Горизонты научного поиска

OPERA и тау-лептоны

19-22 мая в Дубне прошло международное совещание научной коллаборации OPERA, объединяющей 140 ученых из 11 стран. Эксперимент OPERA нацелен на исследование нейтринных осцилляций, на поиск появления тау-нейтрино в пучке мюонных нейтрино в результате осцилляций.

Явление нейтринных осцилляций, то есть перехода одного типа нейтрино в другое, связано прежде всего с наличием у нейтрино ненулевой массы, что выходит за рамки Стандартной модели и поэтому представляет огромный интерес для физики частиц. Сегодня нейтринные осцилляции интенсивно изучаются в разных экспериментах по всему миру, для этого используются разные источники нейтрино (солнечные, реакторные, ускорительные, атмосферные) и разная методика их детектирования. В случае эксперимента OPERA задача осложняется тем, что зарегистрировать тау-нейтрино чрезвычайно сложно. Только в 2000 году в эксперименте DONUT в Фермилабе было обнаружено 8 случаев взаимодействия тау-нейтрино в детекторе. В случае эксперимента OPERA задача еще сложнее, так как тау-нейтрино должны появиться в результате осцилляций и на расстоянии 730 км от источника, где поток нейтрино уже становится во много раз меньше.

Первым предположил существование нейтринных осцилляций Бруно Понтекорво. Автор многих блестящих идей в области физики нейтрино, он еще в 1957 году опубликовал работу, где обсуждалась возможность переходов нейтрино в антинейтрино. В то время еще не были открыты разные типы нейтрино (электронное, мюонное, тау), поэтому были рассмотрены осцилляции нейтрино-антинейтрино, но позднее Б.Понтекорво и В.Грибов развили математический формализм, описывающий осцилляции между разными типами нейтрино. Тогда осцилляции были всего лишь научной гипотезой, которая могла объяснить некоторые научные наблюдения - например, дефицит солнечных и атмосферных нейтрино. Количество тех и других можно было рассчитать, но оказывалось, что их наблюдается значительно меньше, почти в два раза. Если в случае с солнечными нейтрино долго считали, что проблема кроется в несовершенстве солнечной модели, то для атмосферных модельные представления были проще и базировались на расчете ядерных каскадов от космических частиц, которые развиваются в атмосфере. На каждое электронное нейтрино в среднем должно быть два мюонных, а в ряде экспериментов наблюдался недостаток мюонных нейтрино. Хотя для объяснения этого дефицита предлагались и осцилляции, причина могла крыться в экспериментальных систематических погрешностях, тем более что не все детекторы наблюдали это явление.

В 1998 году эксперимент Супер-Камиоканде продемонстрировал на большой статистике зависимость количества атмосферных нейтрино от зенитного угла, что означает - и от расстояния между источником нейтрино до детектора. С этого момента осцилляции были признаны в качестве объяснения явления дефицита нейтрино, и подготовка новых экспериментов для изучения осцилляций развернулась.

Одним из особенно актуальных был вопрос, куда пропадают или во что переходят мюонные нейтрино в атмосфере и в экспериментах на ускорителях. Среди разных гипотез (переход в стерильные нейтрино, распад и т.д.) основной была все-таки модель, в которой мюонные нейтрино превращаются в тау-нейтрино. Сам факт исчезновения мюонных нейтрино в пучках на расстоянии от ускорителя был уже хорошо зафиксирован в ускорительных экспериментах, сначала К2К, а потом MINOS, но доказать переход в тау-нейтрино можно было, только экспериментально обнаружив появление этого нового типа нейтрино в пучке.

Решить эту сложную задачу должен был эксперимент OPERA, предложенный в 1998 году. В основе эксперимента лежал метод регистрации тау-нейтрино с помощью ядерной фотоэмульсии, а точнее идея так называемой "эмульсионной пузырьковой камеры" - сравнительно небольших блоков, состоящих из многих тонких слоев свинца и пленок фотоэмульсии, где достигается микронное разрешение. При взаимодействии тау-нейтрино с веществом детектора по каналу заряженного тока рождаются тау-лептоны, короткоживущие частицы с пробегом всего несколько сот микрон. В блоках детектора, где миллиметровые пластины свинца прослоены пленками фотоэмульсии, удается зарегистрировать след тау-лептона так же, как и следы частиц от его распада. Из небольших блоков можно создать детектор такой массы, чтобы даже на расстоянии 730 км от источника нейтрино можно эффективно их регистрировать. Именно этот метод был успешно применен в эксперименте DONUT, где тау-нейтрино были впервые зарегистрированы.

В 2003 году началось создание детектора - массу 1,25 килотонн обеспечивали 150 тысяч блоков из свинца и эмульсии. Эмульсию произвела японская компания Fuji (более 100 тысяч квадратных метров эмульсии, нанесенной в два тонких слоя на прозрачную пленку). Из блоков были построены 62 стенки размером около 40 м², они чередовались с трековыми детекторами, служащими для определения блока, в котором произошло взаимодействие, и составляющими так называемую трековую систему целеуказания (ТСЦ).

ОИЯИ принимал участие в подготовке эксперимента с самого начала, вместе с группами из Франции, Бельгии и Швейцарии мы работали над созданием ТСЦ. Трековые детекторы собирались из сцинтилляционных стрипов, которые были произведены в Харькове, в Институте монокристаллов, с которым ОИЯИ связывает многолетнее сотрудничество. Специалисты из ЛЯП помогли автоматизировать производство, организовать контроль качества продукции. Было сделано более 30 000 стрипов (около 60 тонн пластического сцинтиллятора), экструдированных одновременно со светоотражающим покрытием. Стрипы отправлялись в Страсбург (Франция), где интернациональный коллектив, включающий сотрудников ОИЯИ, собирал из них детектирующие модули размером 7х1,5 м². За три года собрано 500 модулей, которые потом были перевезены в Италию, в подземную лабораторию Гран Сассо, где из них были сложены 62 стенки ТСЦ. Приняв активное участие в создании детектора, сравнительно небольшая группа ОИЯИ в дальнейшем стала ответственной и за анализ информации ТСЦ, в Дубне были разработаны алгоритмы и созданы программы, с помощью которых определяется блок мишени, содержащий вершину, - основная задача электронных трековых детекторов.

OPERA - гибридный детектор: электронные детекторы регистрируют нейтринные взаимодействия в режиме реального времени и позволяют выделить вершину с точностью до блока, а "тонкий" анализ события на микронном уровне делается путем изучения трековой информации в ядерной фотоэмульсии после извлечения блока из детектора. В этом состоит большое отличие установки от большинства детекторов.

Ядерная фотоэмульсия может считаться, наверное, старейшим детектирующим методом, и в представлении большинства людей кажется устаревшей методикой экспериментальной регистрации частиц, медленной и требующей больших затрат труда для извлечения информации из эмульсии. Но это не вполне справедливо. Действительно, в прошлом в научных центрах за микроскопами сидели многочисленные лаборанты и вручную анализировали информацию. Однако несколько лет назад началось развитие автоматических методов эмульсионного анализа. Развитие вычислительной техники, цифровой киносъемки и алгоритмов распознавания изображения позволили создать автоматические сканирующие микроскопы, способные считывать всю информацию о треках в эмульсии со скоростью несколько десятков см² в час. В Японии создается система, способная сканировать информацию из эмульсии со скоростью даже в тысячу см² в час. Теперь эмульсию можно рассматривать в качестве носителя информации, содержащего "сырые" данные, а автоматические микроскопы - в качестве устройства чтения данных и создания файлов с восстановленной трековой информацией, которые уже мало чем отличаются от тех, с которыми работают в чисто электронных экспериментах.

В 2008 году начался набор данных на пучке нейтрино из ЦЕРН. Детектор был надежно скрыт от фона космических мюонов полуторакилометровым слоем скального грунта в подземной лаборатории Гран Сассо и регистрировал около сорока нейтринных событий от пучка в сутки. Эксперимент должен был продлиться пять лет и зарегистрировать из-за сложности задачи всего 5-6 тау-нейтрино. Кажется, это очень мало, но и фон при этом от всех возможных источников ожидался очень небольшим - всего около 0,23 события.

В 2012 году набор данных был закончен, детектор зарегистрировал около 17 000 взаимодействий нейтрино, для них были определены блоки мишени, содержащие вершину события, в процессе набора данных специальный робот извлекал блоки из детектора, они разбирались, ядерная фотоэмульсия была проявлена и отправлена в институты-участники эксперимента для анализа. ОИЯИ также имеет современную лабораторию для сканирования эмульсии, оборудованную двумя автоматическими микроскопами, и вместе с коллегами из других научных центров ведет поиски интересных событий и делает их анализ. На сегодняшний день большая часть материала уже обработана, найдены 4 события - кандидата в тау-нейтрино, при фоне в 0,23 события, статистическая значимость появления тау-нейтрино в пучке мюонных нейтрино в результате осцилляций составляет 4,2 стандартных отклонения, что означает вероятность наблюдения в результате статистической флуктуации фона менее 10^-5. Этот очень важный результат доказывает существование переходов двух типов нейтрино - мюонных и тау, объясняет дефицит атмосферных мюонных нейтрино.

В ближайшие два года анализ данных будет полностью завершен, детектор разобран. Однако накопленный за годы проведения эксперимента опыт будет использован в новых проектах по нейтринной физике. Части детектора OPERA уже ждут в экспериментах JUNO (Китай) и SHIP (ЦЕРН). В последнем проекте ожидается беспрецедентно интенсивный поток тау-нейтрино, и опыт эксперимента OPERA будет чрезвычайно полезен для исследования взаимодействий этой частицы.

На совещание в Дубне коллаборация OPERA собралась перед важнейшей для нас конференцией "Нейтрино-2014", которая в этот раз пройдет в Бостоне. На конференции OPERA представит доклад о последних результатах эксперимента по осцилляциям нейтрино. Участникам совещания, впервые приехавшим в Дубну, наш город запомнится хорошей погодой, обилием зелени, весенними ароматами и красочными закатами. Фотография у памятника патриарха экспериментальной нейтринной физики, автора идеи осцилляций - Бруно Понтекорво и его коллеги Венедикта Джелепова поможет сохранить приятные воспоминания.

Юрий ГОРНУШКИН,
фото Павла КОЛЕСОВА