Аннотация результатов, полученных в 2021 году
# Исследование чувствительности В 2021 году было подготовлено два независимых исследования чувствительности JUNO: а) оценка чувствительности эксперимента JUNO к параметрам осцилляций нейтрино и б) оценка чувствительности детекторов JUNO и TAO к иерархии масс нейтрино. Оба исследования проведены в рамках коллаборации с перекрестной проверкой с другими группами. Оба исследования прошли внутреннее рецензирование. В настоящее время происходит подготовка статей от имени коллаборации, публикация которых запланирована на первый квартал 2022 года. Для исследования чувствительности эксперимента, а также для проведения анализа данных в будущем в рамках проекта производится разработка и поддержка специального ПО GNA. Цель разработки — обеспечение высокопроизводительной подгонки и статистического анализа для непрерывно уточняющихся и усложняющихся моделей нейтринных экспериментов, в том числе для объединения анализов данных нескольких экспериментов. В 2021 году разработаны модули GParser и GAssembler. Модули необходимы для сжатого и независимого описания масштабных физических моделей на графах. Данный подход используется в GNA и позволяет, во-первых, отделить описание эксперимента от низкоуровнего кода, а, во-вторых, для использования для вычислений зарекомендовавших себя инструментов из области машинного обучения, таких как PyTorch и TensorFlow. Информация о проекте GNA может быть найдена на сайтах (https://astronu.jinr.ru/wiki/index.php/GNA) и (http://gna.pages.jinr.ru/gna/). Разработка GNA ведется в GitLab (https://git.jinr.ru/gna/gna). Модули GParser и GAssembler также находятся в публичном доступе в (https://git.jinr.ru/gna/gparser) и (https://git.jinr.ru/gna/gassembler). # Кремниевые умножители (SiPM) Детектор TAO будет использовать кремниевые фотоумножители для сбора светового сигнала. В целях эксперимента — достижение беспрецедентного энергетического разрешения с σ=2% на 1 МэВ выделенной энергии, что эквивалентно детектированию около 4500 фотонов при той же энергии. Достижение подобных значений требует большого внимания ко всем элементам детектора и стадиям его подготовки. В том числе, требуется тщательное тестирование используемых фотодетекторов. - В литературе встречается заявление о зависимости эффективности регистрации фотона от температуры. Заявленный эффект приводит к минимуму PDE при рабочей температуре детектора TAO, что обесценивает выгоды использования SIPM. Для проверки этого заявления в ЛЯП ОИЯИ был создан стенд, в котором прецизионно стабилизировалась интенсивность света падающего на SiPM независимо от температуры. Результаты измерений показали, что для фотодиодов семейства Hamamatsu MPPC-S13360 и AdvanSID (FBK) ASD-29NUV4S-P такой эффект исключен в диапазоне температур от im -90°C до комнатной температуры. Результаты работы опубликованы в авторитетном журнале Nuclear Instruments and Methods (Q1). - Изучен эффект внешних кросс-токов — когда один SiPM излучает ИК-фотоны, которые вызывают лавинный пробой в другом SiPM. Такой эффект очень важен для систем с замкнутой геометрией, где SiPM смотрят вглубь единого считываемого объема и направлены друг на друга. Показано, что такие перекрестные наводки сравнимы с внутренними (собственными) кросс-токами и вносят существенный вклад в разрешение детектора. - Разработан и изготовлен высоковольтный многоканальный источник питания SiPM на 128 каналов с регулировкой напряжения в диапазоне от 0 до 200 В (14 бит). В источнике предусмотрено измерение выходного напряжения, которое зависит от нагрузки, при помощи прецизионного АЦП ADS 1220. Таким образом, можно мониторировать ток в цепи и выключать канал в случае короткого замыкания (или превышения по току). - Разработана методика массового тестирования матриц SiPM. Ключевая идея — считывать каждую матрицу как единое целое (один канал считывающей электроники и АЦП) при этом смещать напряжением только один элемент на матрице и, таким образом, производить измерения только с него. В случае известного светового поля падающего на матрицу (калибровка) можно сканировать матрицу поэлементно без перемещения, что существенно упрощает и ускоряет измерение.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Исследование чувствительности Цель детектора TAO — прецизионное измерение спектра реакторных электронных антинейтрино с беспрецедентным энергетическим разрешением σ=2% для выделенной энергии 1 МэВ для обеспечения необходимого уровня точности эксперимента JUNO в определении упорядоченности масс нейтрино и измерении параметров осцилляций нейтрино. С учетом наиболее актуальной модели детекторов TAO и JUNO были получены оценки совместной чувствительности к упорядоченности масс нейтрино. Упорядоченность масс нейтрино, или, простыми словами ответ на вопрос, какое массовое состояние нейтрино тяжелее: m₁ (нормальная упорядоченность) или m₃ (обратная упорядоченность) — является одним из наиболее актуальных в физике нейтрино. Показано, что эксперимент JUNO с учетом данных с детектора TAO сможет определить какое нейтрино является наиболее тяжелым на уровне 3-х стандартных отклонений, что соответствует вероятности определить правильный порядок в 999 случаях из 1000. Данный результат был впервые представлен на конференции Нейтрино 2022. Исследование чувствительности в рамках данного проекта было проведено в ПО GNA для статистического анализа данных нейтринных экспериментов. Информация о проекте GNA может быть найдена на сайте (http://gna.pages.jinr.ru/gna/). Разработка GNA ведется в GitLab ОИЯИ (https://git.jinr.ru/gna/gna). Также был опубликован результат оценки чувствительности к параметрам осцилляций нейтрино Δm²₃₁, Δm²₂₁ и sin²2θ₁₂ (Chinese Phys. C 46 123001). Данные параметры являются фундаментальными параметрами физики частиц. Показано, что всего за 100 дней работы эксперимент сможет достичь чувствительности лучше 1% для Δm²₂₁ и Δm²₃₁, а за 6-и лет набора данных чувствительность будет не хуже 0.5% для всех трех параметров. На сегодняшний день не существует других работающих или планируемых экспериментов, способных достичь подобной точности. Восстановление энергии и вершины Физический анализ результатов измерений TAO требует предварительной обработки данных, включающей восстановление энергии нейтрино. В рамках данного проекта были разработаны две модели, основанные на методах машинного обучения: решательные деревья и полносвязные нейронные сети, обученные на небольшом наборе агрегированных признаков (The European Physical Journal C 82 1021). Обе модели позволяют добиться необходимого разрешения — около 2% на 1 МэВ. Кроме того, они позволяют восстановить координаты вершины взаимодействия нейтрино не хуже, чем 13 мм во всем энергетическом диапазоне для канала регистрации по обратному бета-распаду. Кремниевые фотоумножители (SiPM) Детектор TAO будет использовать кремниевые фотоумножители для сбора светового сигнала. В целях эксперимента — достижение беспрецедентного энергетического разрешения с σ=2% на 1 МэВ выделенной энергии. Достижение подобных значений требует большого внимания ко всем элементам детектора и стадиям его подготовки. В том числе, требуется тщательное исследование используемых фотодетекторов, а также разработка многоканальной системы питания SiPM. Для достижения этой цели были решены следующие задачи: — Разработана конструкция волоконного оптического разветвителя позволяющая обеспечивать однородность распределения света лучше 10%. Конструкция и результаты его исследования опубликованы в журнале Письма ЭЧАЯ (Письма в ЭЧАЯ. 2022. Т. 19, No 6(245). С. 628—635). — Исследованы интегральная нелинейность и температурная зависимость чипа высоковольтного AD5535B. Результаты демонстрируют хорошую применимость этого чипа для питания SiPM. Это открывает возможность широкого применения такого ЦАП для многоканальных систем, где используются SiPM: детекторы частиц, ПЭТ-томографы, приборы контроля. — Создана установка для массового тестирования SiPM. Эта уникальная установка позволит охарактеризовать более 100 тысяч фотодиодов в течение года (В случае комнатной температуры это можно сделать существенно быстрее - несколько месяцев.), что отрывает возможность изучения производства больших партий кремниевых фотоумножителей. — Пройдена процедура рецензирования (Final Design Review) в коллаборации JUNO для: • Методики массового тестирования матриц SiPM для детектора TAO • Системы питания матриц SiPM для детектора TAO.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Цель детектора TAO — прецизионное измерение спектра реакторных электронных антинейтрино с беспрецедентным энергетическим разрешением σ=2% для выделенной энергии 1 МэВ. Это необходимо для обеспечения необходимого уровня точности эксперимента JUNO в определении упорядоченности масс нейтрино и измерении параметров осцилляций нейтрино. # Исследование чувствительности Высокая точность данных с детекторов JUNO и TAO требует соответствующего уровня статистического анализа. Помимо вычислительной эффективности и детального учета большого количества систематических погрешностей также необходима возможность публикации данных и кода анализа в развернутом документированном виде. Для этого был разработан новый фреймворк dag-flow (https://git.jinr.ru/dag-computing/dag-flow), позволяющий реализовать модель осцилляционного эксперимента с реакторными электронными антинейтрино на языке Python в виде ациклического направленного графа. Фреймворк предоставляет широкие возможности для ревизии всех элементов модели и представления результатов анализа. В настоящее время происходит валидация работоспособности на примере анализа эксперимента Daya Bay, обладающего схожей постановкой и уже завершившего набор данных. # Кремниевые фотоумножители (SiPM) В детекторе TAO кремниевые фотоумножители SiPM будут использоваться для регистрации сцинтилляционного света от взаимодействия реакторных антинейтрино. Для достижения необходимого энергетического разрешения детектора TAO критически важно уделять внимание каждому компоненту системы на всех этапах ее подготовки. Это включает в себя тщательную характеризацию используемых фотодетекторов, особенно их эффективности регистрации фотона (PDE), кросс-токам и скорости темнового счета (DCR), а также разработку стабильной многоканальной системы питания SiPM, обеспечивающей необходимую стабильность и устойчивость к внешним помехам. Эти аспекты имеют ключевое значение для обеспечения высокой точности и надежности работы детектора. Для достижения этой цели были решены следующие задачи: — Была разработана методика экспресс-тестирования чипов высоковольтных ЦАП AD5535 для селекции по требуемой температурной зависимости. Это открывает возможность широкого применения такого ЦАП для многоканальных систем, где используются SiPM: детекторы частиц, ПЭТ-томографы, приборы контроля и др. Результаты его исследования опубликованы в журнале Письма в ЭЧАЯ (Письма в ЭЧАЯ. 2023. Т. 20, No 6(251). С. 1455—1462). — Создана установка для массового тестирования SiPM. Было протестировано 4100 16-канальных матриц SiPM для детектора ТАО. Установка демонстрирует высокую стабильность светового поля лучше 1%, что открывает возможность применения такой методики для массового тестирования SiPM для производства многоканальных систем. — Была произведена партия VME 128-канальных модулей питания SiPM на основе ЦАП AD5535. Отлажены контроль качества и калибровка модулей. Разработано ПО для управления системой питания, масштабируемой на несколько тысяч каналов SiPM.