проекты XXI века

Эксперимент Daya Bay: при участии ученых Дубны

12 декабря в китайской провинции Гуандун состоялась церемония закрытия установки международного нейтринного эксперимента Daya Bay. Ученые переходят к окончательному анализу данных.

Международная коллаборация, занимающаяся изучением реакторных антинейтрино в эксперименте Daya Bay, закончила набор данных. Хотя формально эксперимент закрывается, коллаборация будет продолжать анализ собранных данных для повышения точности результатов. Проводившийся в одной из подземных лабораторий Китая эксперимент позволил за первые 55 дней работы собрать достаточно данных, чтобы в начале марта 2012 года объявить о важном открытии: впервые был достоверно измерен фундаментальный параметр стандартной модели - угол смешивания нейтрино ₁₃.

Экспериментальная установка, расположенная в 54 километрах к северо-востоку от Гонконга, была создана международными усилиями. Это было первое равноправное сотрудничество США и Китая в рамках крупного физического проекта. "Мы рады успеху эксперимента Daya Bay, который привел к важным научным открытиям, - сказал Ифан Ван, бывший руководитель коллаборации Daya Bay, а ныне директор Института физики высоких энергий Китайской академии наук (IHEP). - Это настоящее международное партнерство и его уроки для нас бесценны. Мы надеемся на продолжение сотрудничества и в будущих проектах".

IHEP курировал строительство экспериментальной площадки и производство половины детекторов Daya Bay, а за производство второй половины детекторов отвечали американские партнеры. Значительный вклад внесли также ученые России, Тайваня, Гонконга, Чехии и Чили.

Восемь детекторов Daya Bay регистрируют вспышки света в рабочем веществе - жидком сцинтилляторе. Световые сигналы возникают в результате взаимодействий антинейтрино с ядрами водорода - протонами. Регистрируемые антинейтрино рождаются в реакторах, расположенных поблизости АЭС Даявань и Линьао.

Антинейтринный детектор Daya Bay до заполнения:
два вложенных акриловых цилиндра, по стенке установлены 192 фотоумножителя.

В процессах ядерного деления, происходящего в реакторах АЭС в строго контролируемом режиме, рождается огромное количество антинейтрино, что делает реакторы превосходным источником этих неуловимых частиц. Нейтрино и его античастица антинейтрино беспрепятственно проходят через практически любое вещество, что затрудняет их экспериментальное обнаружение. За последние 70 лет ученые значительно продвинулись в создании детекторов, способных зарегистрировать неуловимые сигналы этих "призрачных" частиц.

"Детекторы Daya Bay работают превосходно, сверх всяких ожиданий, - отметил заместитель директора ЛЯП, руководитель нейтринной программы ОИЯИ Д.В.Наумов. - Этот успех стал ключевой составляющей нашего открытия".

В поисках угла смешивания нейтрино

Экспериментальная установка Daya Bay, расположенная в трех подземных залах на расстоянии до полутора километров от шести реакторов, была предназначена для измерения свойства нейтрино, связанного с их превращением, или осцилляциями, в нейтрино других типов: электронные, мюонные и таонные. Эксперимент Daya Bay стал первым, где был достоверно измерен угол смешивания, обозначаемый как ₁₃. Этот угол определяет вероятность превращения одного типа нейтрино в другое. По сравнению с первым измерением в 2012 года точность измерения угла ₁₃ в эксперименте Daya Bay выросла в шесть раз и является рекордной.

Один из ближних залов эксперимента Daya Bay:
два антинейтринных детектора в бассейне, заполненном водой.

Для определения ₁₃ ученые измерили число нейтрино определенного сорта, в данном случае электронных антинейтрино, рожденных в близлежащих реакторах. Затем они оценили ожидаемое число взаимодействий электронных антинейтрино, измеряемых с помощью детекторов Daya Bay на разных расстояниях от реакторов. Наконец, исследователи сравнили ожидаемое с измеренным. Был обнаружен дефицит числа взаимодействий, периодическим образом зависящий от расстояния, что впервые позволило определить угол смешивания ₁₃.

Дальний зал эксперимента Daya Bay: четыре антинейтринных детектора в бассейне в процессе заполнения водой.

Измерение этого угла, а также двух других углов смешивания в предыдущих экспериментах, помогает нам понять роль нейтрино в эволюции Вселенной, в которой материи больше, чем антиматерии. Именно поиск различия в осцилляциях нейтрино и антинейтрино может привести к пониманию причин избытка материи во Вселенной.

Участники эксперимента Daya Bay в настоящее время анализируют всю совокупность данных, полученных за девять лет проведения эксперимента. Этот анализ позволит уточнить результаты измерений свойств нейтрино, включая повышение точности определения угла ₁₃, - результат, который вряд ли удастся превзойти в ближайшие десятилетия.

Неожиданный бонус

"Научная продуктивность эксперимента Daya Bay вышла далеко за пределы наших ожиданий, - сказал соруководитель коллаборации Цзюнь Цао из IHEP. - Помимо прецизионного определения величины 13, благодаря высокому качеству экспериментальных данных Daya Bay, обнаружилась удивительная особенность и в спектре реакторных антинейтрино".

Неожиданный избыток антинейтрино - на 10% больше теоретических ожиданий при энергии антинейтрино около пяти миллионов электрон-вольт (5 МэВ) - проявился с высоким уровнем достоверности. Источник этого расхождения остается неясным и требует дальнейшего изучения.

Исследования, проведенные коллаборацией Daya Bay, указали также на вероятную причину другой особенности, так называемой "аномалии реакторных антинейтрино" - дефицита на уровне примерно 5% потока антинейтрино от реактора по сравнению с теоретическим ожиданием. Одним из возможных объяснений считалось то, что некоторые антинейтрино превращаются в гипотетический четвертый тип нейтрино, так называемое стерильное антинейтрино. Исследователи Daya Bay выяснили, что аномалия, скорее всего, возникает из-за неполноты теоретического описания рождения антинейтрино от одного из ядерных изотопов в реакторе. К такому выводу удалось прийти благодаря анализу огромного числа взаимодействий антинейтрино, накопленного коллаборацией, а также высокой точности определения энергии антинейтрино.

Кроме того, группы ученых из двух крупных экспериментов по изучению осцилляций нейтрино - Daya Bay и MINOS+ - объединенными усилиями провели еще один анализ, который с высоким уровнем достоверности исключил возможность наличия стерильных нейтрино в своих данных.

Два реактора АЭС Даявань. Фотография сделана недалеко от пункта управления эксперимента Daya Bay.

Следствия измерений

"Угол смешивания ₁₃, который, по мнению многих ученых, мог быть равен нулю, оказался, по счастью, намного больше, чем предполагалось при планировании эксперимента, - сказал Кам-Бью Лук, соруководитель коллаборации. - Это добрый знак для проводимых и будущих экспериментов, нацеленных, например, на измерение иерархии масс нейтрино".

Это также может быть полезно для экспериментов, где исследуется связь нейтрино с асимметрией материи и антиматерии во Вселенной. Физики полагают, что роль нейтрино в асимметрии состоит в нарушении фундаментального физического закона, постулирующего сохранение зарядово-пространственной четности. Это нарушение предполагает различное поведение частицы в нашем мире и ее античастицы в "зазеркалье".

Измерение ₁₃ в эксперименте Daya Bay самое точное на сегодня из трех измерений угла смешивания, связанного с осцилляциями нейтрино. Признанием успеха коллаборации Daya Bay в прецизионном измерении угла ₁₃ стало вручение ей престижной награды за прорыв в фундаментальной физике 2016 года. Сотрудники Лаборатории ядерных проблем имени В.П.Джелепова, участвующие в эксперименте Daya Bay, также были удостоены этой высокой награды".

"Практически все знания, которые человечество накопило за последние 60-70 лет в области физики частиц, за исключением знаний о темной энергии и темной материи, прекрасно описываются так называемой Стандартной моделью, - поясняет руководитель нейтринной программы ОИЯИ, Дмитрий Вадимович Наумов. - В модели есть ряд фундаментальных параметров, которые все вместе управляют нашим миром, но которые сама теория предсказать не может - их необходимо определять экспериментально. Угол ₁₃ один из таких. Важность его экспериментального определения трудно переоценить".

Дубна участвовала в эксперименте Daya Bay с самого начала и внесла важный вклад в производство и поставку специальной спектросмещающей добавки для жидкого сцинтиллятора, что позволило регистрировать вспышки света от взаимодействий антинейтрино. Дубненские физики активно участвуют и в анализе экспериментальных данных. Например, результат 2016 года был основан на анализе дубненской группы.

Сегодня, когда эксперимент подходит к концу, в коллаборации ясно осознают уникальное качество накопленных данных, которые должны сохраниться для будущих поколений. Именно дубненской группе поручены разработка и поддержка анализа данных, пригодного для использования всеми желающими. Руководить этой работой со стороны ОИЯИ будет начальник сектора реакторных антинейтрино Максим Олегович Гончар.

"Теперь, когда мы знаем, что угол ₁₃ отличен от нуля, мы разработали новые подходы к изучению иерархии масс нейтрино, в частности в эксперименте JUNO, в подготовке которого наш институт принимает активное участие. Обнаруженная нами величина угла 13 также поможет в поисках нарушения зарядово-пространственной четности в текущих и будущих экспериментах", - поясняет М.О.Гончар. Он также отметил, что существующие эксперименты по нейтринным осцилляциям, такие как T2K в Японии и NOvA в США, а также эксперименты следующего поколения, такие как проект DUNE в США и Hyper-Kamiokande в Японии, в значительной степени выиграли от высокоточного измерения угла ₁₃ в Daya Bay.

Эксперимент Daya Bay осуществлялся при поддержке Министерства науки и техники Китая, Программы по физике высокой энергии отдела науки Министерства энергетики США, Китайской академии наук, Национального фонда естественных наук, Объединенного института ядерных исследований, Российского фонда фундаментальных исследований и других финансирующих организаций. Коллаборация Daya Bay включает 237 участников из 41 научной организации Китая, США, Чешской Республики и России.

Группа научных коммуникаций Лаборатории ядерных проблем