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 19-12-00325

НазваниеПоиск СР нарушения в нейтринных осцилляциях, разработка и создание 3D сегментированного сцинтилляционного детектора нейтрино

РуководительКуденко Юрий Григорьевич, Доктор 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. - 2023 г. 

Конкурс Конкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по приоритетному направлению деятельности Российского научного фонда «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» (35).

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

Ключевые слованейтринная физика, осцилляции нейтрино, редкие распады каонов, СР нарушение, детекторы элементарных частиц

Код ГРНТИ29.05.00

СтатусУспешно завершен

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Основной целью Проекта 2022 является поиск нового источника нарушения дискретной СР симметрии, а именно поиск СР нарушения в лептонном секторе (нейтринном секторе) Стандартной Модели. Нарушение СР симметрии означает, что осцилляции нейтрино отличаются от осцилляций антинейтрино, и, в случае обнаружения нового источника СР нарушения возникают новые возможности для объяснения одной из загадок природы - барионной асимметрии Вселенной. Актуальность этого проекта заключается в том, что результаты, которые будут получены, важны для понимания структуры Вселенной, природы массы нейтрино и для объяснения механизма смешивания нейтрино и его отличия от смешивания в кварковом секторе. Прецизионное измерение СР нечетной фазы, в случае обнаружения нарушения СР инвариантности, а также углов смешивания является ключом к разгадке неизвестной симметрии, которая лежит в основе смешивания нейтрино, кардинально отличающегося от смешивания кварков. Результаты, полученные в Проекте 2019, указывают на возможное максимальное СР нарушение в нейтринных осцилляциях и наиболее вероятное значение СР нечетной фазы \delta около -\pi/2 для обеих возможных иерархий масс нейтрино. В настоящее время эксперимент Т2К исключает СР сохранение (\delta = 0 или \pi) на уровне 90% CL. Следует отметить, что последние результаты ускорительного эксперимента NOvA не определяют предпочтительного значения СР нечетной фазы, а наилучшее согласие между результатами Т2К и NOvA получается в случае реализации в природе инверсной иерархии масс нейтрино. Это очень интересное указание, для подтверждения или опровержения которого требуется гораздо больше статистики. Если оба эксперимента подтвердят свои результаты, то будет получено указание на существование инверсной иерархии массы или на существование неизвестного нестандартного взаимодействия нейтрино. Таким образом, если действительно СР нарушается максимально, открывается уникальная возможность обнаружения СР нарушения в эксперименте Т2К на уровне 3\sigma. Результаты по поиску СР нарушения также важны для дальнейшего развития этого направления, успешной реализации экспериментов следующего поколения ГиперКамиоканде и DUNE, нацеленных на открытие СР нарушения на уровне >5\sigma. Также актуальным является повышение точности измерения осцилляционных параметров \Delta m^2_23 и \theta_23. Если величина угла \theta_23 равна 45 градусов, то третье массовое состояние будет содержать одинаковое количество \nu_mu и \nu_tau, что будет означать проявление неизвестной новой симметрии между вторым и третьим поколением лептонов. В рамках Проекта 2022 будет закончено создание и запущен в работу на пучке нейтрино Т2К 3D сегментированный сцинтилляционный детектор нейтрино. Детектор массой около 2-х тонн состоит из 2-х миллионов сцинтилляционных сегментов (сцинтилляционных кубиков объемом 1 см^3 с тремя отверстиями для спектросмещающих волокон) и имеет около 60000 сигнальных каналов. Тесты с прототипами такого детектора на пучках заряженных частиц в ЦЕРНе и на пучке нейтронов в Лос-Аламосе показали, что этот детектор обладает всеми необходимыми параметрами для успешного решения задачи по уменьшению систематических погрешностей для поиска СР нарушения. Этот 3D детектор будет основным элементом нового модернизированного ближнего детектора Т2К. Успех этого проекта позволит рассчитывать на достижение чувствительности к СР нарушению на уровне выше 2.5\sigma в эксперименте Т2К в ближайшие 3 года. Научная новизна данного проекта сформулирована в его главной цели: поиске фундаментального явления - нарушении СР симметрии в лептонном секторе. Обнаружение нового источника СР нарушения относится к прорывному результату, который может явиться фундаментом для разработки принципиально новых моделей для объяснения физических явлений за рамками Стандартной Модели, новым направлением для объяснения барионной асимметрии Вселенной. Создаваемый 3D сегментированный детектор нейтрино является принципиально новой разработкой для ускорительных осцилляционных экспериментов с длинной базой. Он позволит решить многие проблемы, связанные с измерениями свойства пучка нейтрино до осцилляций, повысить точность измерений нейтринных сечений и существенно уменьшить систематические погрешности для поиска СР нарушения.

Ожидаемые результаты
В результате выполнения Проекта 2022 будет осуществлен поиск фундаментального явления – нарушения СР симметрии в лептонном секторе Стандартной модели. Ожидается, что будет получено новое ограничение на область значений параметра СР нечетной фазы \delta как с использованием только данных эксперимента Т2К, так и с ограничением на величину угла смешивания \theta_13 из реакторных экспериментов. Будут получены новые данные по иерархии масс нейтрино. Эти исследования относятся к наиболее важным в нейтринной физике, поскольку открытие нового источника СР нарушения откроет принципиально новые возможности для объяснения барионной асимметрии Вселенной. Эта работа относится к изучению явлений, относящихся к «новой физике» за рамками Стандартной Модели, и находится на переднем крае исследований в области физики элементарных частиц. Эксперимент Т2К является лидирующим проектом в мире в исследовании нейтринных осцилляций на ускорителях. В этом эксперименте с участием коллектива ИЯИ РАН уже получен ряд фундаментальных результатов, позволяющих улучшить понимание законов микромира. Все ожидаемые результаты в рамках этого проекта соответствуют мировому уровню и будут опубликованы в ведущих реферируемых журналах и доложены участниками проекта на международных конференциях. По материалам этих работ будут защищены кандидатские и магистерские диссертации. В рамках Проекта 2022 будет завершено создание нового нейтринного детектора, который позволит проводить прецизионные измерения нейтринных сечений и существенно повысить чувствительность к СР нарушению в экспериментах с длинной базой. Успешная разработка нейтринных детекторов позволила развить в России технологию изготовления и обработки высококачественных сцинтилляторов и создавать уникальные сцинтилляционные детекторы. Создаваемый 3D детектор массой 2 тонны, состоящий из 2000000 сцинтилляционных кубиков, будет использован в качестве ключевого элемента модернизированного ближнего нейтринного детектора ND280 в эксперименте с длинной базой Т2К. Детектор такого типа большей массы рассматривается в качестве ближнего детектора в эксперименте ГиперКамиоканде, а также может быть применен в реакторных экспериментах в России и за рубежом как для фундаментальных исследований с реакторными нейтрино, так и для за постоянного мониторинга активной зоны реакторов.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В эксперименте Т2К получен новый результата по поиску СР нарушения и ограничения на интервал значений СР нечетной фазы с учетом дополнительной статистики и уменьшенных систематических погрешностей осцилляционного анализа. Были проанализированы данные Т2К с альтернативными моделями нейтринных взаимодействий и было показано, что результат о наиболее вероятном значении СР нечетной фазы стабилен. Эти исследования подтверждают указание на максимальное СР нарушение и величину СР нечетной фазы около -90 градусов и исключают СР сохранение (значения СР нечетной фазы 0 градусов или 180 градусов) на уровне 90% (CL). Получены новые результаты по измерению "атмосферных" параметров осцилляций \Delta m^2_23 и \theta_23 при измерении дефицита и искажения спектра мюонных нейтрино в детекторе Супер-Камиоканде. Показано, что для угла смешивания \theta_23 предпочтительным является значение в верхнем октанте, т.е. с наибольшей вероятностью \theta_23 > 45 градусов. На основе данных, накопленных в ближнем детекторе ND280 эксперимента Т2К, получены величины когерентного рассеяния нейтрино и антинейтрино на ядре С-12 с рождением одного пиона для энергий нейтрино около 1 ГэВ. Проведена сборка 3D сегментированного сцинтилляционного нейтринного детектора СуперFGD, состоящего из 2000000 сцинтилляционных элементов, с использованием лесок. Детектор собран в нейтринном зале эксперимента Т2К в J-PARC. Проведены измерения нескольких сегментов детектора с использованием электроники на основе чипов CITIROC, проведено тестирование электроники на поверхности, в лабораторном помещении J-PARC, проведена калибровка каналов микропиксельных лавинных фотодиодов МРРС.

 

Публикации

1. А.Артиков, В.Баранов, А.Бойков...Ю.Куденко, С.Федотов и др. Investigation of Light Collection in Scintillation Cubes of the SFGD Detector Physics of Particles and Nuclei Letters, Physics of Particles and Nuclei Letters, 2022, Vol. 19, No. 6, pp. 749–755 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1134/S1547477122060036

2. А.Дергачева, А.Хотянцев, Ю.Куденко, А.Мефодьев 3D SuperFGD detector for the T2K experiment Nuclear Instruments and Methods A, NIMA, V.1041, p.167219 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1016/j.nima.2022.167219

3. К.Абе, Н.Ахлак, Р.Акутсу, А.Али... М.Хабибуллин, Ю.Куденко и др. Scintillator ageing of the T2K near detectors from 2010 to 2021 Journal of Instrumentation, Journal of Instrumentation 17 (2022) P10028 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1088/1748-0221/17/10/P10028

4. С.Федотов, А.Дергачева, А.Филик, М.Хабибуллин, А.Хотянцев, Ю.Куденко, О.Минеев, Н.Ершов Scintillator cubes for 3D neutrino detector SuperFGD Journal of Physics: Conference Series, Journal of Physics: Conference Series, v.2374 (2022) p.012106 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1088/1742-6596/2374/1/012106

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В 2023 году были выполнены следующие работы. В рамках проекта был продолжен набор статистики в нейтринном эксперименте с длинной базой Т2К. Осцилляционный анализ накопленных данных позволил улучшить полученную к настоящему времени чувствительность к СР нарушению в нейтринных осцилляциях. Были улучшено моделирование взаимодействия нейтрино с ядрами. Также был улучшен отбор событий мюонных антинейтрино в ближнем детекторе и увеличена их статистика примерно в два раза. Было проанализировано 318 мюоноподобных однокольцевых событий в нейтринной моде и 137 в антинейтринной моде, зарегистрированных СуперКамиоканде. Суммарные систематические погрешности составили 3% для нейтринной моды и 4% для антинейтринной моды. Улучшение было достигнуто благодаря анализу данных ближнего детектора. Статистические погрешности составили 5.6% (нейтрино) и 8.5% (антинейтрино). В эксперименте Т2К для описания нейтринных взаимодействий с ядрами использовалась модель спектральной функции. В 2023 году 3D сегментированный нейтринный детектор СуперFGD массой 2 тонны, состоящий из 2000000 сцинтилляционных кубиков и имеющий 60000 каналов был полностью подготовлен для установки в магнит ближнего нейтринного детектора ND280 и была проведена калибровка всех каналов с помощью системы светодиодов и космических мюонов. Детектор СуперFGD был установлен в магнит ближнего детектора в октябре 2023 г. Проведен монтаж, настройка и физический пуск детектора на нейтринном канале Т2К, проведена калибровка детектора в магнитном поле 0.2 Т с включенным магнитом ND280. Выполнена работа по разработке и тестированию новой технологии изготовления кубических сцинтилляторов с тремя ортогональными отверстиями методом литья под давлением с использованием сложной прецизионной пресс-формы и проведена отработка изготовления покрытия отражателем с сохранением прозрачности отверстий для спектросмещающих волокон с использованием специальных нитей, диаметр которых зависит от температуры. В 2023 году проведена работа по разработке новой технология изготовления спектросмещающих пластин на основе полиметилметакрилата (РММА) для внешнего черенковского детектора ГиперКамиоканде. Исследованы различные спектросмещающие добавки при изготовленнии пластин для повышения эффективности регистрации черенковского света оптическим модулем, состоящим из ФЭУ и спекросмещающей пластины. Проведены испытания опытных образцов модулей с использованием светодиодов и лазеров в ультрафиолетовом диапазоне, а также исследованы различные отражатели света. В 2023 году были получены следующие результаты. В эксперименте Т2К была исключена значительная область значений СР нечетной фазы \delta_CP на уровне более 3\sigma. СР сохранение исключено для нормальной иерархии масс нейтрино на уровне более 90% CL, а для инверсной иерархии исключено со статистической значимостью более 2\sigma. Разности квадратов масс \Delta m^2_32 и значения угла смешивания sin^2\theta_23, полученные для нейтрино и антинейтрино, осцилляционные параметры для нейтрино и антинейтрино, хорошо согласуются между собой, как ожидается из сохранения СРТ инвариантности. С использованием данных ближнего нейтринного детектора ND280 были получены первые данные о поперечном кинематическом дисбалансе при рождении одиночных пионов через заряженный ток. В октябре 2023 г. детектор СуперFGD был установлен в магнит ближнего нейтринного детектора ND280, настроен и запущен в работу на нейтринном канале Т2К. Проведена калибровка всех каналов детектора в магнитном поле 0.2 Т с использованием калибровочной системы светодиодов и космических мюонов. В ноябре 2023 г. состоялся физический пуск детектора на нейтринном канале Т2К. В настоящее время проводится набор данных с различными триггерами при стабильной мощности протонного пучка 620 кВт. Разработан алгоритм распаковки данных, начат анализ зарегистрированных в СуперFGD нейтринных событий. В 2023 г. была разработана новая технология изготовления кубических сцинтилляторов с тремя ортогональными отверстиями методом литья под давлением. Была изготовлена и протестирована новая пресс форма c четырьмя камерами. Также разработана технология покрытия сцинтилляционных кубиков химическим отражателем без проникновения раствора в ортогональные отверстия. Для внешнего черенковского детектора ГиперКамиоканде была разработана технология и изготовлены опытные образцы спектросмещающих (WLS) пластин различной толщины. В результате тестов было получено, что оптимальным является концентрация спектросмещающих добавок: PPО 3000 мг/л + РОРОР 50 мг/л. В результате удалось повысить величину сигнала модуля (ФЭУ- WLS пластина) от черенковского света в почти в 2.5 раза. Ссылки на интернет страницы: https://t2k.org/ https://t2k-experiment.org/

 

Публикации

1. C.Риччо, А.Агарвал, Х. Будд...М.Хабибуллин, Ю.Куденко и др. Total Neutron Cross-Section Measurement on CH with a Novel 3D-Projection Scintillator Detector MDPI, Phys.Sci.Forum 8 (2023) 1, 29 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/psf2023008029

2. А.Агарвал, Х.Будд, Дж.Капо...А.Дергачева, М.Хабибуллин, Ю.Куденко и др. Total neutron cross-section measurement on CH with a novel 3D-projection scintillator detector Elsevier, Physics Letters B840, 2023, 137843 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1016/j.physletb.2023.137843

3. К.Абе, Н.Ахлак, Р.Акутсу...Ю.Куденко, М.Хабибуллин и др. Measurements of the νμ and ¯νμ-induced coherent charged pion production cross sections on 12C by the T2K experiment Physical Review, PHYSICAL REVIEW D 108, 092009 (2023) (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1103/PhysRevD.108.092009

4. К.Абе, Н.Ахлак, Р.Акуцу.... М.Хабибуллин, Ю.Куденко, О.Минеев и др. Updated T2K measurements of muon neutrino and antineutrino disappearance using 3.6 × 10^21 protons on target Physical Review D, Phys.Rev.D 108 (2023) 7, 072011 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1103/PhysRevD.108.072011

5. К.Абе, Н.Ахлак, Р.Акуцу....М.Хабибуллин, Ю.Куденко, О.Минеев и др. Measurements of neutrino oscillation parameters from the T2K experiment using 3.6 × 10^21 protons on target Springer, Eur. Phys. J. C (2023) 83:782 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1140/epjc/s10052-023-11819-x

6. С.А. Федотов, А.Е. Дергачева, Н.В.Ершов, Ю.Г.Куденко и др. Новый высокосегментированный нейтринный детектор СуперFGD для эксперимента Т2К МГУ, УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ФИЗИЧЕСКОГО ФАКУЛЬТЕТА МОСКОВСКОГО УНИВЕРСИТЕТА №2, 2320205 (2023) (год публикации - 2023)

7. - Российские ядерщики запустили сердце ближнего нейтринного детектора Т2К и HK в Японии Троицкий вариант Наука, № 22 (390) 31 октября 2023 года (год публикации - )

Возможность практического использования результатов
не указано