Горизонты научного поиска

На снимке слева направо: Жак Дюмарше, С.А.Бунятов, Роберто Петти, Владимир Любушкин.
В конце января в Лаборатории ядерных проблем состоялось традиционное рабочее совещание "Нейтринная физика на ускорителях". В работе его приняли участие 30 физиков из ОИЯИ, ИФВЭ (Протвино), ЦЕРН и Лаборатории физики высоких энергий (LPNHE, Париж).

Основная цель совещания - обсудить текущие результаты по проектам, в которых активно участвуют сотрудники научно-экспериментального отдела физики элементарных частиц (НЭОФЭЧ) ЛЯП, а также определить планы на ближайшее будущее. Открыл совещание председатель оргкомитета профессор С.А.Бунятов. В связи с расширением фронта работ была отмечена необходимость сосредоточиться на главных направлениях и не допустить распыления усилий сотрудников на выполнение побочных, второстепенных задач.

В программу рабочего совещания вошли доклады по проектам NOMAD, HARP, OPERA и "Нейтринный детектор ИФВЭ-ОИЯИ". Были представлены также доклады по теоретическим вопросам, связанным с анализом и интерпретацией экспериментальных данных.

Проект NOMAD
Среди докладов по проекту NOMAD следует особо отметить работу "Измерение сечения квазиупругого рассеяния нейтрино в эксперименте NOMAD"; докладчик Владимир Любушкин (НЭОФЭЧ ЛЯП). На основе данных эксперимента NOMAD с рекордной точностью было измерено сечение процесса + n - + p. Результаты данной работы имеют исключительно важное значение для правильной интерпретации экспериментов по поиску нейтринных осцилляций и по точному измерению параметров матрицы смешивания Понтекорво-Маки-Накагава-Саката в будущих экспериментах с использованием детекторов, расположенных на больших расстояниях от источника нейтрино. Предварительные результаты этой работы позволяют сделать вывод о том, что величина сечения квазиупругого рассеяния нейтрино примерно на 20 процентов меньше общепризнанного значения, полученного в прежних экспериментах на пузырьковых камерах. Эти результаты были сообщены на международной конференции ICHEP'04 в Пекине и активно обсуждались на семинарах ЛЯП и ИФВЭ. В настоящее время завершается анализ экспериментальных данных. По результатам этого анализа направлен меморандум для обсуждения в коллаборации и для подготовки к публикации научной статьи.

Очень интересный доклад "Прецизионные измерения в эксперименте NOMAD" был представлен нашим коллегой по сотрудничеству NOMAD - Роберто Петти (ЦЕРН). Одним из важнейших параметров электрослабой теории является угол Вайнберга. Необходимость прецизионного измерения угла Вайнберга возникла в последнее время в связи с появлением противоречивого результата нейтринного эксперимента NuTeV (Лаборатория имени Ферми). Этот результат отличается от теоретического предсказания в рамках Стандартной модели, основанного на измерениях в экспериментах на e+e- коллайдерах LEP (ЦЕРН) и SLC (Cтэнфорд).

В эксперименте NOMAD угол Вайнберга определяется из анализа отношения сечений взаимодействия мюонных нейтрино по каналам нейтрального и заряженного токов. К настоящему времени завершен важный этап работы по анализу экспериментальных данных и определению как статистических, так и систематических ошибок. Важный вклад в устранение теоретических неопределенностей в этом анализе внесли теоретики Сергей Алехин (ИФВЭ, Протвино) и Андрей Арбузов (ЛТФ, ОИЯИ). Они выступили с докладами на совещании.

Сергей Алехин рассказал об извлечении структурных функций при малых значениях переданного импульса, а также о предварительных результатах КХД анализа данных эксперимента NOMAD. Андрей Арбузов доложил окончательные результаты расчетов радиационных поправок к глубоко-неупругому рассеянию нейтрино, а также о практических рецептах использования полученных результатов для анализа данных эксперимента NOMAD. Хотелось бы особенно отметить тесное сотрудничество между экспериментаторами и теоретиками, а также высокий уровень научной дискуссии при активном участии Олега Теряева (ЛТФ, ОИЯИ). Планируется, что большая и важная работа по измерению угла Вайнберга в эксперименте NOMAD будет завершена в 2005 году.

В докладе Геннадия Лыкасова (ЛЯП, ОИЯИ) "Множественность адронов в полуинклюзивном рассеянии нейтрино на нуклонах и ядрах" были использованы данные эксперимента NOMAD для сравнения с предсказаниями кварк-глюонной струнной модели при малых значениях переданного импульса.

Доклад Олега Самойлова был посвящен поиску в нейтринных взаимодействиях экзотического барионного резонанса с положительной странностью (пентакварка) +(1530) в эксперименте NOMAD. Идея такого исследования появилась в связи с сообщениями о наблюдении в нескольких экспериментах, включая новый анализ данных нейтринных экспериментов на пузырьковых камерах, экзотических объектов в мире частиц, названных пентакварками. Цель анализа - на данных эксперимента NOMAD провести тщательное исследование возможных систематических ошибок и оценить статистическую достоверность превышения сигнала над фоном. Результаты анализа и методы расчета фона и систематических ошибок, а также ответы на многочисленные вопросы рецензентов из числа участников коллаборации изложены в трех меморандумах. В настоящее время все меморандумы представлены для обсуждения их членами коллаборации с целью подготовки научной статьи.

В докладе Артема Чуканова "Исследование множественного рождения нейтральных странных частиц в эксперименте NOMAD" были существенно уточнены выходы нейтральных странных частиц в нейтринных взаимодействиях. Установлено, что экспериментально измеренные выходы нейтральных странных частиц в 1,5-2 раза меньше модельного предсказания на основе широко известных программ LUND (JETSET). Для правильного описания рождения странных частиц в нейтринных взаимодействиях был определен новый набор параметров программы JETSET.

Следует отметить, что на ближайшее десятилетие данныe эксперимента NOMAD останутся уникальными для детального исследования свойств нейтрино и нейтринных взаимодействий.

Проект HARP
Другой важный проект, который обсуждался на рабочем совещании, - эксперимент HARP. Основная цель эксперимента - получение более полных и точных данных о выходах вторичных адронов в диапазоне импульсов от 1,5 до 15 ГэВ/с на пучке ускорителя PS (CERN) для оптимизации проекта создания нового интенсивного источника нейтрино на базе мюонного накопителя (проект нейтринной фабрики). Дополнительно будет получена информация, позволяющая точнее предсказать нейтринные спектры и потоки в ускорительных экспериментах K2K (Япония) и MiniBooNE (США) по поиску нейтринных осцилляций. Это крайне важно для правильной интерпретации результатов этих экспериментов. На совещании сотрудники НЭОФЭЧ ЛЯП доложили о ходе работ по проекту HARP.

Борис Попов рассказал о состоянии дел по анализу данных с использованием спектрометра для частиц под малыми углами. В качестве одного из ключевых элементов установки HARP используются 23 большие дрейфовые камер для восстановления траекторий частиц и определения их импульсов. Эти дрейфовые камеры ранее были использованы в эксперименте NOMAD. Физики из НЭОФЭЧ ЛЯП участвовали как в подготовке камер к работе и их обслуживании во время набора данных, так и в разработке оптимальных алгоритмов для восстановления треков в дрейфовых камерах и в дальнейшем анализе данных. Цель текущего анализа - измерить дифференциальные сечения рождения пионов при взаимодействии протонов с импульсом 12,9 ГэВ/с с точной копией алюминиевой мишени, использованной в эксперименте K2K. Анализ близок к завершению. Первая научная публикация планируется к летним конференциям.

Юрий Нефедов доложил об анализе статических искажений электрического и магнитного полей при восстановлении треков во время-проекционной камере (TPC) установки HARP. К настоящему времени проделан большой объем работы по учету статических искажений для одного из вариантов процедуры фитирования треков, однако предстоит применить предложенный метод учета искажений для другой процедуры фитирования.

Проект OPERA
Основной целью эксперимента OPERA является прямое доказательство существования нейтринных осцилляций посредством регистрации появления тау-нейтрино в пучке мюонных нейтрино от ускорителя SPS (CERN). Взаимодействия тау-нейтрино регистрируются с помощью ядерной фотоэмульсии в детекторе, расположенном в подземной лаборатории Гран-Сассо (Италия) на расстоянии 732 км от источника нейтрино.

Работа, которая ведется в НЭОФЭЧ ЛЯП с участием ЛИТ по созданию в ОИЯИ автоматической сканирующей станции для просмотра ядерной фотоэмульсии в рамках проекта OPERA, была представлена в докладе Вячеслава Терещенко.

Елена Наумова рассказала о возможностях пакета компьютерных программ, который используется в настоящее время европейской частью коллаборации в качестве основы для обработки и анализа данных, полученных при сканировании фотоэмульсии в эксперименте OPERA.

Дискуссия
Вопросу правильного вывода формулы для вероятности нейтринных осцилляций был посвящен доклад Дмитрия Наумова (НЭОФЭЧ ЛЯП). Этот вопрос уже на протяжении многих лет обсуждается теоретиками. Стремительное развитие физики нейтрино и, особенно, экспериментальные исследования нейтринных осцилляций требуют более тщательного и самосогласованного подхода к вопросу о правильном теоретическом описании нейтринных осцилляций. Докладчик обратил внимание на некоторые неоднозначности при выводе формулы для вероятности нейтринных осцилляций.

Специальное заседание на рабочем совещании с участием коллег из ИФВЭ (Протвино) - А.С.Вовенко, А.И.Мухин, В.И.Корешев, В.Н.Горячев, Ю.И.Саломатин - было посвящено обсуждению состояния дел и научной программы на установке "Нейтринный детектор ИФВЭ-ОИЯИ" (НД). Подготовительные работы по модернизации установки в целом завершены, что позволяет перейти от тестовых сеансов к физическому набору данных. Совещание отметило необходимость форсировать подготовку программного обеспечения для обработки данных. В последнее время к разработке программного обеспечения для восстановления событий в установке НД подключились сотрудники ЛИТ ОИЯИ И.М.Иванченко и Н.Н.Карпенко и мы надеемся на расширение этого сотрудничества. Первоочередной физической задачей на НД является измерение квазиупругого и полного сечения рассеяния нейтрино в области энергий 1-5 ГэВ, что важно для интерпретации данных будущих экспериментов по поиску нейтринных осцилляций.

О перспективах развития нейтринной физики в Европе
Жак Дюмарше (LPNHE, Париж) рассказал о перспективах развития нейтринной физики на ближайшие десять лет, которые активно обсуждаются французскими коллегами. Существует большое количество интересных идей и проектов, среди которых эксперименты по поиску двойного безнейтринного бета-распада в предположении майорановской природы массы нейтрино; реакторный эксперимент по измерению угла смешивания 13 - ключевого элемента матрицы смешивания Понтекорво-Маки-Накагава-Саката.

Особый интерес представляют ускорительные эксперименты с нейтринными пучками нового поколения (пучки нейтрино высокой интенсивности от сверхмощного протонного линейного ускорителя SPL (CERN) или так называемые бета-пучки нейтрино, которые образуются от распадов ускоренных радиоактивных ядер, что позволяет получать 100-процентно чистые пучки нейтрино или антинейтрино). Для размещения новых детекторов планируется создать большую подземную лабораторию Модано на границе между Францией и Италией. Целью ускорительных экспериментов является не только измерение угла смешивания 13, но и определение иерархии масс нейтрино, а также исследование возможного нарушения CP-симметрии в нейтринном секторе (в случае, если угол смешивания 13 отличен от нуля).

Интересно отметить, что в настоящее время многие европейские группы активно включились в исследования осцилляций нейтрино, которые будут проводиться на строящемся ускорительном комплексе JPARC в Японии. Европейцы берутся за создание так называемого "промежуточного" детектора на расстоянии двух километров от источника нейтрино, который служит для точного предсказания спектра и потока нейтрино для "дальнего" детектора, расположенного на расстоянии 295 км. В качестве магнитной системы "промежуточного" детектора решено задействовать большой магнит, который ранее использовался в эксперименте NOMAD.

В заключение следует отметить, что рабочее совещание по "нейтринной физике на ускорителях" продолжило свою почти 30-летнюю историю и прошло на высоком научном уровне. Оно еще раз доказало актуальность и важность исследований в области нейтринной физики и предоставило возможность для научной дискуссии между экспериментаторами и теоретиками. Надеемся, что нам удастся сохранить и развить эти хорошие традиции.

Оргкомитет совещания благодарит всех сотрудников, которые приняли активное участие в подготовке и проведении рабочего совещания.

С. А. Бунятов, Б. А. Попов