КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 22-12-00358

НазваниеИзучение нейтринных взаимодействий, разработка и создание новой трековой системы для прецизионных физических исследований на нейтриином пучке в проекте T2K/T2K-II

РуководительИзмайлов Александр Олегович, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерных исследований Российской академии наук, г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ

2022 г. - 2024 г.

Конкурс№68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-101 - Физика элементарных частиц

Ключевые словафизика нейтрино, осцилляции, нейтринные детекторы, поиск новой физики, анализ экспериментальных данных, программное обеспечение для дететкоров частиц

Код ГРНТИ29.05.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Главной задачей, на решение которой направлен предлагаемый проект, является изучении физики нейтрино, в частности — прецизионное измерение сечений взаимодействия нейтрино с веществом в ускорительном эксперименте Т2К/T2K-II (Tokai-to-Kamioka, Япония), а также поиск сигналов “новой физики” (явлений за пределами описание сегодняшней Cтандартной модели элементарных частиц) и разработка, и создание новых детекторных систем для нейтринных экспериментов. Изучение физики нейтрино, без сомнения, представляет собой передний край современной физики частиц. Предполагается, что именно нейтринные эксперименты будут во многом определять развитие исследований элементарных частиц в ближайшее десятилетие. Эксперименты с реакторными, солнечными, атмосферными, а также полученными с помощью ускорителей нейтрино впервые показали наличие физики за переделами Стандартной модели. В последней нейтрино полагались безмассовыми, также предполагалось сохранение индивидуальных нейтринных ароматов, лептонных чисел. В экспериментах же было показано, что нейтрино могут смешиваться, существуют переходы между ароматами (электронное, мюонное и тау-нейтрино), что требует наличия ненулевой массы частиц. Нейтринные эксперименты, таким образом, положили начало исследованию новой физики. Актуальной научной проблемой, определяющей настоящий проект, является измерение параметров матрицы смешивания нейтрино (PMNS), трех углов (θ12, θ23, θ13), “мнимой” фазы δCP, а также разностей квадратов масс собственных массовых состояний, описывающих осцилляции: Δm223 и Δm212. Важнейшей проблемой является улучшение точности измерения параметров осцилляций — поиск возможных симметрий в нейтринном (шире, лептонном секторе), сравнение с аналогичными параметрами в кваркововом секторе. Актуальной проблемой является определение знака величины Δm223, что позволит установить точную иерархию масс собственных “массовых” состояний нейтрино (m1<m2<m3 или m3<m1<m2). Несомненно важным вопросом является поиск различий в осцилляциях нейтрино и антинейтрино: наличие нарушения так называемой CP-симметрии (пространственная и зарядовая четность) в лептонном секторе - необходимого элемента для объяснения таких фундаментальных проблем, как барионная асимметрия Вселенной (наличие вещества, материи, а не антиматерии) и лептогенезиса. Необходимо отметить, что точность нейтринных исследований базируется на измерении взаимодействий нейтрино с веществом, построение корректной и полной модели взаимодействий лежит на стыке нейтринной и ядерной физики, получение новых данных в этой области является одной из основных задач проекта. Важным является также поиск “новой физики” (эффектов за пределами Стандартной модели), например, наличия “стерильных”, не взаимодействующих с веществом нейтрино, а также других гипотетических частиц, которые предсказываются в различных теоретических и фенологических моделях для объяснения, в частности, проблемы темного вещества во Вселенной, а также для генерации сверх малых масс самих нейтрино. Проведение дальнейших прецизионных измерений параметров нейтринных взаимодействий, сигналов “новой физики” с использованиям данных уникального ближнего комплекса детекторов ND280 ускорительного нейтринного эксперимента T2K (международная коллаборация, эксперимент в центре J-PARC с использованием дальнего водного черенковского детектора Super-Kamiokande (SK) и комплекса ближних детекторов, Япония), разработка и ввод в эксплуатацию новых детекторов нейтрино, а именно время-проекционных камер TPC для продолжения эксперимента в фазе T2K-II (новый ближний детектор ND280Upgrade) определяют научную значимость и актуальность предлагаемого проекта. Получение новых данных по сечениям взаимодействия нейтрино и антинейтрино с веществом в различных каналах в области энергий ~1 ГэВ: разным типом продуктов реакций и с увеличенным в рамках работы по проекту фазовым пространством доступным для анализа позволит существенно увеличить описательную точность моделей нейтринных взаимодействий, использующихся при анализе нейтринных осцилляций, что приведет к снижению систематических ошибок измерений. В рамках работы планируется дальнейшее развитие программного обеспечения для моделирования/реконструкции треков частиц/анализа конечных физических данных, которое, наряду с T2K используется в других проектах: DUNE (будущий международный мегапроект для исследования нейтринных осцилляций, США, также тестовые эксперимент c дететкорами на жидком аргоне в ЦЕРН: ProtoDUNE), WAGASCI/BabyMIND (измерение нейтринных сечений также на пучке J-PARC/T2K, Япония), T2K-II, T2K—Hyper-Kamiokande (HK) (Япония, будущий международный мегапроект для исследования нейтринных осцилляций на пучке JPARC/T2K с новым дальним водным черенковским детектором SK—>HK, 50–>258 килотонн), и основными разработчиками которого являются участники проекта: пакет RecPack — реконструкция треков частиц в детекторах, особенно актуально для мультидетекторных систем, например, в случае ND280/ND280Upgrade - это газовые аргоновые время-проекционные камеры TPC, высокосегментированные детекторы, использующие пластиковые сцинтилляторы FGD, SuperFGD, электромагнитные калориметры, важной задачей является объединение информации различных систем для получение наиболее полной информации о треках частиц; пакет HighLAND — конечный анализ событий в нейтринном детекторе: инструменты для отбора сигнальных событий и учета фона, численные методы для учета систематических ошибок, средства визуализации/представления результатов: пакет VALOR — непосредственно анализ нейтринных осцилляций используются и будут использоваться различными международными коллаборациями. Что касается новых детекторных технологий, то в рамках проекта планируется завершение тестирования (участие ИЯИ РАН в создании триггерной/запускающей системы), создание и ввод в эксплуатацию новых газовых время-проекционных камер TPC для детектора ND280Upgrade, а также самого нового комплекса детекторов ND280Upgrade: детектор T2K ND280, в котором часть калориметра нейтральных пионов, P0D, заменена на трековый комплекс — TPC + новый высокосегментированый детектор SuperFGD (разработан ИЯИ РАН) + система для учета времени пробега (TOF), который позволит существенно увеличить точность измерения нейтринных взаимодействий, в частности увеличить фазовое пространство продуктов реакций, доступное для исследования, снизить порог регистрации частиц, существенно увеличить эффективность регистрации нейтронов (что важно для настройки ядерных процессов для моделировании взаимодействий антинейтрино и нейтрино) создаваемая технология является актуальной как для настоящих, так и будущих экспериментов. Необходимо подчеркнуть, что разрабатываемые детекторы и их элементы (в частности, микропиксельные лавинные фотодетекторы MPPC для триггерной системы для тестов TPC) представляют интерес за пределами изучения нейтрино: от физических экспериментов и прикладных исследований до медицины. Ожидается получение результатов мирового уровня в физике нейтрино и передовых ограничений на существование эффектов за рамками Cтандартной модели, эти данные определят дальнейшее развитие экспериментальных исследований на пути к предполагаемому открытию CP-нарушения в лептонном секторе, а также помогут увеличить наше знание о свойствах все еще загадочных нейтрино.

Ожидаемые результаты
В результате выполнения проекта ожидается получение передовых результатов мирового уровня в физике нейтрино. Будут представлены новые данные по измерению взаимодействий нейтрино и антинейтрино с веществом (водой и углеводородом) в области энергий ~ 1 ГэВ в ближнем нейтринном комплексе эксперимента ND280 T2K (Япония) в каналах через заряженные токи, по сравнению с полученными ранее результатами фокус настоящих исследований направлен на рассмотрение продуктов реакций в широком диапазоне кинематических параметров, включение в анализ частиц, выходящих под большими углами к оси нейтринного пучка. В случае такой кинематики происходит передача большого импульса от нейтрино ядерной системе, поэтому рассмотрение таких реакций повышает чувствительность к ядерным процессам в нейтринных взаимодействиях. Также будут представлены данные с включением в анализ информации о полном заряде (по сравнению с отдельными восстановленными треками) в нейтринной мишени, высокосегментированном пластиковом сцинтилляционном детекторе FGD, что позволит снизить порог регистрации продуктов реакций и дополнительно протестировать различные модели ядерных процессов. Интерес представляют также данные по взаимодействиям электронных (анти)нейтрино с веществом, где T2K был первым после Gargamelle (1978 г.) в получении результатов по инклюзивным CC реакциями - планируется публикация анализа с включением процессов с различными продуктами реакций (наряду с лептоном): протонов, пионов. Корректное описание сечений нейтринных взаимодействий является важной задачей для увеличения точности измерения параметров нейтринных осцилляций в ускорительных экспериментах (T2K, NOVA). Результаты работы по изучению нейтринных реакций будут использованы непосредственно в осцилляционном анализе T2K, что позволит увеличить точность измерения “атмосферных” параметров смешивания нейтрино, θ23 и Δm22(1)3. и повысить чувствительность и улучшить соответствующее ограничение на наличие сильного СP-нарушения (зарядовая и пространственная четность) в нейтринном (шире, лептонном) секторе, последнее является необходимым элементом для объяснения таких фундаментальных проблем, как барионная асимметрия Вселенной (наличие вещества, материи, а не антиматерии) и лептогенезиса, и именно ускорительные нейтринные эксперименты позволяют искать этот возможный эффект. В результате выполнения проекта будут протестированы, с использованием разрабатываемой в ИЯИ РАН запускающей системы на основе пластиковых сцинтилляторов, отдельные компоненты новых время-проекционных камер TPC, а также готовые камеры для новой модификации T2K-II ND280Upgrade, разработаны соответствующие алгоритмы реконструкции событий; запущен новый детектор ND280Upgrade на пучке проекта T2K-II. Общим результатом станет снижение систематической ошибки осцилляционного анализа T2K, связанной с сечениями взаимодействия нейтрино: 6% —> 2-4%, что позволит на достаточно высоком уровне достоверности >3σ исключить гипотезу отсутствия CP-честности в проектах T2K-II и NOVA (США). Исследования подготовят базу для дальнейшего открытия CP-нарушения в лептонном секторе в будущих проектах T2K—Hyper-Kamiokande (Япония) и DUNE (США). Будут получены новые ограничения на параметры смешивания тяжелых нейтрино с помощью данных ближнего нейтринного детектора ND280 T2K: новый анализ с использованием тяжелых нейтрино от распадов пионов в дополнение к существующему анализу для каонов — тяжелые нейтрино массой O(1) ГэВ используются во многих моделях для решения проблемы генерации нейтринных масс и проблемы “темного” вещества. T2K представит лучшие ограничения для параметров смешивания, например, с тау-нейтрино в области малых масс. Также представляют интерес результаты по поиску процессов, связанных с “темными” фотонами - еще одного кандидата на роль “темной” материи. Применяемые и улучшаемые в рамках проекта компьютерные программы для анализа физических данных (RecPack, HighLAND, VALOR) используются и будут использоваться различными международными коллаборациям: T2K, DUNE, WAGASCI/BabyMIND, NEXT, T2K—Hyper-Kamiokande и другими.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Главной общей задачей, на решение которой направлен Проект, является проведение исследований, результатом которых в первую очередь станет увеличение точности измерения параметров нейтринных осцилляций в проводимых в настоящее время ускорительных экспериментах, а именно— в эксперименте T2K и его продолжении T2K-II, а также в будущем мега-проекте Гипер-Камиоканде. Работы, выполненные в первом отчетном году, соответствуют общему исследовательскому плану. Участники группы играли активную и во многом лидирующую роль в измерениям свойств нейтрино с помощью ближнего детекторного комплекса ускорительного эксперимента с длинной базой T2K (Япония). Важной задачей для увеличения точности анализа осцилляций является построение корректных моделей описания взаимодействия нейтрино с веществом , требуется получение новых прецизионных данных по различным каналам реакций, различным конечным продуктам. С помощью ближнего детектора ND280 получены новые данные T2K по измерению когерентного рассеяния нейтрино и антинейтрино на углеводороде. Здесь значительно обновлен результат для нейтрино с использованием большей статистики и улучшенных методов отбора сигнальных событий, для антинейтрино измерения T2K являются первыми для области энергий < 1.5 ГэВ. Получены результаты первого совместного анализа данных вне-осевого детектора ND280 T2K и детектора INGRID, расположенного на оси пучка нейтрино: представлены данные для реакций нейтрино, идущих через заряженные токи, СС реакции, на углеводороде с отсутствием пионов в конечном состоянии, СС0π — основного сигнала при энергиях T2K ~ 1 ГэВ. Вследствие различного положения детекторов анализ выполняется для разных эффективных спектров нейтрино, учитываются необходимые корреляции. Совместный анализ позволяет уменьшить ошибки измерений, связанные с оценкой потока нейтрино, исследовать энергетическую зависимость сечений реакций. Получены первые физические результаты нового оригинального детектора WAGASCI/BabyMIND для исследования взаимодействий мюонных (анти)нейтрино на воде и углеводороде: измерение сечений CC0p± реакций. Результаты представляют несомненную важность в общей работе по получению как можно более разнообразных новых данных по изучению взаимодействий нейтрино с веществом для последующей настройки параметров физических моделей для использования в осцилляционном анализе — задача увеличения точности анализа, в частности по поиску СР нарушения в лептонном секторе в настоящих и будущих проектах путем снижения систематических ошибок. СС0π события являются основным сигналом при энергиях T2K для регистрации и восстановления спектра нейтрино, существенный вклад в ошибки вносят сложности эффективного описания ядерных процессов. Обновлен основной результат T2K по измерению параметров осцилляций. Новые данные T2K дают указание на наличие сильного нарушения СР симметрии в лептонном (нейтринном) секторе, вероятность сохранения четности исключается на уровне достоверности 90%. Данные для “атмосферного” сектора осцилляций наилучшим образом описываются параметром смешивания θ23, лежащим в верхнем октанте, также есть слабая тенденция предпочтения нормальной иерархии собственных массовых состояний нейтрино, однако, на настоящий момент результаты не противоречат максимальному смешиванию. Требуется дальнейшая работа по набору статистики и снижению систематических ошибок измерений, что является одной из важнейших общих целей Проекта. Выполнялись также работы по поиску сигналов “новой физики” за рамками Стандартной модели физики элементарных частиц. Здесь показано, что расширение анализа ND280 T2K по поиску распадов так называемых тяжелых нейтрино в область малых масс (рождение в распадах пионов) позволяет улучшить имеющиеся на настоящий момент экспериментальные ограничения. Также исследовались модели с наличием “темных” фотонов/частиц-кандидатов в темную материю, здесь также дальнейший анализ в T2K представляет интерес: чувствительность выходит за рамки существующих ограничений. Выполнен большой объем работ по развитию программного обеспечения для обработки и конечного анализа данных в проекте T2K и его продолжении T2K-II. Успешно ведется работа по разработке, сборке и подготовке к запуску новой улучшенной версии ND280 → ND280Upgrade, которая будет использована для набора данных в T2K-II и в дальнейшем в Гипер-Камиоканде. Представляется, что фактически выполненные работы в отчетный период позволили получить новые данные мирового уровня по физике нейтрино на ускорителях, а также заложили основу для достижения заявленных масштабных целях Проекта, что будет способствовать его успешному выполнению.

Публикации

1. Антонова М.М., Горин А.С., Измайлов А.О., Мефодьев А.В., Шайхиев А.Т., Суворов С.Б., Ершов Н.В. и др Scintillator ageing of the T2K near detectors from 2010 to 2021 The Journal of Instrumentation (JINST ), JINST 17 (2022) 10, P10028 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1088/1748-0221/17/10/P10028

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Основной научной задачей, работе над которой посвящен настоящий Проект, является проведение исследований, направленных на увеличение точности измерения параметров нейтринных осцилляций в проводимых в настоящее время ускорительных экспериментах, а именно: в эксперименте T2K (Япония), а также в будущем мега-проекте (T2K—)Гипер-Камиоканде. Работы, выполненные во втором отчетном году, находятся в соответствии общему исследовательскому плану. Участники группы ИЯИ РАН играли активную и во многом ключевую и лидирующую роль в измерениям свойств нейтрино с помощью ближнего детекторного комплекса ускорительного эксперимента с длинной базой T2K. Важной задачей для увеличения точности анализа осцилляций является построение корректных моделей описания взаимодействия нейтрино с веществом, требуется получение новых прецизионных данных по различным каналам реакций, различным конечным продуктам. С помощью ближнего детектора ND280 выполнено измерение сечений нейтринных взаимодействий, идущих через нейтральные токи с рождением заряженного пиона: νNC1π+. Этот результат является первым за последние 40 лет. Он будет использован для учета соответствующих процессов при анализе осцилляций нейтрино. Завершена работа по анализу взаимодействий мюонных нейтрино, идущих через заряженные токи с рождением заряженного каона: νμCC1K+ процессы. Получены кинематические распределения продуктов реакции и выполнена оценка полного сечения. Эти процессы являются фоном для поиска распада протонов в канале p→νK, который является предметом исследований будущих детекторов большого объема Гипер-Камиоканде (Япония) и DUNE (США). Устранены найденные ранее проблемы и закончен первый физический анализ данных детектора WAGASCI/BabyMIND на нейтринном пучке T2K: измерение сечений νμCC0π± реакций мюонных нейтрино на воде и углеводороде. Полученные результаты обогащают общий набор данных по изучению взаимодействий нейтрино с веществом в различных каналах, на разных мишенях и при различных энергиях для последующей настройки параметров моделей и дальнейшего развития самих моделей для использования в осцилляционном анализе нейтрино, шаг за шагом приближая исследователей к получению фундаментальных результатов по высокопрецизионному измерению параметров смешивания нейтрино и, главное, возможному открытию CP-нарушения в лептонном секторе. Несомненным достижением является успешное окончание основного объема работ по вводу в эксплуатацию новой улучшенной версии ближнего детектора ND280 T2K → ND280Upgrade, работы над которой велись в течение последних пяти лет. Детекторы 3D SuperFGD (разработан и создан в ИЯИ РАН), время-проекционные камеры HTPC и временные детекторы TOF были установлены в магнит ND280 осенью 2023 года, а в ноябре начался набор физических данных на нейтринном пучке T2K, были зарегистрированы первые нейтринные события в новых детекторах. Выполнен большой объем работ по подготовке к новому осцилляционному анализу нейтринных данных в проекте T2K в 2024 году: развитие программного обеспечения, разработка новых критериев отбора сигнальных событий, оценка и учет систематических ошибок. Программное обеспечение для анализа данных нейтринного детектора, HighLAND2, дальнейшее развитие которого реализуется в рамках выполнения Проекта, было успешно расширено для использования во всем комплексе ближних детекторов T2K: ND280, ND280Upgrade, WAGASCI/BabyMIND, для широкого диапазона исследований на нейтринном пучке: оценка различных систематических ошибок и изучение их источников, осцилляционный анализ, измерение сечений нейтринных реакций, поиск сигналов «новой физики». Велись работы по поиску сигналов «новой физики» за рамками Стандартной модели физики частиц. Закончен анализ по поиску рассеяния частиц-кандидатов на роль «темной» материи в детекторах ND280 T2K. Результаты T2K являются лучшими на сегодняшний день, полученными в ускорительных нейтринных экспериментах «высоких» энергий (O(1) ГэВ), соответствующих лучшим в своей области энергий экспериментальным ограничениям на параметры моделей «темных фотонов», однако, уступают в чувствительности последним результатам проектов NA64 (ЦЕРН) и COHERENT (США). Изучаются возможности интерпретации результатов T2K для получения ограничений на параметры моделей «темного» вещества, для которых структура T2K дает наибольшую чувствительность. Подходит к завершению обновленный анализ ND280 T2K по поиску тяжелых (масса ~50-500 МэВ) нейтральных лептонов, рождающихся в распадах каонов и пионов, и предлагающихся в различных расширениях Стандартной модели для решения проблем малых нейтринных масс, «темного» вещества и барионной асимметрии Вселенной. В качестве органичного продолжения исследований опыт работы по разработке и созданию нейтринных детекторов, накопленный в ИЯИ РАН и получивший дальнейшее развитие в рамках работы над Проектом, успешно применяется для подготовки будущего мега-проекта на базе T2K: T2K—Гипер-Камиоканде, включающего новый дальний водный Черенковский детектор большого объема (258 кт воды), который примерно на порядок превзойдет эффективный объем существующего детектора Super-Kamiokande. Начата разработка и налажена технология производства отечественных спектросмещающих пластин на основе ПММА с добавками для увеличения светосбора во внешней части нового детектора. Представляется, что за отчетный период удалось достичь действительно передовых результатов в физике нейтрино на ускорителях, группа ИЯИ РАН продолжает играть во многом ключевую роль в выполнении обширной научной программы международного проекта T2K и его дальнейшем развитии, успешно идет работа на пути к достижению заявленных масштабных целей Проекта.

Публикации

1. Антонова М.М., Чвирова А.А., Федорова Д.В., Горин А.С., Измайлов А.О., Мефодьев А.В., Шайхиев А.Т., Ершов Н.В. и др Updated T2K measurements of muon neutrino and antineutrino disappearance using 3.6×1021 protons on target Physical Review D, Phys.Rev.D 108 (2023) 7, 072011 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1103/PhysRevD.108.072011

2. Антонова М.М., Чвирова А.А., Федорова Д.В., Горин А.С., Измайлов А.О., Мефодьев А.В., Шайхиев А.Т., Ершов Н.В. и др Measurements of neutrino oscillation parameters from the T2K experiment using 3.6×10213.6\times 10^{21}3.6×1021 protons on target The European Physical Journal C, Eur. Phys. J. C 83 (2023) 782 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1140/epjc/s10052-023-11819-x

3. Антонова М.М., Чвирова А.А., Федорова Д.В., Горин А.С., Измайлов А.О., Мефодьев А.В., Шайхиев А.Т., Ершов Н.В. и др Measurements of the νμ and anti-ν ̄μ-induced coherent charged pion production cross sections on 12C by the T2K experiment Physical Review D, Phys.Rev.D 108 (2023) 9, 9 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1103/PhysRevD.108.092009

4. Чвирова А.А., Федорова Д.В., Мефодьев А.В., Ершов Н.В. и др Current Status of the Novel 3D SuperFGD Detector for the T2K Experiment MDPI Physics, Physics 2023, 5, 690–703 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/physics5030046