MINOS

MINOS (англ. Main injector neutrino oscillation search) — эксперимент физики элементарных частиц, предназначенный для изучения феномена осцилляций нейтрино, впервые обнаруженных в эксперименте Супер-Камиоканде (Super-K) в 1998 году. Нейтрино, производимые NuMI («нейтрино от главного инжектора») в Фермилабе вблизи Чикаго, затем наблюдаются двумя детекторами, один расположен очень близко к тому месту, где производится нейтринный луч («Ближний детектор»), и ещё один гораздо более крупный детектор, расположенный в 735 км в северной Миннесоте («дальний детектор»).

Общий вид детектора MINOS. Слева находится рубка управления и дальше справа — фреска Джозефа Джаннетти.

Эксперимент MINOS начал обнаруживать нейтрино из пучка NuMI в феврале 2005 года. 30 Марта 2006 года, коллаборация MINOS объявила, что анализ исходных данных, собранных в 2005 году, соответствует нейтринным осцилляциям с параметрами колебаний, которые согласуются с измерениями супер-К[1]. MINOS получил последние нейтрино от линии пучка Нуми в полночь 30 апреля 2012 года.[2][3]. Затем он был обновлён до MINOS+, который начал принимать данные в 2013 году. Эксперимент был остановлен 29 июня 2016 года, а дальний детектор был демонтирован и удалён.

Детекторы
Служебное здание MINOS в Фермилабе, вход в подземный зал MINOS, где находится ближайший детектор[4].

В эксперименте есть два детектора.

  • Ближний детектор аналогичен дальнему детектору по конструкции, но меньше по размеру и имеет массу 980 tons (t). Он расположен в Фермилабе, в нескольких сотнях метров от графитовой мишени, с которой взаимодействуют протоны примерно в 100 метрах под землёй. Ввод в эксплуатацию близкого детектора был произведён в декабре 2004 года и в настоящее время он полностью функционирует.
  • Дальний детектор имеет массу 5,4 kt. Он расположен в шахте Судан на севере штата Миннесота на глубине 716 метров. Дальний детектор был полностью введён в эксплуатацию с лета 2003 года, и принимает данные о космических лучах и атмосферных нейтрино с самого начала своего строительства.

Оба детектора MINOS представляют собой стальные сцинтилляторные пробоотборные калориметры, изготовленные из чередующихся плоскостей намагниченных стальных и пластмассовых сцинтилляторов. Магнитное поле применяется для отклонения траекторий мюонов, образующийся при взаимодействии мюонных нейтрино с мишенью, что делает возможным отличить взаимодействие с нейтрино от взаимодействия с антинейтрино. Эта особенность MINOS детекторов позволяют MINOS искать CPT-нарушение с атмосферными нейтрино и антинейтрино.

Пучок нейтрино
NuMI помещение с детектором (слева), начальная точка туннеля NuMI с главным инжектором на заднем плане.[5]

Для производства в NuMI потока нейтрино используется главный инжектор мощностью 120 ГэВ, протонные импульсы попадают в охлаждаемую водой графитовую мишень. В ходе взаимодействия протонов с материалом мишени образуются пионы и каоны, которые фокусируются магнитным полем управляющей системы. Последующие распады пионов и каонов генерируют пучок нейтрино. Большинство из них мюонные нейтрино, с небольшим электронным нейтринным загрязнением. Нейтринные взаимодействия в ближнем детекторе используются для измерения начального потока нейтрино и энергетического спектра. Подавляющее большинство нейтрино, вследствие слабого взаимодействия не взаимодействующее с материей, проходит через Ближний детектор и 734 км горных пород, затем через дальний детектор и в космос. На пути к Судану находится около 20 % мюонных нейтрино в ходе осцилляций превращаются в другие типы.

Физические цели и результаты

MINOS измеряет разницу в составе пучка нейтрино и распределении энергии в ближних и дальних детекторах с целью получения прецизионных измерений квадратичной разности масс нейтрино и угла смешивания. Кроме того, MINOS ищет появление электронных нейтрино в дальнем детекторе, и будет либо измерять, либо устанавливать предел вероятности осцилляций мюонных нейтрино в электронные нейтрино.

29 июля 2006 года коллаборация «Минос» опубликовала статью, в которой они представили свои первоначальные измерения параметров колебаний, полученные по исчезновению мюонных нейтрино. Они таковы: Δm2
23 = 2,74+0,44
−−0,26 × 10−3 eV2/c4 and sin2(2823) > 0.87 (68 % доверительная вероятность).[6][7]

В 2008 году компания MINOS опубликовала ещё один результат, используя более чем в два раза больше предыдущих данных (3.36×1020 протонных соударений о мишень; с учётом первого набора данных). Это наиболее точное измерение Δm2. Результаты: Δm2
23 = 2,43+0,13
−−0,13 × 10−3 eV 2/c4 and sin2(2823) > 0.90(90 % доверительная вероятность).[8]

В 2011 году вышеприведённые результаты были вновь обновлены с использованием более чем двукратной выборки данных (экспозиция 7,25×1020 протонов на мишень) и усовершенствованной методологии анализа. Результаты: Δm2
23 = 2,32+0,12
−−0,08 × 10−3 eV2/c 4 and sin2 2823) > 0.90 (90 % доверительная вероятность).[9]

В 2010 и 2011 годах MINOS сообщил результаты, согласно которым существует разница в исчезновении и, следовательно, массах между антинейтрино и нейтрино, что нарушило бы CPT-симметрию.[10][11][12] Однако после того, как в 2012 году были оценены дополнительные данные, MINOS сообщил, что этот разрыв сократился и никакого превышения больше нет.[13][14]

Результаты измерений космических лучей на Дальнем детекторе MINOS показали, что существует сильная корреляция между измеренными космическими лучами высокой энергии и температурой стратосферы. Впервые показано, что суточные колебания вторичных космических лучей от подземного мюонного детектора связаны с планетарным масштабом метеорологические явления в стратосфере, такие как внезапное потепление стратосферы[15], а также смена времён года.[16] Дальний детектор MINOS также способен наблюдать уменьшение космических лучей, вызванных Солнцем и Луной.[17]

Скорость нейтрино

В 2007 году в ходе эксперимента с детекторами Миноса была обнаружена скорость движения 3 нейтрино, равная 1,000051 ± (29) при 68 % доверительной вероятности, и с 99 % доверительной вероятностью в интервале между 0,999976 c и 1,000126 c. Центральное значение было выше скорости света; однако неопределённость была достаточно велика, чтобы результат также не исключал скорости, меньшие или равные свету на этом высоком доверительном уровне.[18][19]

После того, как детекторы для проекта были модернизированы в 2012 году, MINOS скорректировал их первоначальный результат и нашёл согласие со скоростью света, с разницей во времени прибытия −0,0006 % (±0,0012 %) между нейтрино и светом. Будут проведены дальнейшие измерения.[20]

Примечания
  1. (30 March 2006). MINOS experiment sheds light on mystery of neutrino disappearance. Пресс-релиз. Архивировано из первоисточника 19 сентября 2007. Проверено 2009-08-03.
  2. MINOS Run Period Run Subrun Ranges (MRPRSR) (недоступная ссылка). Дата обращения: 4 ноября 2012. Архивировано 14 июля 2014 года.
  3. de Jong, Jeffrey 'Final' MINOS Results (12 сентября 2012). Дата обращения: 13 декабря 2012.
  4. Physicists Say Multi-million Dollar Experiment Advancing Smoothly, Wisconsin Online (30 марта 2006). Архивировано 5 марта 2016 года. Дата обращения 14 августа 2015.
  5. Site map of NuMI/MINOS. Fermilab. Дата обращения: 14 августа 2015.
  6. D.G. Michael et al. Observation of muon neutrino disappearance with the MINOS detectors in the NuMI neutrino beam (англ.) // Physical Review Letters : journal. — 2006. — Vol. 97, no. 19. — P. 191801. — doi:10.1103/PhysRevLett.97.191801. — . — arXiv:hep-ex/0607088. — PMID 17155614.
  7. P. Adamson et al. Study of muon neutrino disappearance using the Fermilab Main Injector neutrino beam (англ.) // Physical Review D : journal. — 2008. — Vol. 77, no. 7. — P. 072002. — doi:10.1103/PhysRevD.77.072002. — . — arXiv:0711.0769.
  8. P. Adamson et al. Measurement of neutrino oscillations with the MINOS detectors in the NuMI beam (англ.) // Physical Review Letters : journal. — 2008. — Vol. 101, no. 13. — P. 131802. — doi:10.1103/PhysRevLett.101.131802. — . — arXiv:0806.2237. — PMID 18851439.
  9. P. Adamson et al. Measurement of the neutrino mass splitting and flavor mixing by MINOS (англ.) // Physical Review Letters : journal. — 2011. — Vol. 106, no. 18. — P. 181801. — doi:10.1103/PhysRevLett.106.181801. — . — arXiv:1103.0340. — PMID 21635083.
  10. New measurements from Fermilab's MINOS experiment suggest a difference in a key property of neutrinos and antineutrinos. Fermilab press release (14 июня 2010). Дата обращения: 14 декабря 2011.
  11. MINOS Collaboration. First Direct Observation of Muon Antineutrino Disappearance (англ.) // Physical Review Letters : journal. — 2011. — Vol. 107, no. 2. — P. 021801. — doi:10.1103/PhysRevLett.107.021801. — . — arXiv:1104.0344. — PMID 21797594.
  12. MINOS Collaboration. Search for the disappearance of muon antineutrinos in the NuMI neutrino beam (англ.) // Physical Review D : journal. — 2011. — Vol. 84, no. 7. — P. 071103. — doi:10.1103/PhysRevD.84.071103. — . — arXiv:1108.1509.
  13. Fermilab experiment announces world's best measurement of key property of neutrinos. Fermilab press release (5 июня 2012). Дата обращения: 20 июня 2012.
  14. MINOS Collaboration. An improved measurement of muon antineutrino disappearance in MINOS (англ.) // Physical Review Letters : journal. — 2012. — Vol. 108, no. 19. — P. 191801. — doi:10.1103/PhysRevLett.108.191801. — . — arXiv:1202.2772. — PMID 23003026.
  15. Osprey, S.; Barnett, J.; Smith, J.; the MINOS Collaboration. Sudden stratospheric warmings seen in MINOS deep underground muon data (англ.) // Geophysical Research Letters : journal. — 2009. — 7 March (vol. 36, no. 5). — P. L05809. — doi:10.1029/2008GL036359. — .
  16. Adamson, P. et al. Observation of muon intensity variations by season with the MINOS far detector (англ.) // Physical Review D : journal. — 2010. — 1 January (vol. 81, no. 1). — P. 012001. — doi:10.1103/PhysRevD.81.012001. — . — arXiv:0909.4012.
  17. Adamson, P. et al. Observation in the MINOS far detector of the shadowing of cosmic rays by the sun and moon (англ.) // Astroparticle Physics : journal. — 2011. — Vol. 34, no. 6. — P. 457—466. — doi:10.1016/j.astropartphys.2010.10.010. — . — arXiv:1008.1719.
  18. P. Adamson (MINOS Collaboration) et al. Measurement of neutrino velocity with the MINOS detectors and NuMI neutrino beam (англ.) // Physical Review D : journal. — 2007. — Vol. 76, no. 7. — P. 072005. — doi:10.1103/PhysRevD.76.072005. — . — arXiv:0706.0437.
  19. D. Overbye. Tiny neutrinos may have broken cosmic speed limit (22 сентября 2011). «That group found, although with less precision, that the neutrino speeds were consistent with the speed of light.».
  20. MINOS reports new measurement of neutrino velocity. Fermilab today (8 июня 2012). Дата обращения: 8 июня 2012.

Ссылки
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.