Введение к работе
Актуальность темы диссертации
Важность изучения конечных адронных состояний обусловлена, с
одной стороны, неоднозначностью теоретического описания процессов
глубоконеупругого лептон-нуклонного взаимодействия при малых
значениях Q2, в особенности, с образованием странных и очарованных
частиц. С другой стороны, экспериментальные данные в области сравнительно низких энергий нейтрино („ =10 ГэВ) крайне малочисленны. Полученные в диссертации результаты дополняют банк экспериментальных данных по сечениям взаимодействия нейтрино, включая сечения образования странных и очарованных частиц при низких энергиях, и определяют пределы применимости различных феноменологических моделей, описывающих глубоконеупругие процессы.
Измерение массы нейтрино - величины, которая определяет не только свойства слабых взаимодействий, но и картину эволюции Вселенной, является одной из наиболее фундаментальных задач физики элементарных частиц и космологии. Попытки определить массу нейтрино предпринимались во многих экспериментах, однако проблема до сих пор остается нерешенной. Прогресс в достижении чувствительности к массе нейтрино на уровне т„ =10_1эВ, связан, в первую очередь, с осцилляционными экспериментами, использующими пучки "дальних" нейтрино и новое поколение детекторов с большими чувствительными объемами. В этих экспериментах возможно детально исследовать области значений параметров осцилляции, предсказываемых экспериментами по изучению осцилляции атмосферных нейтрино (в частности, проверить результаты группы SuperKamiokande, свидетельствующие об открытии v^—»vr осцилляции с параметрами
Дліц=3-10"3, sin22023=l). В экспериментах с пучками "дальних" нейтрино увеличение чувствительности к параметрам осцилляции и, в частности, к массе нейтрино, достигается за счет большой длины пролета нейтрино (сотни километров) и возможности изменения энергии нейтринного пучка.
Цели работы
1. Комплексный анализ нейтрино-ядерных взаимодействий, зарегистрированных па спектрометре СКИФ в нейтринном пучке Серпуховского ускорителя при энергиях Ev =3-30 ГэВ, включающий в себя:
- изучение инклюзивных спектров и средних множественностей
конечных адронных состояний;
— исследование процессов образования и распада странных и
очарованных частиц.
2. Проведение цикла методических исследований в рамках подготовки
ускорительных экспериментов по поиску нейтринных осцилляции,
использующих пучки "дальних" нейтрино. Исследования включают в себя:
разработку комплекса для создания пучков "дальних" нейтрино от ускорителя УНК-600 и изучение возможности их формирования в направлении детектора ICARUS и Байкальского нейтринного телескопа;
разработку способов синхронизации момента вывода протонного пучка из ускорителя с моментом регистрации нейтринного события удалёнными на несколько тысяч километров детекторами;
оптимизацию структуры калориметров MINOS, регистрирующих взаимодействия от нейтринного пучка NuMI ускорителя FNAL;
разработку, оптимизацию, создание и калибровку в тестовых пучках Серпуховского ускорителя модулей фотоэмульсионного детектора;
- разработку методов повышения энергетического разрешения в
калориметрических нейтринных детекторах;
- изучение допустимых для измерений в ускорительных экспериментах
областей параметров осцилляции при разных методах детектирования.
3. Создание и калибровка базовых элементов ближнего и дальнего
калориметров MINOS, участие в нейтринных сеансах ускорителя FNAL, а
также в обработке статистики взаимодействий ускорительных и
атмосферных нейтрино с целью определения параметров осцилляции.!
Научная новизна работы
-
Дополнен мировой банк данных измерения сечений процессов нейтрино-ядерных взаимодействий в области энергий Ev =3-30 ГэВ, включая сечения образования странных и очарованных частиц, а также сечения процессов дифракционной диссоциации.
-
Развито направление исследования нейтринных осцилляции в ускорительных экспериментах с использованием пучков "дальних" нейтрино. Проработаны возможности проведения экспериментов нового поколения, использующих пучки "дальних" нейтрино от ускорителей УНК-600 и FNAL, и детекторы с большими чувствительными массами (ICARUS, Байкальский нейтринный телескоп, калориметры и фотоэмульсионный детектор эксперимента MINOS, "off-axis" эксперимент NOv А).
-
В эксперименте MINOS получены новые данные, свидетельствующие о существовании осцилляции атмосферных и "дальних" нейтрино.
-
На базе спектрометра СКИФ и нейтринного пучка ускорителя У-70 впервые поставлен эксперимент, имитирующий большие пролетные расстояния нейтрино, в котором использована бескабельная синхронизации системы вывода протонного пучка ускорителя и удаленного детектора.
-
Получены новые данные о развитии электронно-фотонных ливней в фотоэмульсионной мишени, прослоенной свинцовым поглотителем, необходимые для выделения реакций vr + N->е + Х в экспериментах по поиску нейтринных осцилляции OPERA и MINOS.
6. Предложены новые кинематические методы выделения в
калориметрических детекторах реакций v, + N —> т + X из фона обычных СС-
взаимодействий v^+N -» ц + Х при энергиях, соответствующих энергиям
пучков "дальних" нейтрино ускорителей CERN и FNAL.
7. Предложен новый метод повышения энергетического разрешения в
нейтринных калориметрических детекторах, использующих поглотители с
большими атомными весами.
Практическая ценность работы
-
Проведена систематическая проверка предсказаний кварк-партонной модели и ее модификаций, касающихся глубоконеупругих процессов множественного образования адронов в нейтринных взаимодействиях при малых значениях Q1. Полученные результаты подтверждают универсальность характеристик конечных адронных состояний, что является следствием единого струйного механизма рождения адронов.
-
Полученные значения сечений образования странных и очарованных частиц в нейтринных взаимодействиях восполняют недостаток экспериментальных данных в области порога их рождения.
-
Проведенные исследования в рамках подготовки экспериментов по поиску нейтринных осцилляции показали, что с использованием пучков "дальних" нейтрино и нового поколения детекторов с большими чувствительными объёмами можно определить массу нейтрино вплоть до значений т„ - 1(Г2эй.
4. Результаты эксперимента по имитации больших пролетных
расстояний, показали необходимость использования в осцилляционных
экспериментах с пучками "дальних" нейтрино временной привязки
нейтринного взаимодействия к моменту вывода пучка из ускорителя.
5. Первые результаты эксперимента MINOS подтвердили существование
осцилляции атмосферных и "дальних" нейтрино с параметрами,
соответствующими измерениям экспериментов SuperKamiokande и К2К.
-
Проведенные калибровки элементов фотоэмульсионного детектора, разработанного для исследований появления vr и v, в пучке vM, показали возможность создания секционированного свинцово-эмульсионного детектора с полезной массой до 1000 т, из которой масса фотоэмульсии составляет 100 т, что не имеет аналогов в экспериментальной физике.
-
Калибровки детектора нового типа - ионизационно-нейтронного
калориметра в адронных и электронных пучках ускорителя У-70 показали,
что наряду с ионизационным сигналом, использование информации о числе
испарительных нейтронов существенно улучшает энергетическое
разрешение калориметрических детекторов при регистрации ливней от
нейтринных событий, а также позволяет осуществить эффективное
разделение событий нейтрального и заряженного токов.
і
Научные публикации j
По материалам, представленным в диссертации, опубликовано 58 научных работ в виде обзоров в журналах Успехи Физических Наук [1] И Физика Элементарных Частиц и Атомного Ядра [2], статей В журналах." Phys.Rev.D [4], Журнал Экспериментальной и Теоретической Физики [19, 22, 23], Журнал Технической Физики [32], Письма в Журнал Технической Физики [47, 55, 56], Ядерная Физика [20, 30], Доклады Академии Наук [54], Приборы и Техника Эксперимента [8, 11, 13, 15, 31,48], Nuclear Tracks and Radiation Measurements [10], IEEE Trans. Nucl. Sci. [38], Краткие сообщения no физике ФИАН [18, 21, 24, 58]; в виде препринтов ФИАН [6, 7, 16, 17], ИФВЭ [25, 27, 29], ИТЭФ [14] , FNAL - NuMI [3, 5, 33, 34, 35, 36, 37, 49], CERN - INFN [50, 51, 52, 53], ICRR University of Tokyo [57], а также в материалах конференций [9, 26, 28, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46]. Получено авторское свидетельство на изобретение [12]. Полный перечень работ автора диссертации составляет 92 печатных издания. 8
Апробация работы
Основные результаты диссертации представлялись и докладывались автором на Международных конференциях по трековым детекторам в Одессе (1989 и 1991 гг.) [9, 10]; на Международных симпозиумах по осцилляциям дальних нейтрино в FNAL, Батавия, США (1999, 2002) [37, 38]; на Международном рабочем совещании УНК-600 в Протвино (1994) [26, 28]; на научных семинарах ФИАН, ИФВЭ, ИЯИ РАН, а также рабочих совещаниях коллабораций Е-128 (СКИФ) , Р-875 (MINOS), Р- 929 (NOvA) и ICARUS &NOE.
Вклад автора
Содержание диссертации отражает основные исследования, проведенные в рамках коллабораций СКИФ и MINOS, в которых степень участия автора была одной из определяющих.
Автор принимал участие на всех этапах эксперимента на спектрометре СКИФ: в создании аппаратурного комплекса, наладке и калибровке трековых детекторов, проведении облучения в нейтринном пучке Серпуховского ускорителя. Автор координировал работу экспериментальных групп на стадии обработки данных. Анализ данных о сечениях образования странных и очарованных частиц в нейтрино-ядерных взаимодействиях при энергиях Е,. =3-30/ай, а также поведении средних мпожественностей и инклюзивных спектров адронов, был выполнен непосредственно автором.
Цикл методических исследований, связанных с проведением экспериментов по поиску нейтринных осцилляции в пучках "дальних" нейтрино от ускорителя УНК-600, был выполнен при определяющем участии автора диссертации. Эти исследования нашли воплощение в виде ряда предложенных автором идей, которые были реализованы- коллаборацией MINOS при подготовке и проведении эксперимента. В части детекторной техники, эти идеи связаны с уменьшением гранулярности калориметров, необходимостью создания вето-системы на дальнем детекторе и необходимостью увеличением числа каналов регистрации ближнего детектора. В эксперименте MINOS реализована система временной привязки момента вывода пучка из ускорителя с моментом регистрации нейтринного
события в дальнем детекторе. Аналогичная система была впервые создана и успешно испытана автором на базе Серпуховского ускорителя У-70 задолго до эксперимента MINOS. В части эффективности поиска нейтринных осцилляции предложения автора были реализованы в виде создания нейтринного пучка низких энергий, не предусмотренного в первоначальном проекте. При анализе данных эксперимента используются разработанные автором новые кинематические методы анализа, увеличивающие эффективность выделения взаимодействий v, и vT в пучке v^.
Автор был среди инициаторов дальнейшей модернизации эксперимента
MINOS. Два предложения - о создании фотоэмульсионного детектора,
нацеленного на изучение взаимодействий і/, и "off-axis"— эксперимента
NO у А, ориентированного на регистрацию появления v,, были разработаны
при определяющем участии автора. Оптимизация структуры и калибровка
модулей фотоэмульсионного детектора в тестовых пучках Серпуховского
ускорителя были выполнены непосредственно автором. Идеи постановки
фотоэмульсионного эксперимента в настоящее время реализуются в
эксперименте OPERA. Новый "off-axis"- эксперимент NOvA в настоящее
время активно развивается. Автор диссертации является ответственным
физиком-экспериментатором от ФИАН за проведение экспериментов MINOS
и NOv А , а также членом Международного координационного совета NuMI
FNAL (International Board MINOS & NOv A Collaboration). : ;
При создании нейтринных калориметров очень большой массы
становится крайне важной разработка новых методов увеличения
энергетического разрешения. Одним из таких методов является регистрация
выхода испарительных нейтронов (наряду с измерением амплитуды
ионизационного отклика). Эта методика успешно проверена автором в
измерениях, проведенных в пучках электронов и адронов Серпуховского
ускорителя. :;
Основные результаты, представленные к защите \
1. Обработка банка данных, полученного в эксперименте на спектрометре СКИФ, проводившемся в течение 8 лет (1986 - 19931гг.) в нейтринном пучке Серпуховского ускорителя. 10
2. Изучение инклюзивных спектров и средних множественностей
конечных адроныых состояний, а также сечений процессов нейтрино-
ядерных взаимодействий при энергиях Я„ =3-30 ГэВ.
3. Исследование образования и распада странных и очарованных частиц
в нейтринных реакциях при энергиях Е„ = 3 - 30 ГэВ.
4. Разработка элементов комплекса "дальних" нейтрино ускорителя
УНК на энергию 600 ГэВ и. методики формирования пучков дальних
нейтрино в направлении детектора ICARUS (Ґран-Сассо, Италия) и
Байкальского нейтринного телескопа.
5. Решите задачи бескабельной синхронизации момента сброса пучка
ускорителя с моментом его регистрации удаленным детектором нейтрино.
6. Оптимизация структуры калориметров эксперимента MINOS,
использование новых кинематических методов анализа мод осцилляции,
определение областей параметров осцилляции, ожидаемых в эксперименте
MINOS при различных методах регистрации.
-
Сборка, тестирование и калибровка ближнего и дальнего детекторов в эксперименте MTNOS; оценка параметров осцилляции атмосферных нейтрино; анализ первых данных регистрации взаимодействий нейтрино от пучка NuMI ускорителя FNAL.
-
Разработка, оптимизация, создание и калибровка в тестовых пучках адронов и электронов Серпуховского ускорителя модулей фотоэмульсионного детектора, предназначенного для прямого обнаружения нейтринных осцилляции по каналам vM —> у, и v„ -> vr.
9. Исследование возможностей увеличения чувствительности
нейтршшых экспериментов к определению параметров осцилляции:
использование моноэнергетических нейтринных "off-axis" пучков и
повышение энергетического разрешения нейтринных калориметров за счет
дополнительной регистрации нейтронного сигнала.
Объем и структура диссертации
