Объединенный институт ядерных исследований

ЕЖЕНЕДЕЛЬНИК
Электронная версия с 1997 года
Газета основана в ноябре 1957 года
Регистрационный № 1154
Индекс 00146
Газета выходит по четвергам
50 номеров в год

Номер 1-2 (4548-4549) от 14 января 2021:


№ 1-2 в формате pdf
 

Проекты XXI века

Эксперимент Daya Bay: при участии ученых Дубны

12 декабря в китайской провинции Гуандун состоялась церемония закрытия установки международного нейтринного эксперимента Daya Bay. Ученые переходят к окончательному анализу данных.

Международная коллаборация, занимающаяся изучением реакторных антинейтрино в эксперименте Daya Bay, закончила набор данных. Хотя формально эксперимент закрывается, коллаборация будет продолжать анализ собранных данных для повышения точности результатов. Проводившийся в одной из подземных лабораторий Китая эксперимент позволил за первые 55 дней работы собрать достаточно данных, чтобы в начале марта 2012 года объявить о важном открытии: впервые был достоверно измерен фундаментальный параметр стандартной модели - угол смешивания нейтрино 13.

Экспериментальная установка, расположенная в 54 километрах к северо-востоку от Гонконга, была создана международными усилиями. Это было первое равноправное сотрудничество США и Китая в рамках крупного физического проекта. "Мы рады успеху эксперимента Daya Bay, который привел к важным научным открытиям, - сказал Ифан Ван, бывший руководитель коллаборации Daya Bay, а ныне директор Института физики высоких энергий Китайской академии наук (IHEP). - Это настоящее международное партнерство и его уроки для нас бесценны. Мы надеемся на продолжение сотрудничества и в будущих проектах".

IHEP курировал строительство экспериментальной площадки и производство половины детекторов Daya Bay, а за производство второй половины детекторов отвечали американские партнеры. Значительный вклад внесли также ученые России, Тайваня, Гонконга, Чехии и Чили.

Восемь детекторов Daya Bay регистрируют вспышки света в рабочем веществе - жидком сцинтилляторе. Световые сигналы возникают в результате взаимодействий антинейтрино с ядрами водорода - протонами. Регистрируемые антинейтрино рождаются в реакторах, расположенных поблизости АЭС Даявань и Линьао.

Антинейтринный детектор Daya Bay до заполнения:
два вложенных акриловых цилиндра, по стенке установлены 192 фотоумножителя.

В процессах ядерного деления, происходящего в реакторах АЭС в строго контролируемом режиме, рождается огромное количество антинейтрино, что делает реакторы превосходным источником этих неуловимых частиц. Нейтрино и его античастица антинейтрино беспрепятственно проходят через практически любое вещество, что затрудняет их экспериментальное обнаружение. За последние 70 лет ученые значительно продвинулись в создании детекторов, способных зарегистрировать неуловимые сигналы этих "призрачных" частиц.

"Детекторы Daya Bay работают превосходно, сверх всяких ожиданий, - отметил заместитель директора ЛЯП, руководитель нейтринной программы ОИЯИ Д.В.Наумов. - Этот успех стал ключевой составляющей нашего открытия".

В поисках угла смешивания нейтрино

Экспериментальная установка Daya Bay, расположенная в трех подземных залах на расстоянии до полутора километров от шести реакторов, была предназначена для измерения свойства нейтрино, связанного с их превращением, или осцилляциями, в нейтрино других типов: электронные, мюонные и таонные. Эксперимент Daya Bay стал первым, где был достоверно измерен угол смешивания, обозначаемый как 13. Этот угол определяет вероятность превращения одного типа нейтрино в другое. По сравнению с первым измерением в 2012 года точность измерения угла 13 в эксперименте Daya Bay выросла в шесть раз и является рекордной.

Один из ближних залов эксперимента Daya Bay:
два антинейтринных детектора в бассейне, заполненном водой.

Для определения 13 ученые измерили число нейтрино определенного сорта, в данном случае электронных антинейтрино, рожденных в близлежащих реакторах. Затем они оценили ожидаемое число взаимодействий электронных антинейтрино, измеряемых с помощью детекторов Daya Bay на разных расстояниях от реакторов. Наконец, исследователи сравнили ожидаемое с измеренным. Был обнаружен дефицит числа взаимодействий, периодическим образом зависящий от расстояния, что впервые позволило определить угол смешивания 13.

Дальний зал эксперимента Daya Bay: четыре антинейтринных детектора в бассейне в процессе заполнения водой.

Измерение этого угла, а также двух других углов смешивания в предыдущих экспериментах, помогает нам понять роль нейтрино в эволюции Вселенной, в которой материи больше, чем антиматерии. Именно поиск различия в осцилляциях нейтрино и антинейтрино может привести к пониманию причин избытка материи во Вселенной.

Участники эксперимента Daya Bay в настоящее время анализируют всю совокупность данных, полученных за девять лет проведения эксперимента. Этот анализ позволит уточнить результаты измерений свойств нейтрино, включая повышение точности определения угла 13, - результат, который вряд ли удастся превзойти в ближайшие десятилетия.

Неожиданный бонус

"Научная продуктивность эксперимента Daya Bay вышла далеко за пределы наших ожиданий, - сказал соруководитель коллаборации Цзюнь Цао из IHEP. - Помимо прецизионного определения величины 13, благодаря высокому качеству экспериментальных данных Daya Bay, обнаружилась удивительная особенность и в спектре реакторных антинейтрино".

Неожиданный избыток антинейтрино - на 10% больше теоретических ожиданий при энергии антинейтрино около пяти миллионов электрон-вольт (5 МэВ) - проявился с высоким уровнем достоверности. Источник этого расхождения остается неясным и требует дальнейшего изучения.

Исследования, проведенные коллаборацией Daya Bay, указали также на вероятную причину другой особенности, так называемой "аномалии реакторных антинейтрино" - дефицита на уровне примерно 5% потока антинейтрино от реактора по сравнению с теоретическим ожиданием. Одним из возможных объяснений считалось то, что некоторые антинейтрино превращаются в гипотетический четвертый тип нейтрино, так называемое стерильное антинейтрино. Исследователи Daya Bay выяснили, что аномалия, скорее всего, возникает из-за неполноты теоретического описания рождения антинейтрино от одного из ядерных изотопов в реакторе. К такому выводу удалось прийти благодаря анализу огромного числа взаимодействий антинейтрино, накопленного коллаборацией, а также высокой точности определения энергии антинейтрино.

Кроме того, группы ученых из двух крупных экспериментов по изучению осцилляций нейтрино - Daya Bay и MINOS+ - объединенными усилиями провели еще один анализ, который с высоким уровнем достоверности исключил возможность наличия стерильных нейтрино в своих данных.

Два реактора АЭС Даявань. Фотография сделана недалеко от пункта управления эксперимента Daya Bay.

Следствия измерений

"Угол смешивания 13, который, по мнению многих ученых, мог быть равен нулю, оказался, по счастью, намного больше, чем предполагалось при планировании эксперимента, - сказал Кам-Бью Лук, соруководитель коллаборации. - Это добрый знак для проводимых и будущих экспериментов, нацеленных, например, на измерение иерархии масс нейтрино".

Это также может быть полезно для экспериментов, где исследуется связь нейтрино с асимметрией материи и антиматерии во Вселенной. Физики полагают, что роль нейтрино в асимметрии состоит в нарушении фундаментального физического закона, постулирующего сохранение зарядово-пространственной четности. Это нарушение предполагает различное поведение частицы в нашем мире и ее античастицы в "зазеркалье".

Измерение 13 в эксперименте Daya Bay самое точное на сегодня из трех измерений угла смешивания, связанного с осцилляциями нейтрино. Признанием успеха коллаборации Daya Bay в прецизионном измерении угла 13 стало вручение ей престижной награды за прорыв в фундаментальной физике 2016 года. Сотрудники Лаборатории ядерных проблем имени В.П.Джелепова, участвующие в эксперименте Daya Bay, также были удостоены этой высокой награды".

"Практически все знания, которые человечество накопило за последние 60-70 лет в области физики частиц, за исключением знаний о темной энергии и темной материи, прекрасно описываются так называемой Стандартной моделью, - поясняет руководитель нейтринной программы ОИЯИ, Дмитрий Вадимович Наумов. - В модели есть ряд фундаментальных параметров, которые все вместе управляют нашим миром, но которые сама теория предсказать не может - их необходимо определять экспериментально. Угол 13 один из таких. Важность его экспериментального определения трудно переоценить".

Дубна участвовала в эксперименте Daya Bay с самого начала и внесла важный вклад в производство и поставку специальной спектросмещающей добавки для жидкого сцинтиллятора, что позволило регистрировать вспышки света от взаимодействий антинейтрино. Дубненские физики активно участвуют и в анализе экспериментальных данных. Например, результат 2016 года был основан на анализе дубненской группы.

Сегодня, когда эксперимент подходит к концу, в коллаборации ясно осознают уникальное качество накопленных данных, которые должны сохраниться для будущих поколений. Именно дубненской группе поручены разработка и поддержка анализа данных, пригодного для использования всеми желающими. Руководить этой работой со стороны ОИЯИ будет начальник сектора реакторных антинейтрино Максим Олегович Гончар.

"Теперь, когда мы знаем, что угол 13 отличен от нуля, мы разработали новые подходы к изучению иерархии масс нейтрино, в частности в эксперименте JUNO, в подготовке которого наш институт принимает активное участие. Обнаруженная нами величина угла 13 также поможет в поисках нарушения зарядово-пространственной четности в текущих и будущих экспериментах", - поясняет М.О.Гончар. Он также отметил, что существующие эксперименты по нейтринным осцилляциям, такие как T2K в Японии и NOvA в США, а также эксперименты следующего поколения, такие как проект DUNE в США и Hyper-Kamiokande в Японии, в значительной степени выиграли от высокоточного измерения угла 13 в Daya Bay.

Эксперимент Daya Bay осуществлялся при поддержке Министерства науки и техники Китая, Программы по физике высокой энергии отдела науки Министерства энергетики США, Китайской академии наук, Национального фонда естественных наук, Объединенного института ядерных исследований, Российского фонда фундаментальных исследований и других финансирующих организаций. Коллаборация Daya Bay включает 237 участников из 41 научной организации Китая, США, Чешской Республики и России.

Группа научных коммуникаций Лаборатории ядерных проблем
 


При цитировании ссылка на еженедельник обязательна.
Перепечатка материалов допускается только с согласия редакции.
Техническая поддержка -
ЛИТ ОИЯИ
   Веб-мастер