fian-inform

Switch to desktop Register Login

И все-таки они осциллируют!

Наблюдения осцилляций нейтрино в канале νμ → ντ в пучке CNGS (CERN Neutrinos to Gran Sasso) наконец-то признаны подтвержденными. Впервые удалось достоверно отделить от фона появление таонных нейтрино ντ в пучке нейтрино мюонных νμ.

 

    Осцилляции нейтрино остаются на сегодняшний день единственным эффектом физики частиц, выходящим за рамки Стандартной Модели и, в то же время, доступным для наблюдения в лабораторных условиях. В настоящее время уже найдено достоверное указание на существование осцилляций в экспериментах с атмосферными, солнечными, реакторными и ускорительными нейтрино. Однако до сих пор в ускорительных экспериментах с длинной базой не наблюдалось появления таонных нейтрино ντ в пучке нейтрино мюонных νμ.

           

    OPERA1  стал первым экспериментом по прямому наблюдению появления таонного нейтрино в пучке мюонных путем непосредственного обнаружения τ-лептона, родившегося при взаимодействии мюонного нейтрино с веществом детектора. Факт появления τ-лептона является прямым доказательством существования нейтринных осцилляций.

 

OPERA Detector

На фото: Детектор OPERA. Вид сбоку (источник: официальный сайт эксперимента OPERA)

 

    Регистрация тау-лептонов производится с помощью детектора OPERA, состоящего из двух супермодулей. Каждый супермодуль включает в себя сборку из эмульсионных кирпичей, электронные сцинтилляционные детекторы, мюонный спектрометр, позволяющий определять заряд и импульс мюонов. Успешно реализовать эксперимент по прямому наблюдению рождения тау-лептонов позволило использованное беспрецедентно большое количество ядерной фотоэмульсии, являющейся основным детектирующим элементом и обладающей лучшим в настоящее время пространственным разрешением (общая площадь использованной ядерной эмульсии примерно равна площади 8 футбольных полей).

 

 

OPERA bricks stat

OPERA bricks

            На фото: Система загрузки (модуль)
                  эмульсионных кирпичей

 

 

 

 

 

       На фото: Эмульсионный кирпич.

Один кирпич состоит из 57 пластин двойной фотоэмульсии и 56 свинцовых листов «прокладки». Размер кирпича 12.8 × 10.2 см2, толщина 7.9 см, вес – около 8 кг. Всего таких кирпичей в двух супермодулях установки – 150 тыс, а суммарная площадь их поверхности составляет 100 тыс. м2

                         (источник: официальный сайт эксперимента OPERA)

           

 

    Для сканирования эмульсий эксперимента OPERA на ПАВИКОМе2  в ФИАНе был разработан специальный программный пакет. Рассказывает один из участников проекта OPERA, старший научный сотрудник ФИАН Щедрина Татьяна Викторовна:

 

    «В настоящее время к программному обеспечению на комплексах, подобных ПАВИКОМ, предъявляются весьма жесткие требования. Это связано, в первую очередь, с необходимостью проводить измерения с максимально возможной скоростью, в режиме реального времени. Подобная возможность позволяет реализовывать сложные сканирующие системы, способные изменять свои параметры на основании только что отработанных данных, т.н. системы с обратной связью.

    Не менее важным требованием является и точная настройка измерительного оборудования. Иначе мы будем получать искажения при обработке данных и, как результат, – ложные данные эксперимента. Чтобы понять требования к точности настройки приведу лишь одно значение для оптической системы микроскопа: требуемая точность определения угла наклона для реконструируемых треков частиц на фотоэмульсионной пластике составляет единицы миллирадиан.

    И конечно отдельного внимания заслуживает система обработки изображений. В отличие от обычной фотографии, любое искажение при бинаризации изображения треков может привести к ложным научным выводам. Для отстраивания этой системы было проведено не одно тестовое сканирование, прежде чем было дано "добро"

 

    Созданная новая система для автоматической обработки ядерных фотоэмульсий позволяет обрабатывать данные в режиме безостановочного сканирования со скоростью до 40 см2/ч, при этом осуществляя восстановление треков частиц с наклоном до 45 градусов. Восстановление треков в широком диапазоне углов позволяет снизить фон в наблюдениях OPERA. А предложенный в ФИАН совершенно новый подход к обработке изображений на ПАВИКОМ, реализованный в соответствующих программных модулях, позволил довести скорость обработки одного кадра до 2 мс. Для сравнения, в стандартном программном пакете обработки данных эксперимента OPERA на полную обработку одного кадра требуется 7,3 мс.

 

PAVICOM3

На фото: Установка ПАВИКОМ-3

 

    Однако наиболее существенна разработка новых методик выделения событий, инициированных тау-лептонами. Рассказывает Татьяна Викторовна:

 

    «Одна из проблем, с которой пришлось столкнуться в ходе эксперимента OPERA – выделение событий, связанных с таонными нейтрино, из общего фонового потока. Самым опасным источником фона для наблюдения таонных событий являются СС-взаимодействия νμ с присутствием очарованных адронов. Эти фоновые события также содержат трек короткоживущей частицы и по топологии сходны с таонными. Около 95 % очарованных событий можно идентифицировать с помощью электронных детекторов. Тем не менее, оставшиеся 5 % неправильно идентифицированных очарованных событий являются основным источником (~ 80 %) фона для наблюдения взаимодействий ντ. Поэтому мы стали разрабатывать методику отделения очарованных событий от таонных

 

    Ранее исследователи международной коллаборации уже ставили вопрос об оценке возможности интерпретации результата эксперимента как инициированного исключительно фоном – т.н. «гипотеза только фона», – чтобы такие результаты можно было исключить из общей статистики наблюдений. Фиановская методика позволяет делать оценку:  насколько хорошо измеренные параметры событий-кандидатов, – предварительно классифицированные как таонные, – соответствуют характеристикам модельных событий. Такая постановка задачи позволяет повысить надежность интерпретации результатов.

    Разработанный ФИАН и НИИЯФ МГУ подход многомерной классификации событий, инициированных νμ → ντ, позволил с высокой степень достоверности утверждать, что в ходе эксперимента OPERA было получено достаточно сильное указание в пользу прямого наблюдения осцилляций нейтрино в канале νμ → ντ в поставленном эксперименте.

 

    «На сегодняшний день коллаборацией данного эксперимента официально подтверждены уже четыре таких события, хотя обработаны еще не все события-кандидаты, работа продолжается, но уже эти данные позволяют нам говорить о подтверждении гипотезы нейтринных осцилляций, высказанной еще в 50-х годах Б.М. Понтекорво. А этот результат весьма важен не только для физики элементарных частиц и Стандартной Модели, но он может открыть новую эру в исследовании микромира, истории развития Вселенной, решения некоторых проблем в физике Солнца и многое другое» – отметила в заключение Татьяна Викторовна


Е. Любченко, АНИ «ФИАН-информ»

 

_____________________________________________

1      Об эксперименте OPERA ФИАН-информ писал ранее. Также более подробную информацию можно узнать на официальных сайтах CNGS и эксперимента OPERA.         Назад к тексту

2      ПАВИКОМ (Полностью АВтоматизированный Измерительный КОМплекс) – уникальный программно-измерительный комплекс, разработанный в ФИАН и предназначенный для обработки ядерной фотоэмульсии, используемой в различных экспериментах по исследованию космических лучей, энергетических спектров потоков частиц и т.п. Главным его отличием от всех других подобных систем в мире (всего в мире существует около 40 подобных автоматизированных комплексов) и достоинством является универсальность – на автоматизированных установках комплекса обрабатываются данные, полученные с использованием не только ядерных эмульсий, но и пластиковых детекторов, и кристаллов оливинов из метеоритов. Ни одна аналогичная установка в мире не используется для решения столь широкого класса задач.

    О ПАВИКОМ мы писали ранее в сообщении «ФИАН-информ».        Назад к тексту

 

ФИАН - Информ © 2012 | All rights reserved.

Top Desktop version