Введение - ИЯИ РАН
реклама
Введение Открытие нейтринных осцилляций и, следовательно, ненулевой массы покоя нейтрино является на сегодняшний день одним из самых ярких и надежных указаний на существование новой физики за пределами Стандартной модели (СМ). Малость масс нейтрино может быть связана с существованием их партнеров – более тяжелых нейтрино, возникающих во многих расширениях СМ, что делает их поиск актуальной и важной задачей. Сотрудниками Лаборатории моделирования физических процессов при высоких энергиях в 2012 г. было продолжено исследование процесса рождения и возможности экспериментального наблюдения тяжёлого майорановского нейтрино и дополнительных калибровочных бозонов в рамках минимальной лево-правосимметричной модели (ЛПСМ) в эксперименте «Компактный мюонный соленоид» (Compact Muon Solenoid – CMS) в ЦЕРНе. Модель объясняет нарушение четности в слабых взаимодействиях и предсказывает существование дополнительных калибровочных бозонов WR и Z', а также семейства тяжелых нейтрино N майорановского типа. Распады WR и N с массами вплоть до 3,5 ТэВ и 2,3 ТэВ соответственно могут быть обнаружены на установке CMS на уровне достоверности 5 при интегральной светимости БАК порядка Lt = 30 фб-1. За последние 25 лет успехи эксперимента и теории привели к созданию СМ – современной теории элементарных частиц. Эта модель прекрасно описывает физику всех известных взаимодействий: слабых, электромагнитных и сильных во всем диапазоне энергий, достижимых на современных ускорителях. Несмотря на такой успех, модель, тем не менее, нуждается в дальнейшем расширении и обобщении. Исследование свойств нейтрино является одним из путей, которые могут привести к пониманию новой физики и, тем самым, к необходимой модификации СМ. Эти исследования в значительной мере были стимулированы недавним открытием явления нейтринных осцилляций. Эксперименты с атмосферными (SuperK в Японии), солнечными (SAGE на Баксане, SNO в Канаде и GALLEX в Италии) и реакторными (KamLand в Японии) нейтрино получили яркие и надежные указания на то, что нейтрино имеет малую массу, и, следовательно, на необходимость расширения СМ до более полной теории, включающей массу нейтрино. В рамках минимальной СМ нейтрино является строго безмассовой частицей. Наиболее привлекательными являются модели, которые содержат массивные нейтрино. Так, например, тяжелые нейтрино с массами MN > MZ возникают в теориях великого объединения, в моделях с дополнительными измерениями и моделях типа Little Higgs, a также в лево–правосимметричных моделях. Малая масса нейтрино может также генерироваться, например, с помощью механизма «see-saw». Этот механизм основан на 19 майорановской массе - в нем тяжелое майорановское нейтрино смешивается с обычным нейтрино или, другими словами, проводит очень малое время в виде легкого нейтрино. Такой механизм генерирует массы порядка Y2V2/MN, где V = 246 ГэВ, Y – юкавская константа связи, и позволяет объяснить, почему нейтрино имеет столь малую массу, существенно отличающуюся от масс заряженных лептонов. Однако в минимальной «seesaw» схеме Y 1, поэтому для генерации малых масс тяжелое нейтрино должно быть ультратяжелым, MN 1013 ГэВ, что исключает экспериментальную проверку таких моделей. Тем не менее, расширенные модели «see-saw» могут включать MN 1 ТэВ или легче, если существует скрытая симметрия, подавляющая вклад Y2V2/MN. Тяжелые нейтрино с массами порядка электрослабых могли бы рождаться на современных ускорителях, если их константы связи с фермионами и калибровочными бозонами СМ не очень малы, или, например, за счет нестандартных взаимодействий. Обычно полагается, что тяжелые нейтрино являются синглетами СМ и не имеют новых взаимодействий. С другой стороны, в моделях с расширенной калибровочной группой, например, SU(2)LSU(2)RU(1)B-L, рождение тяжелых нейтрино становится возможным за счет распадов новых калибровочных бозонов. Таким образом, поиск тяжелых нейтрино является одним из актуальных и, возможно, оптимальных путей, которые могут привести к созданию новой, более полной, теории. Эксперимент ALICE (LHC, CERN). Поиск кварк-глюонной материи при столкновении ультрарелятивистских ядер. 1. Стартовый детектор Т0 для триггерной и времяпролетной систем эксперимента ALICE, CERN Экспериментальная установка ALICE представляет собой сложный многоцелевой комплекс детекторных систем, обеспечивающий возможность всестороннего исследования процесса столкновения ядер сверхвысоких энергий. В качестве возможных сигналов проявления кварк-глюонной плазмы будут исследованы процессы рождения странных, очарованных и прелестных частиц, рождения состояний чармония и ботомония, коллективные потоки, подавление рождения струй, прямые фотоны и т.д. В этом комплексе детекторов важную роль играет стартовый время-пролетный и триггерный детектор Т0, созданный при определяющем вкладе лаборатории релятивистской ядерной физики ИЯИ РАН в коллаборации с Университетом г. Юваскюля, Финляндия, Московским инженернофизическим институтом и Российским Научным Центром «Курчатовский институт». Детектор располагается вблизи номинальной точки столкновения релятивистских ионов с двух сторон от этой точки (Т0-А и Т0-С) и 20 обеспечивает проведение измерений множественности рожденных частиц, мониторирование и определение светимости, измерение времени-пролета рожденных частиц, диагностику пучка и как триггерный детектор. С начала 2012 года функции детектора T0 невозможностью включения сцинтилляционного триггерного детектора V0 при частоте взаимодействии более 400 кГц настоящее время были расширены в связи с из-за радиационной стойкости детектора (aging effect). В Т0 детектор используется в эксперименте ALICE по следующим направлениям: - Для идентификации частиц по время-пролетному обеспечивает определение момента столкновения встречных методу (TOF). Детектор пучков с точностью ~40 пС для рр и ~30 пС для пилотных р-Pb и ~25 пC для Pb-Pb столкновений. - Генерирует 5 триггерных сигналов, основанных на определении центральности и вершины взаимодействия, обеспечивая подавление фоновых событий. - Является основным детектором для определения и мониторирования светимости на установке ALICE для рр и и р-Pb взаимодействий . - Является основным детектором для мониторирования частоты взаимодействия (IR_monitor) для рр и и р-Pb взаимодействий. - Используется для диагностики пучка и измерения фоновых событий. В 2012 году проводились сталкивающихся протонов физические и пилотных измерительные сеансы на пучках столкновений протонов с ионами свинца . T0 принимал участие (100%) во всех измерительных сеансах, проводимых экспериментом ALICE. Модернизация, устранение неполадок, поддержание работоспособности, обеспечение безаварийного процесса измерений и получения экспериментальных данных с детектора Т0 были выполнены практически полностью сотрудниками ИЯИ. Использование время-пролетной системы позволяет идентифицировать пионы, каоны и протоны при значениях поперечного импульса от 0.5 до 2,5 ГэВ/c . Первоначально данные с Т0 детектора использовались для времяпролетной системы только для событий в которых одновременно срабатывали Т0-С и Т0-А. Разработка нового алгоритма позволит использовать для анализа все данные и повысить эффективность использования данных для идентификации частиц до ~92 % /~100 % в протон-протонных и ион-ионных столкновениях. Стабильность работы детектора позволит в 2012-2015 гг. использовать его в качестве основного детектора для определения светимости и как триггерный детектор для формирования триггерных сигналов по множественности на установке ALICE. Он будет использоваться и для получения физических данных о множественности заряженных частиц при больших быстротах и о плоскости реакции. 21 2. Разработка и создание FARICH-детектора для идентификации частиц с импульсом до 15 ГэВ/с на установке ALICE, CERN. Применение разработанного в Институте ядерных исследований РАН, г. Москва FARICH-детектора с угловым разрешением 0,6 мрад расширит на установке ALICE (LHC, CERN) диапазон идентификации заряженных частиц до 10 ГэВ/с для разделения пионов и каонов и до 15 ГэВ/с для разделения каонов и протонов. Это позволит развить одно из важных направлений исследований в релятивистской физике столкновений тяжёлых ионов – выход частиц с высоким поперечным импульсом. Предложенная конструкция аэрогельного RICH-детектора использует концепцию фокусировки черенковского света, основанную на применении радиатора, состоящего из нескольких последовательно возрастающими значениями расположенных показателя слоев кремниевого преломления по SiO2-аэрогеля направлению с движения регистрируемой частицы. Прототип-2 FARICH-детектора, изготовленный в ИЯИ РАН и испытанный на пучке PS T10 в ЦЕРНе в 2012 г., состоял из следующих основных частей: - механического корпуса с тепловой и световой изоляцией; - радиатора фотонов излучения Черенкова на основе 1-, 2-, 3- или 4-слойного кремниевого (SiO2)-аэрогеля. В качестве опытных образцов для испытаний в 2012 г. применялись 2 радиатора, изготовленных в Институте катализа (СО РАН, г. Новосибирск): 4-слойный аэрогель суммарной толщиной 34 мм с показателем преломления 1,046 в слое с наибольшей плотностью (фокальная длина ≈ 20 см) и однослойный аэрогель толщиной 20 мм с показателем преломления 1,08; - фоточувствительной координатной матрицы лавинных диодов (цифровых кремниевых фото-умножителей dSiPM), разработанной фирмой Philips (Германия) специально для регистрации черенковских колец; - системы охлаждения кремниевых фото-умножителей dSiPM до температуры – 400С, позволявшей уменьшить в 20 раз скорость счёта одноэлектронного шума; - Philips-системы CMOS-электроники низкой мощности (front-end и цифровой электроники (TDC)), интегрированной в тот же чип, что и матрица лавинных диодов. 3. Изучение ультрапериферических взаимодействий ядер на SPS и установке ALICE на БАК. На основе разработанной в ИЯИ РАН в предыдущие годы модели RELDIS, описывающей фрагментацию ядер в ультрапериферических взаимодействиях, даны предсказания полных сечений одиночной и взаимной электромагнитной фрагментации ядер свинца на БАК. Для регистрации событий электромагнитной фрагментации ядер в ходе сеансов протон-протон и ядро-ядро на БАК в 2011 и 2012 гг. в эксперименте ALICE использовались детекторы Zero Degree Calorimeters (ZDCs), настроенные на регистрацию нейтронов от адронной и электромагнитной фрагментации ядер. Теоретические результаты 22 были сопоставлены с экспериментальными данными. Было отмечено хорошее согласие результатов модели и результатов измерений как для отклика ZDCs при попадании в них нейтронов от электромагнитной диссоциации, так и для абсолютных значений сечений одиночной и взаимной электромагнитной диссоциации ядер. Способ моделирования электромагнитной фрагментации ядер с использованием RELDIS нашел свое применение и в эксперименте ATLAS. В рамках сотрудничества между коллаборациями ALICE и ATLAS на БАК в ЦЕРНе для ATLAS подготовлены файлы событий электромагнитного взаимодействия ядер свинца. Проведено рабочее совещание с ALICE ZDC group, где были обсуждены результаты моделирования электромагнитной фрагментации ядер. Результаты анализа экспериментальных данных по электромагнитному взаимодействию ядер свинца на LHC приняты к публикации в Phys Rev Lett. С помощью модели RELDIS оценены сечения электромагнитных процессов при взаимодействии протонов с ядрами свинца на LHC при энергии в системе центра масс на нуклонную пару 5.02 TeV. Подготовлены предложения по анализу соответствующих данных, полученных в сентябре 2012 года. В ходе обработки ранее полученных на SPS экспериментальных данных по электромагнитной диссоциации ядер индия на различных мишенях при энергии 158 A ГэВ введены новые поправки на поглощение ядер пучка и образующихся нейтронов. Подготовлен текст статьи, который направлен в журнал «Ядерная физика». Результаты представлены на XIII Международном семинаре по электромагнитным взаимодействиям ядер. Эксперимент HADES (GSI, Германия). Исследование рождения векторных мезонов в адрон-ядерных и ядро-ядерных взаимодействиях. Эксперимент HADES (ХАДЕС) направлен на поиск сигналов восстановления киральной симметрии в столкновениях релятивистских тяжелых ионов. В настоящее время установка ХАДЕС является единственным спектрометром в мире, изучающим образование дилептонов в различных сталкивающихся системах: pp, dp, pA, AA в области энергий столкновений ~1-4 ГэВ на нуклон. Физическая программа работ на широкоапертурном магнитном спектрометре ХАДЕС направлена на поиск и исследование явлений, связанных со спонтанным нарушением киральной симметрии – фундаментальной симметрии сильных взаимодействий. При нулевой температуре и барионном химическом потенциале физический КХД-вакуум обладает двумя основными характеристиками: конфайнментом и спонтанно нарушенной киральной симметрией. Нарушение киральной симметрии определяет базовые свойства наблюдаемого мира, в частности, массовый спектр легких адронов. В столкновениях тяжелых ионов устанавливаются экстремальные температуры и плотности, при которых ожидается 23 «плавление» кирального конденсата и формирование кирально-симметричной среды. Данные эффекты могут проявиться, в частности, в изменении свойств легких векторных мезонов (сдвиг массы и изменение ширины резонансов), рожденных в ядро-ядерных столкновениях. Для корректной интерпретации данных, полученных в столкновениях тяжелых ионов, необходима также информация об элементарных нуклон-нуклонных столкновениях, которая позволит выделить эффекты, уникальные для ядерных столкновений (если такие имеют место) при энергиях столкновений ~ 1 ГэВ/нуклон. Исследования коллективных потоков частиц, начались на ХАДЕСе в 2012г. после ее существенной модернизации и использования переднего годоскопа, разработанного с участием ИЯИ РАН для измерения выходов заряженных частиц, образующихся в столкновениях ядер золота при энергии 1.24 ГэВ на нуклон. Эти исследования является теперь также одним из важных направлений на ХАДЕСе. Исследование потоков заряженных частиц, образовавшихся в столкновениях тяжелых ядер, важно для получения уравнения состояния ядерной материи посредством оценки её сжимаемости и позволяет на макроскопическом уровне поставить предел массам нейтронных звезд, что важно для понимания эволюции звезд и астрофизики в целом. Эксперимент NA61(SHINE) на ускорителе SPS в ЦЕРНе. Одной из основных задач эксперимента NA61(SHINE) сильновзаимодействующей в ЦЕРН ядерной является материи и поиск критической точки детальное исследование начала деконфаймента, т.е. поиск и исследование перехода между двумя фазами сильно взаимодействующей материи. Ряд моделей сильных взаимодействий предсказывают резкую фазовую границу (фазовый переход 1-го порядка) между адронным газом и кварк-глюонной плазмой, заканчивающуюся в критической точке. Положение критической точки на фазовой плоскости точно не известно и предсказывается разными моделями по разному. Поэтому, в эксперименте NA61(SHINE) положение критической точки на фазовой плоскости предлагается искать, сканируя эту плоскость посредством реакций с различными ядрами при энергиях налетающих ядер в диапазоне от 13 до 158 ГэВ на нуклон . Главной экспериментальной задачей в изучении фазовых переходах и поиске критической точки является измерение наблюдаемых, чувствительных к исследуемым эффектам. Такими наблюдаемыми являются множественность рождения и спектральные характеристики вторичных адронов, включая странные барионы/антибарионы, и пособытийные флуктуации некоторых физических величин, таких, как множественность, заряды, поперечные импульсы, отношения выхода странных и нестранных мезонов. Отметим, что резкое увеличение величины флуктуаций является отличительной чертой физических явлений вблизи критических областей. Поэтому, основное внимание в 24 физической программе исследований уделяется именно измерению величины флуктуации данной наблюдаемой от события к событию. В связи с важностью этого подхода, необходимо более детально остановиться на источниках экспериментально наблюдаемых флуктуаций в столкновениях тяжелых ионов. В самом общем описании, существуют два источника флуктуаций. Первый, это интересующее нас физическое явление, а именно, критическая область фазовой диаграммы, вызывающая усиление флуктуаций. Второй источник – это варьируемая геометрия столкновения тяжелых ионов, иначе говоря, переменное количество взаимодействующих нуклонов. Понятно, что второй источник флуктуаций, определяющий геометрию столкновений, никак не связан с существованием критических флуктуаций. Поэтому, эти два источника флуктуаций должны быть учтены надлежащим образом. Как правило, в экспериментах с фиксированной мишенью геометрия столкновения тяжелых ионов измеряется передним адронным калориметром, детектирующим энергию невзаимодействующих нуклонов налетающего ядра, из которой определяется число невзаимодействующих нуклонов налетающего ядра. Разница между атомным число налетающего ядра и измеренным количеством непровзаимодействовавших нуклонов и дает искомое число взаимодействующих нуклонов. Таким образом, существование переднего адронного калориметра с энергетическим разрешением, необходимым для определения числа нуклонов с точностью до одного нуклона, является необходимым условием изучения критических флуктуаций. Для эксперимента NA61 такой калориметр разработан и изготовлен в Институте ядерных исследований РАН. Основная активность группы ИЯИ РАН в данном проекте связана с созданием адронного экспериментальных калориметра данных с высокого получением разрешения конечных и участием физических в анализе результатов Дополнительные направления экспериментальных работ коллаборации NA61 на пучках SPS перечислены ниже: Исследование распределений заряженных частиц с большим поперечным импульсом в протон-протонных и протон-ядерных взаимодействиях. Наблюдение подавления выхода адронов с большим поперечным импульсом в Au+Au столкновениях (гашение струй в ядерной материи с высокой плотностью), - одно из самых важных открытий на RHIC. Исследования энергетической зависимости этого эффекта при энергиях SPS необходимы для его окончательного толкования. ЦЕРН имеет уникальные возможности для внесения ключевого вклада с помощью измерений на SPS и LHC. Измерения сечений определения выхода заряженных адронов для нейтринной физики. Для потоков нейтрино в эксперименте T2K и минимизации систематических ошибок в определение параметров смешивания в эксперименте NA61 измерены с высокой 25 точностью выходы заряженных пионов и каонов в реакции рС при энергии налетающих протонов 31 ГэВ. В настоящее время подготовлена статья с результатами анализа по выходам каонов. Измерения сечений в адрон-ядерных реакциях для физики космических лучей. Обсерватория Пьера Оже и эксперимент KASKADE анализируют широкие атмосферные ливни с целью получения информации об источниках происхождения космического излучения. В эксперименте NA61 выполнены измерения сечений образования заряженных частиц при взаимодействии пионов с ядрами углерода при энергии пионов 158 и 350 ГэВ. Эти сечения необходимы для реконструкции событий космического излучения. Результаты NA61 помогут улучшить разрешение экспериментов на космических лучах, необходимые для определения элементного состава космического излучения при высоких энергиях. Калориметр CASTOR в эксперименте CMS на LHC, ЦЕРН. Сотрудники ИЯИ РАН приняли участие в работе по настройке калибровочной системы детектора CASTOR. Кроме того, была произведена замена позиционных датчиков, с целью отслеживания перемещения детектора во время включения магнитного поля. Также выполнена работа по калибровке калориметра на LED генераторе. Были получены данные об отклике калибровочной системы на импульс света для каждого из 224 каналов при четырёх значениях напряжения и без напряжения. Эти данные будут использоваться при калибровке детектора CASTOR на пучке после его установки на CMS в январе 2013 года. Использование переднего калориметра CASTOR на Большом Адронном Коллайдере в ЦЕРНе позволяет проводить измерения выхода адронов при энергиях, соответствующих энергиям космических лучей, но при несравненно больших интенсивностях, что наиболее важно для изучения редких и необычных явлений. Достижимые энергии в протон-протонных столкновениях соответствуют 10 17 эВ в лабораторной системе, а при столкновении ядер свинца 3 10 18 эВ, что соответствует наиболее интенсивно исследуемому диапазону энергий космических лучей высоких энергий. Отличительной особенностью установки CASTOR является расположение в области больших быстрот. Одной из наиболее важных задач установки является поиск событий с аномально большой длиной свободного пробега в веществе. Для событий данного типа характерно проникновение частиц через свинцовый калориметр глубиной несколько ядерных длин, наблюдавшихся в космических лучах, в то время как для обычного адронного спектра характерно взаимодействие частиц при пробеге примерно 1.5 ядерной длины. Предполагается, что столкновения ультрарелятивистских ионов и образование сильно сжатого вещества, в котором кварки и глюоны будут находиться в состоянии деконфаймента, создадут условия, аналогичные тем, которые возникают в атмосфере при 26 столкновении высокоэнергичных частиц космических лучей и приводят к образованию экзотических событий. В эксперименте с детектором CASTOR планируется показать, что такие события ответственны за аномально большой пробег адронов в веществе. Наличие событий данного типа можно будет наблюдать в виде азимутальной асимметрии энерговыделений, а также в большой величине флуктуаций длин свободного пробега в калориметре. Установка CBM на ускорителе FAIR в GSI, Германия. Установка CBM предназначена для исследования свойств сжатой барионной материи. ИЯИ РАН отвечает в коллаборации СВМ на ускорительном комплексе FAIR за разработку и изготовление переднего адронного калориметра для определения центральности взаимодействия и угла плоскости реакции в ядро-ядерных взаимодействиях. В 2012г. подготовлен технический проект переднего адронного калориметра установки СВМ на создаваемом ускорительном комплексе FAIR в Дармштадте, Германия. В 2012г. были проведены исследования отклика полномасштабного прототипа модуля калориметра (энергетическое разрешение и линейность) на пучках пионов и протонов с импульсами в диапазоне от 1 до 6 ГэВ/с канала Т10 в ЦЕРНе. В течение 2012г. продолжалось также моделирование образования и детектирования J/ψ с помощью электромагнитного калориметра. Детектор MPD на коллайдере NICA в ОИЯИ, Дубна. Детектор MPD предназначен для исследования коллективных эффектов и ненуклонных степеней свободы в ядрах и переходных процессов в сжатой ядерной материи при столкновениях протонов и тяжёлых ионов с ядрами. Для исследования работы предложенного в ИЯИ РАН варианта адронного калориметра ZDC для регистрации спектаторов в столкновениях тяжелых ядер на коллайдере NICA с энергией в с.ц.м. порядка нескольких ГэВ изготовлен прототип калориметра. Отклик изготовленного модуля был исследован на пучке канала T10 PS в ЦЕРНе. Этот канал обеспечивал пучки пионов и протонов с импульсом в диапазоне 2 - 6 ГэВ/с. В качестве прототипа калориметра ZDC установки MPD использовались сэндвичмодули, состоящие из слоев свинца и пластического сцинтиллятора с поперечным размером 20 х 20 см2. До настоящего времени отклик таких модулей экспериментально исследовался только при энергиях протонов больше 20 ГэВ. При энергиях протонов ниже 10 ГэВ экспериментальных данных по энергетическому разрешению и линейности отклика таких модулей нет. В области энергий адронов ниже 5 ГэВ отклик калориметра должен отличаться для пионов и протонов в связи с различиями в развитии адронного ливня при этих энергиях. Таким образом, требуются дополнительные экспериментальные исследования отклика калориметра в области низких энергий протонов. Для обеспечения необходимого 27 энергетического разрешения каждый модуль собран из 60 слоев свинца с расположенными между ними сцинтилляционными пластинами. Толщина каждой свинцовой пластины составляет 16 мм, а толщина сцинтиллятора 4 мм. При таком соотношении 4:1 толщин свинца и сцинтиллятора выполняется условие так называемой компенсации, при котором вклад электромагнитной компоненты в адронный ливень равен вкладу от чисто адронной компоненты. Для детектирования света со сцинтилляторов с каждой из 10 секций продольно сегментированного модуля калориметра требуется 10 отдельных фотодетекторов на каждый модуль. В качестве фотодетекторов были выбраны кремниевые полупроводниковые микропиксельные лавинные фотодиоды, MAPD-3А, производства Zecotek Photonics Inc (Сингапур). Для идентификации пионов и протонов в пучке измерялось время пролета частицы между двумя черенковскими детекторами с кварцевыми радиаторами диаметром 20 мм. Проведенные исследования энергетического разрешения и линейности модуля калориметра показали, что предлагаемая концепция и техническая реализация на основе слоистого свинец / сцинтиллятор конструкции модуля калориметра и выбранной схемы света считывания света с помощью микропиксельных фотодетекторов обеспечивает получение необходимого энергетического разрешения и линейности отклика в диапазоне энергий ускорительного комплекса НИКА. Проведены измерения функции возбуждения выхода пионов в реакции d+Ag, d+Cu, d+W на внутреннем пучке Нуклотрона ЛФВЭ ОИЯИ при энергиях около 350 МэВ на нуклон. Эксперимент Е06-TREK (Япония) предназначен для (Япония). Планируемый эксперимент Е06-TREK, J-PARC поиска Т-нечетной поляризации мюона в распадах положительных каонов. Основной изучаемой модой является Kµ3 распад каона на положительный мюон, нейтральный пион и нейтрино. Нарушение Т-инвариантности в данном распаде требует существования компоненты поляризации мюона РТ, перпендикулярной плоскости Kµ3 распада, поскольку данная компонента меняет знак при операции обращения времени. Таким образом, эксперимент требует определения плоскости распада и величины поляризации мюона, перпендикулярной данной плоскости. Эксперимент использует модернизированную установку предыдущего эксперимента Е246, выполненного в КЕК (Япония) в 1996-2003 гг Основными элементами установки являются: дифференциальный Черенковский счетчик, идентифицирующий каоны в налетающем пучке; активная сегментированная мишень, останавливающая каоны; CsI(Tl) 28 электромагнитный калориметр, детектирующий фотоны из распада нейтральных пионов; сверхпроводящий магнитный спектрометр, состоящий из тороидального магнита и системы пропорциональных камер; поляриметр, находящийся на выходе спектрометра и регистрирующий позитроны из распада остановившихся мюонов. Сотрудниками ИЯИ РАН предлагается использование микропиксельных лавинных фотодиодов МЛФД, в CsI(Tl) калориметре эксперимента TREK. К сожалению, испытанные МЛФД МAPD-3N, имеющие необходимые для калориметрии большой динамический диапазон, не удовлетворяют требованиям по скорости счета в эксперименте TREK из-за большого времени восстановления индивидуальных пикселей. Альтернативой таким фотодиодам с большой плотностью пикселей являются МЛФД с быстрым временем восстановления. В этом случае, эквивалентное количество активных пикселей практически на порядок превышает их физическое количество, поскольку индивидуальные пиксели неоднократно регистрируют фотон и восстанавливаются в процессе высвечивания сцинтиллятора. Такие фотодиоды найдут широкое применение в электромагнитных калориметрах, в частности, в CsI(Tl) калориметре эксперимента TREK. Исследование редких распадов элементарных частиц является важной задачей как для расширения наших знаний о природе и свойствах элементарных частиц и их взаимодействий, так и для поиска новых физических явлений. В рамках исследования нарушения фундаментальных CP и T симметрий в распадах каонов проводится анализ данных эксперимента Е949 (поиск редких распадов каонов, БНЛ, США) по поиску тяжелых стерильных нейтрино с массами 140-300 МэВ. Для будущего эксперимента по прецизионному измерению вероятности распада положительного каона K+ --> + (ORKA, Фермилаб, США) проводится исследование триггерных детекторов и фотонных детекторов. В рамках изучения нейтринных осцилляций в эксперименте T2K с длинной базой на протонном ускорителе J-PARC (Япония) продолжается работа по набору и анализу данных. Работа проводится как по изучению избытка электронных нейтринных событий, так и по дефициту мюонных нейтрино в дальнем детекторе. Проводится анализ данных ближнего детектора по изучению состава и спектра нейтрино на расстоянии 280 м от нейтринной мишени, а также по измерению сечений взаимодействия нейтрино на ядрах кислорода и углерода. Для будущих ускорительных нейтринных экспериментов с короткой и длинной базой разрабатывается прототип ближнего нейтринного детектора, работающего в сильном магнитном поле и состоящего из 9000 сцинтилляционных сегментов на основе экструдированных пластиков, спектросмещающих волокон и лавинных фотодиодов. 29 На подземных сцинтилляционных детекторах ИЯИ РАН: АСД (Артемовск, Украина) и LVD (Гран Сассо, Италия) ведутся исследования в области нейтринной физики, физики космических лучей и астрофизики. Основной целью экспериментов является поиск нейтринного излучения от гравитационных коллапсов звезд в Галактике и Магеллановых облаках. Регистрация всех типов нейтрино является уникальной особенностью этих установок. По данным работы нейтринных телескопов в течение 35 лет (с 1977 г по 2012 г) получено самое сильное экспериментальное ограничение на частоту нейтринных всплесков от гравитационных коллапсов звёзд в Галактике: менее 1 события за 15.2 года на 90% уровне достоверности. С целью повышение точности идентификации типа нейтрино, излучаемых при гравитационных коллапсах звезд, в 2012 году продолжался эксперимент с добавлением NaCl в структуру детектора в качестве дополнительной мишени для увеличения эффективности регистрации нейтронов в эксперименте LVD. С использованием нейтринного пучка ЦЕРН - Гран Сассо, с короткими банчами шириной 3 нс и интервалом между ними 100 нс, измерена лучшая величина относительного отклонения скорости нейтрино от скорости света на установке LVD: -3.3⋅10-6 < (vν-c)/c < 3.5⋅10-6 (на 99% уровне достоверности). Также в ходе проекта рассчитаны эффективности регистрации нейтронов по гаммаквантам от np- и nFe- захватов в установке LVD с помощью программ Geant4 и Shield. Ключом к решению задач, предусмотренных планом работ по Байкальскому нейтринному проекту, и одной из главных целей ежегодных экспедиций на оз.Байкал является обеспечение стабильной работы Байкальского глубоководного нейтринного телескопа (БГНТ) в режиме постоянного круглогодичного набора данных и проведение испытаний новых узлов и элементов проектируемого детектора кубокилометрового масштаба НТ1000. Одним из существенных этапов этой работы стало проведение зимней экспедиции 2012 года, в течение которой удалось выполнить при работе с ледового покрова озера весьма внушительный объем работ по анализу состояния, ремонту, частичной замене и модернизации глубоководной регистрирующей и управляющей аппаратуры комплекса БГНТ. В настоящее время во всем мире обсуждаются проекты создания больших сцинтилляционных детекторов для исследования слабых нейтринных потоков природного происхождения. Известно, что потоки нейтрино природного происхождения несут информацию как об их источниках, недоступных прямому наблюдению, так и о свойствах самого нейтрино. 30 Мы рассматриваем программу исследований природных потоков антинейтрино и нейтрино низких энергий (<100–150 МэВ) с помощью большого сцинтилляционного спектрометра, который предлагается создать в Баксанской нейтринной обсерватории (БНО) ИЯИ РАН на глубине 4800 м в.э. Масса мишени спектрометра должна быть не менее 10 кт. В ряде работ была обоснована возможность использования такого детектора для рассматриваемых нами целей [1–3]. Основные направления и цели предполагаемых исследований, относящихся к нейтринной геофизике и астрофизике: 1. Изучение потока антинейтрино, излучаемого дочерними продуктами распада урана и тория (геонейтрино), содержащимися внутри Земли, и определение, таким образом, радиогенной составляющей теплового потока Земли; 2. Проверка гипотезы о протекании в центре Земли цепной реакции деления путем поиска антинейтринного потока “геореактора”; 3. Изучение динамики взрыва сверхновых путём регистрации интенсивности и спектра нейтринной вспышки; 4. Поиски изотропного потока антинейтрино, накопившихся во Вселенной за миллиарды лет при гравитационных коллапсах ядер массивных звезд и образовании нейтронных звёзд и “чёрных дыр”; 5. Регистрация совокупного потока антинейтрино от всех имеющихся на Земле промышленных ядерных реакторов. Подтверждение параметров осцилляций электронных антинейтрино; 6. Исследование спектра солнечных нейтрино. 7. Регистрация пучков мюонных и электронных нейтрино от ускорителя для поиска -фазы СР-нарушения. 8. Поиск стерильных нейтрино при помощи искусственных источников нейтрино. Исследование природных потоков нейтрино давно привлекает к себе пристальное внимание. Реальное их измерение ограничивалось тем, что собственный фон детектора обычно значительно превышал исследуемые потоки. После начала работы сцинтилляционного детектора KamLand в Японии [4] и затем BOREXINO в Италии [5] стало ясно, что произошел качественный скачок в экспериментальной физике нейтрино низких энергий. Собственный фон детектора удалось уменьшить в сотни, а то и тысячи раз. При низком фоне можно одновременно мерить несколько потоков, разделяя их энергетическими и временными окнами. Таким образом, детектор большого объема, заполненный жидким сцинтиллятором, является многоцелевым прибором. Кроме внутреннего фона детектора, обусловленного естественной радиоактивностью, 31 существует фон, обусловленный космическими лучами. Поэтому детекторы, предназначенные для измерения малых нейтринных потоков, располагают глубоко под землей. В настоящее время в мировом сообществе активно обсуждается проблема регистрации геонейтрино. Это связано с тем, что нет других методов исследования внутренних частей Земли, кроме нейтринных потоков. Акустические методы дают информацию только о распределении плотности внутри Земли [6], а регистрация нейтрино может дать информацию о распределении радиоактивных элементов во внутренних слоях и подтвердить или уточнить различные гипотезы о формировании планет и поведении элементов при больших давлениях и температурах. Также оценка потока геонейтрино может уточнить вклад в общее тепловыделение Земли радиогенных источников. Полный тепловой поток Земли оценивается сегодня в 44±1 ТВт. А расчетное значение потока, образованного радиоактивными изотопами, дает около половины этого значения. Тесно связана с геонейтрино и гипотеза о существовании в центре или на стыке ядра и мантии природного ядерного реактора [7]. Эта гипотеза дает возможность объяснить недостающее количество тепла, источник магнитного поля Земли и периодическую смену магнитных полюсов Земли. К настоящему времени измерениями детекторов BOREXINO и KamLand было поставлено ограничение на мощность гипотетического реактора в центре Земли Wgr < 3 ТВт. Предлагаемый детектор позволит за несколько лет измерений подтвердить или опровергнуть эту гипотезу. Проектирование и создание подобного детектора в Баксанской нейтринной обсерватории будет являться неотъемлемым звеном всемирной проектируемой в настоящее время мировой сети подобных детекторов. Другой фундаментальной задачей является регистрация нейтрино от вспышки сверхновой и фона от предыдущих коллапсов за всю историю существования Вселенной. Регистрация этого фона позволит оценить частоту вспышек сверхновых и определить количество скрытой для прямого наблюдения материи. В 1987 году на Земле была зарегистрирована вспышка сверхновой, которая получила название SN1987А. Вспышка произошла в Большом Магеллановом облаке и расстояние до нее составляло ~50 кпс. Нейтринное излучение было зарегистрировано четырьмя работавшими в тот момент установками: Kamiokande, IMB, LSD и БНПТ (Баксанский нейтринный подземный телескоп). Суммарная статистика этого события составляет всего 24 импульса, зарегистрированных в течение короткого времени во всех установках. Подробный анализ этого события был дан в ряде работ, см., например, [8, 9]. Сейчас в мире работает несколько установок, входящих в мировую сеть слежения за вспышками сверхновых. Каждая из них имеет свои достоинства и недостатки. 32 Предлагаемый детектор дает гораздо бóльшие возможности в регистрации потоков от сверхновых. По нашим оценкам в таком детекторе при аналогичной SN1987А вспышке было бы зарегистрировано около 200 событий. А при расстояниях до 10 кпс можно проводить и спектральный анализ, который дает возможность определить иерархию нейтринных масс и уточнить параметры осцилляций [3]. Так, при расстоянии 10 кпс до вспышки детектор с массой 10 кт сможет зарегистрировать около 3000 антинейтринных событий за короткое время. Кроме того, предлагаемый детектор сможет регистрировать и другие нейтринные реакции (взаимодействие нейтрино с ядрами углерода и рассеяние нейтрино на электронах и углероде), что существенно увеличивает надежность результатов. Детектор сможет регистрировать и нейтрино от Солнца, если будет достигнута высокая радиационная чистота сцинтиллятора (не хуже, чем у детектора BOREXINO [5] ~1018 г/г). Для регистрации будет использоваться реакция рассеяния нейтрино на электронах. При массе мишени в 20 раз больше, чем у детектора BOREXINO может быть достигнута большая точность при регистрации нейтрино от 7Ве и цикла CNO. В последнее время бурно обсуждается возможность существования стерильных нейтрино. В связи с этим возникло множество проектов, предлагающих методы их поиска. Одним из таких методов является исследование нейтринного излучения от искусственных нейтринных источников, расположенных вблизи больших сцинтилляционных детекторов типа KamLANDa или BOREXINO. Продемонстрирована стабильность характеристик в течение 1 года. Работы по теме «Первичные чёрные дыры в ранней Вселенной и космологические следствия их рождения» имеют целью теоретическое исследование тех сценариев космологического расширения ранней Вселенной, которые предсказывают рождение достаточно больших концентраций первичных чёрных дыр (ПЧД). На характеристики таких космологических сценариев можно получить существенные ограничения, на основе астрофизических данных по поискам ПЧД, что и является главной целью исследования. Тема «Фотоядерные взаимодействия лептонов при сверхвысоких энергиях» связана с физикой космических лучей: мюоны очень высоких энергий, рождающиеся при прохождении космических лучей через атмосферу, тратят часть энергии на такие взаимодействия (неэлектромагнитные), которые не описываются методами теории возмущений квантовой хромодинамики (КХД). В работе по этой теме показывается, что такие взаимодействия можно описывать в рамках двухкомпонентной схемы (модель векторной доминантности плюс КХД). Для выполнения проекта (НЕСТОР-САДКО-РАМАНД-РАМХАНД-МЛФД), целью которого является развитие новых экспериментальных методов нейтринной астрономии 33 (астрофизики) сверхвысоких энергий и проведение прикладных исследований, :в 2010 – 2011 г.г. была создана коллаборация российских институтов – ИЯИ РАН (ведущая организация), Атлантическое отделение Института океанологии РАН, Институт прикладной физики РАН, ФИАН, К участию в проекте были также привлечены ученые Арктического и Антарктического НИИ и Российской антарктической экспедиции (С.Петербург), МГУ, ОИЯИ (Дубна). В 2011 – 2012 г.г. участники проекта разработали программу создания и применения новых оптических, гидроакустических, радио-физических детекторов и зондов для исследований, необходимых для разработки альтернативных детекторов космических нейтрино, а также для прикладных исследований - мониторинга состояний водной и ледовой сред на полигонах в Средиземном море и в Антарктиде [1-3]. 1) Глубоководные детекторы и зонды. Так для глубоководных исследований, связанных с созданием крупномасштабного глубоководного нейтринного телескопа в Средиземном море (KM3 NeT), и для мониторинга гидросферы (ядерно-физических, гидроакустических и гидрографиических измерений параметров водной среды) были предложены следующие новые разработки и новая техника [1]: - Универсальный комплекс (АО ИО РАН) с использованием бескабельных зондов для проведения океанологических исследований в районе глубоководных оптических и гидроакустических экспериментов в Средиземном море; - Гидроакустическая донная антенна (ИПФ РАН) на основе цифровых гидрофонов со встроенными микропроцессорами для приема и выделения слабых сигналов; - Погружной сцинтилляционный спектрометр (ИСПМ РАН) для определения состава и измерения концентрации растворенных в морской воде радионуклидов (радий, радон и др.). 2) Радиоволновой метод детектирования нейтрино в Антарктиде [2]: Выполнен обзор экспериментов в Антарктиде по поиску радио импульсов от электронно-фотонных каскадов, производимых космическими нейтрино сверхвысоких энергий в Антарктическом льду. Совместно с американскими коллегами предложена альтернативная возможность для радио волнового детектирования нейтрино в Антарктиде, а именно использовать для размещения антенн привязные аэростаты на высотах 1-2 км над ледовой поверхностью. 3) Радиоастрономический метод детектирования нейтрино [3]: Разработан 16-элементный антенный модуль, который является экспериментальным прототипом базового модуля не только для нового радиоастрономического детектора 34 нейтрино экстремально высоких энергий, но и прототипом модуля радиотелескопа метровых волн нового поколения, использующего новейшие достижения компьютерных технологий (ПРАО ФИАН). 4) Разработка и создание действующих макетов координатно-чувствительных (матричных) детекторов элементарных частиц на основе новейших мультипиксельных лавинных фотодиодов – МЛФД (совместно с ОИЯИ) [4,5]. За последние годы изучение электромагнитных взаимодействий ядер в ведущих научных центрах США, Японии, Германии и других стран характеризовалось существенным расширением тематики исследований и применением новых методов. Это включало в себя прецизионное измерение амплитуд фоторождения мезонов на свободных и связанных нуклонах, изучение спиновых структурных функций и формфакторов нуклонов, исследование коллективных возбуждений ядер (гигантских резонансов), фото – и электроделения ядер. Эксперименты выполнялись на пучках реальных и виртуальных фотонов, релятивистских ионов и фемтосекундных лазеров с большой импульсной мощностью. На этой основе развивались прикладные исследования с использованием фотоядерных методов для создания систем безопасности, детектирования взрывчатых веществ и делящихся материалов, медицинской диагностики и др. В настоящем отчете приведены результаты исследований, выполненных в лаборатории фотоядерных реакции ИЯИ РАН в рамках указанной тематики. 35
