Горизонты научного поиска

"...В микромире должно быть много неожиданностей. Но, без сомнения, удивительнейшая из всех элементарных частиц - это нейтрино. Самое характерное свойство нейтрино - его потрясающая проникающая способность".
Бруно Понтекорво. "Загадочные нейтрино"

Нейтрино не только самая загадочная и всепроникающая, но и одна из самых распространенных частиц во Вселенной. Поэтому исследуют нейтрино от самых различных источников: от -распада ядер, солнечные нейтрино, атмосферные нейтрино, от взрыва сверхновых звезд, из центра Земли, глубоководные нейтрино, реакторные нейтрино, нейтрино от ускорителей.

В научно-экспериментальном отделе физики элементарных частиц Лаборатории ядерных проблем многие годы ведутся работы по тематике "Нейтринная физика на ускорителях".

В настоящее время работы идут на двух ускорителях в ЦЕРН - на SPS с энергией протонов 450 ГэВ (проект NOMAD), на PS - с энергией 28 ГэВ (проект HARP) и на ускорителе 70 ГэВ в ИФВЭ, Протвино (проект "Нейтринный детектор"). На прошедшем в Дубне рабочем совещании были подведены итоги работы в 2001 году и намечены планы на 2002 год.

О некоторых итогах работы физиков ЛЯП в 2001 году по проекту NOMAD рассказал корреспонденту нашей газеты руководитель эксперимента от ОИЯИ профессор С.А.БУНЯТОВ.

В международной коллаборации NOMAD участвуют ряд лабораторий и университетов Западной Европы, США, Австралии, ЦЕРН, ИЯИ (Москва) и ЛЯП ОИЯИ. Основной целью эксперимента NOMAD был поиск нейтринных осцилляций в пучке нейтрино широкого спектра от ускорителя протонов SPS, ЦЕРН. Обнаружение осцилляций означало бы наличие массы у нейтрино.

В 2001 году коллаборацией были опубликованы окончательные результаты по поиску осцилляций . Анализ полного набора данных указывает на отсутствие осцилляций в области разности квадратов масс двух типов нейтрино 1<m12<1000 эВ2 (электроновольт). Для больших значений m212 (больше 50 эВ2) ограничение на вероятность осцилляций меньше 1,6х10-4. Полученный верхний предел более чем на порядок лучше пределов, полученных в предыдущих экспериментах в Лаборатории имени Ферми (США).

Запланированные в проекте пределы на параметры осцилляций были не только достигнуты, но и превзойдены. Однако сигнал от осцилляций в исследованной области не обнаружен.

На Международной конференции по физике высоких энергий в Будапеште в 2001 году были доложены предварительные результаты поиска нейтринных осцилляций другого типа: . Полученный предел (меньше 6х10-4) исключает результат эксперимента LSND (Лос-Аламос, США) для области относительно больших масс: m212 больше 10 эВ2.

В другом эксперименте (CHORUS), выполненном в ЦЕРН одновременно с экспериментом NOMAD на том же нейтринном канале, но другой коллаборацией физиков и другой методикой (с использованием ядерных эмульсий) также не наблюдали осцилляций в исследованном интервале m212.

Оба эксперимента были нацелены на поиск осцилляций по появлению тау-нейтрино в пучке мюонных нейтрино. Оба эксперимента закончили набор данных на ускорителе в ЦЕРН в 1998 году. В том самом году, когда японско-американская коллаборация "Суперкамиоканде" при исследовании атмосферных нейтрино в подземной лаборатории в Японии заявила о наблюдении осцилляций, наиболее вероятно, типа с максимальной амплитудой и в области очень малых значений m212~(2-3)х10-3 эВ2. Следует отметить, что в эксперименте наблюдался недостаток мюонных нейтрино по сравнению с расчетами, но появления тау-нейтрино не наблюдалось.

Можно ли на ускорителях высоких энергий достичь уровня m1210-3 эВ2, при котором из анализа атмосферных нейтрино делают вывод о наблюдении осцилляций? Можно, но для этого нужно расположить детектор не на расстоянии 0,5-1 км от источника нейтрино, а на расстояниях 200-1000 км. И такие эксперименты планируются в Японии, США, ЦЕРН.

В Японии уже начат эксперимент по поиску осцилляций, в котором пучок нейтрино от ускорителя 12 ГэВ KEK посылается на расстояние 250 км, где расположен детектор "Суперкамиоканде" (эксперимент К2К). В США в 2003 году планируется начать эксперимент MINOS на расстоянии 732 км от источника нейтрино в лаборатории имени Ферми. В ЦЕРН начаты работы по созданию нейтринного канала в направлении на Grand Sasso (Италия), где на таком же расстоянии (732 км) будут расположены детекторы. Все три дальних детектора располагаются в подземных лабораториях, и все это делается, чтобы уточнить и окончательно убедиться в результатах, полученных в экспериментах с атмосферными нейтрино.

Итак, основная задача проекта выполнена. Что делать дальше с уникальными экспериментальными данными, накопленными коллаборацией NOMAD за четыре года работы на ускорителе? А сеансы на нейтринном канале начинались в апреле-мае и заканчивались в сентябре-октябре каждого года. За это время было зарегистрировано и записано 1,3 миллиона взаимодействий мюонных нейтрино по каналу заряженного тока. Наша группа решила заняться исследованием поляризации лямбда- и антилямбда гиперонов. Одновременно этой же проблемой занималось еще пять групп физиков из других институтов.

В результате обработки данных с использованием разработанной процедуры идентификации нам удалось идентифицировать ~8000 и 650 гиперонов. Полученный набор событий в 30 раз превосходил число лямбда-гиперонов в предшествующих нейтринных экспериментах, выполненных на самых больших пузырьковых камерах в ЦЕРН (Женева) и ФНАЛ (США). Представленный нашей группой меморандум с результами обработки был одобрен коллаборацией, и нам было поручено предготовить текст статьи для журнала.

По существу в эксперименте получены первые количественные данные о поляризации лямбда-гиперонов в нейтринных взаимодействиях.

Нейтрино обладают замечательным свойством: их спин (собственный момент количества движения) всегда направлен в сторону, противоположную направлению их движения, это означает, что нейтрино имеют стопроцентную продольную поляризацию. В отличие от адронных экспериментов с неполяризованными пучками и мишенью в нейтринных взаимодействиях возможна продольная поляризация -гиперонов.

Показано, что продольная поляризация имеет отрицательный знак (относительно направления импульса W-бозона).

Впервые в нейтринных экспериментах обнаружена поперечная поляризация -гиперонов.

Впервые обнаружена сильная зависимость продольной и поперечной поляризации от типа нуклона мишени (протон или нейтрон). При этом продольная поляризация -гиперонов наблюдается, в основном, в нейтринных взаимодействиях с протонами, а поперечная поляризация - во взаимодействиях с нейтронами. Очень интересно проверить этот эффект и во взаимодействиях с другими частицами.

Показано, что вектор поляризации -гиперонов лежит в плоскости перпендикулярной к плоскости рождения -гиперонов, а не в плоскости рождения -гиперонов, как утверждалось в прежних экспериментах.

Впервые сделана попытка измерить поляризацию -гиперонов. Поляризация не была обнаружена и в пределах ошибок эксперимента согласуется с нулем.

Результаты этих работ опубликованы в двух больших статьях в европейском журнале "Ядерная физика" и были доложены на семи международных конференциях.

Цикл работ по исследованию поляризации - и -гиперонов в эксперименте NOMAD получил 2-ю премию ОИЯИ на конкурсе работ за 2001 год (об этом сообщалось в статье председателя жюри профессора Ц.Д.Вылова в еженедельнике "Дубна").

Над интерпретацией полученных результатов работает сейчас несколько групп теоретиков в Италии, Франции и в ОИЯИ. В частности, в настоящее время готовится к печати совместная теоретическая работа Джона Эллиса (ЦЕРН), Арама Коциняна (ЛФЧ ОИЯИ) и сотрудника нашей группы Дмитрия Наумова (ЛЯП, ОИЯИ), посвященная интерпретации данных в рамках модели, предполагающей существование поляризованного "моря" странных кварк-антикварковых пар в нуклоне.

В предыдущих наших экспериментах мы исследовали поляризацию всех -гиперонов, образованных в нейтринных взаимодействиях заряженного тока (когда взаимодействие нейтрино с нуклоном осуществляется путем обмена заряженным W-бозоном, с образованием мюона в конечном состоянии) с нуклонами. Но известно, что могут рождаться более тяжелые гипероны и резонансы, которые, распадаясь, дадут вторичные -гипероны. Мы решили изучить образование более тяжелых гиперонов и других странных частиц в нейтринных взаимодействиях, так как вторичные могут иметь совсем другую поляризацию, чем первичные.

Оценки, проведенные по широко известной и популярной программе JETSET группы LUND (Швеция) давали довольно высокие выходы тяжелых гиперонов (до 50 процентов). Наша группа решила проверить эти результаты экспериментально. При этом оказалось, что измеренные относительные выходы тяжелых гиперонов во много раз меньше, чем предсказывали расчеты по модели LUND.

Наиболее слабым местом в программе LUND оказался алгоритм, описывающий процесс так называемой фрагментации - превращения цветных кварков в бесцветные адроны, которые и регистрируются в эксперименте. Функции фрагментации не следуют из теории, и параметры ее определяются из экспериментов. Параметры, выбранные в программе LUND, подгонялись по результатам экспериментов на встречных электрон-позитронных пучках в ЦЕРН. Но функции фрагментации в нейтринных пучках могут отличаться. Для описания нейтринных данных пришлось изменять одновременно двенадцать параметров. Эта работа требовала большого компьютерного времени. У нас его было недостаточно. Для ускорения работы один из наших коллаборантов из штата Южная Каролина предложил нам воспользоваться шестью мощными персональными компьютерами. Это значительно ускорило подбор параметров.

Компьютерная связь с далеким южным американским штатом была намного надежнее и быстрее, чем с близкой Женевой. Вычислительная работа на компьютерах была выполнена сотрудником нашей группы - аспирантом Иркутского университета Артемом Чукановым. К настоящему времени параметры подобраны и набирается статистика по программе Монте-Карло для моделирования образования странных частиц в нейтринных взаимодействиях, которой смогут воспользоваться все физики коллаборации NOMAD.

Работа, выполненная Д.В.Наумовым и Б.А.Поповым, была опубликована в виде сообщения ОИЯИ, препринта ЦЕРН и в европейском журнале "Ядерная физика" и получила 2-ю премию в конкурсе работ Лаборатории ядерных проблем за 2002 год. Следует отметить, что денежная премия Лаборатории ядерных проблем лишь немного меньше премии ОИЯИ.

С 25 по 26 апреля в Женеве состоится общий митинг коллаборации NOMAD. На совещании будут представлены два доклада от группы ОИЯИ. Артем Чуканов представит работу о новой программе Монте-Карло для описания рождения странных частиц. Второй доклад посвящен рождению очарованного D*+ (2010)-резонанса в нейтринных взаимодействиях. Доклад представит аспирант УНЦ Дмитрий Кустов. Фронт работ по анализу данных эксперимента NOMAD расширяется.

Нейтринный канал на ускорителе SPS в ЦЕРН уже демонтирован. Часть оборудования будет использована для создания нового нейтринного канала в юго-восточном направлении на Grand Susso (Италия). Нейтринная физика уходит в подземелья.

Около полутора миллионов нейтринных взаимодействий (с полной информацией об импульсах всех вторичных частиц), которые были накоплены в эксперименте NOMAD, дорого стоят. Они будут востребованы еще многие годы - до вступления в строй ускорителей нового поколения, типа "нейтринной фабрики". Поэтому мы прилагаем усилия, чтобы сохранить в ОИЯИ уникальный банк нейтринных данных. Не менее важно сохранить коллектив, который сможет эффективно работать с такими данными.

Материал подготовила Надежда Кавалерова.