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 12 (4509) от 17 апреля 2020:


№ 12 в формате pdf
 

Горизонты научного поиска

Эксперимент T2K:

новые результаты исследования нарушения CP-симметрии с помощью осцилляций нейтрино и антинейтрино

Физические законы позволяют описать поведение материи и антиматерии в большинстве наблюдаемых явлений. Хорошо известно, что существует асимметрия между веществом и антивеществом, которая проявляет себя при наблюдении Вселенной, состоящей главным образом из материи с небольшой долей антиматерии. В соответствии с теорией Большого взрыва, в первый момент образовалось равное количество вещества и антивещества.

Для того, чтобы процесс эволюции Вселенной привел к наблюдаемому доминированию материи над антиматерией, необходимо существование нарушения комбинированной зарядово-пространственной (CP) четности (CP-симметрия - это произведение двух симметрий: C - зарядовое сопряжение, которое превращает частицу в ее античастицу, и P - четность, которая создает зеркальное изображение физической системы). До настоящего времени нарушение CP-симметрии было экспериментально обнаружено только в кварковом секторе. Однако из-за малости масс кварков по сравнению с характерным масштабом шкалы электрослабого взаимодействия (~100 ГэВ) нарушение CP-симметрии в кварковом секторе не позволяет объяснить наблюдаемый дисбаланс между веществом и антивеществом во Вселенной.

В эксперименте T2K впервые исследуется другой механизм нарушения CP-симметрии, на этот раз в лептонном секторе, который экспериментально проявляется в различии между вероятностями осцилляций для нейтрино и антинейтрино. Наблюдение нарушения CP-симметрии в нейтринных осцилляциях вместе с несохранением лептонного числа может служить косвенным аргументом в пользу объяснения барионной асимметрии Вселенной через механизм лептогенезиса (лептогенезис - процесс возникновения лептон-антилептонной асимметрии (ненулевого лептонного числа) на ранних стадиях образования Вселенной).

Эксперимент T2K (см. номер 29 еженедельника "Дубна" от 26 июля 2013) использует интенсивные пучки мюонных нейтрино и антинейтрино, полученные с помощью углеродной мишени, в которой взаимодействуют протоны от ускорительного комплекса J-PARC (Токай), расположенного на восточном побережье Японии. Небольшая доля этих нейтрино (и антинейтрино) регистрируется на расстоянии 295 км с помощью известного водного черенковского детектора Super-Kamiokande, который расположен под горой Икенояма вблизи западного побережья Японии. Процесс осцилляций нейтрино приводит к тому, что в пути от Токай до Super-Kamiokande некоторые из мюонных нейтрино (антинейтрино) переходят в электронные нейтрино (антинейтрино), взаимодействия которых регистрируются и идентифицируются в детекторе Super-Kamiokande благодаря различию между кольцами черенковского излучения для мюонов и электронов. Детектор Super-Kamiokande не позволяет различать взаимодействия нейтрино и антинейтрино, однако в эксперименте T2K можно исследовать отдельно осцилляции нейтрино и антинейтрино благодаря возможности создания пучков как нейтрино, так и антинейтрино от ускорителя J-PARC.

Коллаборация T2K недавно опубликовала новые результаты в журнале Nature (DOI: 10.1038/s41586-020-2177-0 Nature Vol. 580, pp. 339-344): в результате исследования нейтринных осцилляций удалось получить наилучшие на сегодняшний день ограничения на параметр нарушения CP-симметрии в лептонном секторе. С использованием пучков мюонных нейтрино и антинейтрино изучены различия между процессами осцилляций нейтрино и антинейтрино. Параметр, который определяет степень нарушения симметрии между веществом и антивеществом, cp, может принимать значения в интервале от -180° до 180° (рис.1). Новые результаты, опубликованные коллаборацией T2K, позволяют впервые исключить почти половину возможных значений параметра cp на уровне достоверности 99,7% (3), а также впервые продемонстрировать возможность исследования этого фундаментального свойства нейтрино. Это важнейший этап для понимания различий в поведении между нейтрино и его античастицей - антинейтрино. Новые результаты получены в результате анализа полного набора данных, накопленных в эксперименте T2K до 2019 года.

Рис.1: Область возможных значений для параметра cp.
Стрелка указывает на наиболее вероятное значение, полученное из анализа данных эксперимента T2K.
Серая область соответствует параметрам, исключенным на уровне достоверности 99,7% (3).
Результаты приведены для нормальной иерархии масс нейтрино.

Коллаборация T2K проанализировала и опубликовала данные, которые соответствуют статистике сброшенных на мишень протонов 1,49x1021 и 1,64x1021 для пучка нейтрино и антинейтрино, соответственно. Если бы параметр cp принимал значения 0° или 180°, то мюонные нейтрино и антинейтрино превращались бы в электронные нейтрино и антинейтрино с одинаковой вероятностью. Все другие значения этого параметра приводят к тому, что вероятность осцилляций для нейтрино и антинейтрино отличается, нарушая таким образом CP-симметрию. При этом, конечно, необходимо учитывать, что в эксперименте T2K легче наблюдать нейтрино, чем антинейтрино, так как сечение взаимодействия для последних в два раза меньше. Чтобы корректно учесть этот и другие экспериментальные эффекты при анализе данных, коллаборация T2K использует события, наблюдаемые в ближнем детекторе ND280, расположенном на расстоянии 280 м от мишени, на которую сбрасываются протоны. Это позволяет детально изучить нейтринные и антинейтринные взаимодействия с веществом, что крайне важно для контроля систематических неопределенностей. В анализе также используется результат точного измерения угла смешивания 13, полученный в экспериментах с реакторными антинейтрино.

В эксперименте T2K в дальнем детекторе зарегистрировано 90 событий, которые были классифицированы как взаимодействия электронных нейтрино, и 15 взаимодействий электронных антинейтрино. Для значения cp = -90°, которое соответствует максимальному увеличению вероятности осцилляций нейтрино, мы ожидаем 82 взаимодействия электронных нейтрино и 17 взаимодействий электронных антинейтрино. Значение cp = +90°, которое соответствует максимальному увеличению вероятности осцилляций антинейтрино, привело бы к наблюдению 56 взаимодействий электронных нейтрино и 22 взаимодействий электронных антинейтрино. На рис.2 показан энергетический спектр зарегистрированных событий для нейтрино и антинейтрино. Предсказания приведены для нормальной иерархии масс нейтрино (m1<m2<m3). Видно, что данные лучше соответствуют значению cp = -90°. С использованием этих экспериментальных данных коллаборация T2K определила область исключенных параметров cp на уровне достоверности 99,7% (3), которая лежит в интервале от -2° до 165°. Значения cp 0° и 180°, которые не нарушают CP-симметрию, исключены на уровне достоверности 95%, что указывает на наличие нарушения CP-симметрии в лептонном секторе.

Рис.2: Энергетический спектр зарегистрированных событий для нейтрино (слева) и антинейтрино (справа).
Также показаны предсказания для различных значений параметра cp.

Для увеличения чувствительности эксперимента колаборация T2K в настоящее время проводит модернизацию ближнего детектора ND280, чтобы уменьшить систематические погрешности и улучшить качество набираемых данных. Одновременно ведется работа по увеличению интенсивности пучка протонов от ускорителя J-PARC и, соответственно, увеличению мощности нейтринных и антинейтринных пучков.

Более того, недавно одобренный в Японии детектор нового поколения Hyper-Kamiokande, масса которого в 8 раз больше массы Super-Kamiokande, будет введен в эксплуатацию в 2027 году. Эта гигантская обсерватория позволит существенно улучшить чувствительность исследований по поиску распада протона, по регистрации нейтрино от астрофизических источников, а также будет использоваться в качестве нового дальнего детектора для ускорительных нейтрино. Одной из ключевых задач нового проекта является обнаружение нарушения CP-симметрии в лептонном секторе на уровне достоверности 5 и прецизионное измерение параметра cp.

Экспериментальная установка Т2К была разработана, создана и эксплуатируется международной коллаборацией, в которую входят более 450 ученых, представляющих 68 научных организаций из 12 стран (Великобритания, Вьетнам, Германия, Испания, Италия, Канада, Польша, Россия, США, Франция, Швейцария, Япония). Эксперимент финансируется Министерством образования, науки, культуры и спорта (MEXT) Японии, NSERC, NRC и CFI, Канада; CEA и CNRS/IN2P3, Франция; DFG, Германия; INFN, Италия; Министерством науки и высшего образования, Польша; Российской Академией наук, РФФИ, РНФ и Министерством высшего образования и науки, Россия; MICINN и CPAN, Испания; SNSF и SER, Швейцария; STFC, Великобритания; DOE, США.

Российский участник эксперимента T2K - Институт ядерных исследований РАН. Физики из Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ внесли определяющий вклад в прецизионные измерения выходов адронов в протон-углеродных взаимодействиях при энергии 30 ГэВ в эксперименте NA61/SHINE на ускорителе SPS (ЦЕРН). Эти данные используются для точного вычисления спектров и потоков нейтрино и антинейтрино в эксперименте T2K.

Недавно группа из ЛЯП ОИЯИ подключилась к работам по модернизации ближнего детектора ND280 для второй фазы эксперимента Т2К. Сотрудники этой группы участвуют в тестировании прототипа элементов высокогранулированной активной мишени для этого детектора, в разработке системы калибровки и в подготовке конструкторской документации.

Более детальную информацию об эксперименте и коллаборации Т2К можно найти на странице http://t2k-experiment.org.

Профессор Юрий Куденко, заведующий Отделом физики высоких энергий ИЯИ РАН,
Борис Попов, старший научный сотрудник Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ,
участники коллаборации T2K.
 


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