Поиск новой физики в лептонном секторе

Участвующие страны и международные организации:

Беларусь, Болгария, Великобритания, Грузия, Германия, Италия, Казахстан, Россия, Словакия, США, Франция, Чехия, Швейцария, Украина, Япония.

Изучаемая проблема и основная цель исследований:

Эксперименты COMET, Mu2e и MEG II посвящены поиску процесса с нарушением лептонного числа для заряженных лептонов µ^- N→e^- N и µ ⁺→e⁺g. При наличии массы у нейтрино данные процессы возможны, но остаются ненаблюдаемыми, т.к. вероятность пропорциональна (Δm²_ij/M²_W)², где Dm²_ij разница квадратов масс i-ой и j-ой нейтринных собственных состояний, а M_w - масса W-бозона. Предсказанные вероятности для процессов µ^- N→e^- N и µ ⁺→e⁺g составляют ~ 10^-50. Эти процессы являются теоретически безупречными объектами при поисках новой физики (НФ). Во многих моделях НФ, включающих массивные нейтрино, вероятности этих процессов существенно увеличиваются и становятся доступными для наблюдений.

Измерение конверсии на уровне 10^-17, что является целью проектов COMET и Mu2e, будет в 10000 раз лучше существующей на сегодня верхней границы по поиску этого процесса на установке SINDRUM-II в PSI, B(µ^-+ Au→µ e ^- + Au) < 7·10^-13.

В эксперименте T2K впервые исследуется механизм нарушения CP-симметрии в лептонном секторе, который экспериментально проявляется в различии между вероятностями осцилляций для нейтрино и антинейтрино. Наблюдение нарушений CP-симметрии в нейтринных осцилляциях вместе с несохранением лептонного числа может служить аргументом в пользу объяснения барионной асимметрии Вселенной через механизм лептогенезиса (лептогенезис - процесс возникновения лептон-антилептонной асимметрии, ненулевого лептонного числа, на ранних стадиях образования Вселенной). На данных эксперимента T2K ожидается наблюдение нарушения CP со значимостью 3σ или выше для случая большого CP-нарушения и измерение параметров смешивания нейтрино, θ₂₃ и Δm²₃₂ с точностью 1,7° или лучше и 1%, соответственно.

Ожидаемые результаты по завершении этапов темы или проектов:

1. COMET: R&D по тонкостенным строу-трубкам для эксперимента COMET. Разработка, создание и испытания прототипов строу-детектора и электромагнитного калориметра на пучке электронов. Участие в сборке и тестировании строу детекторов для COMET фазы-I. Тестирование и калибровка LYSO кристаллов электромагнитного калориметра. Моделирование комплексной системы детектирования эксперимента COMET (строу-трекер, электромагнитный калориметр) для определения аксептанса, ожидаемых ошибок, разработки алгоритма восстановления и т.д. Участие в сборке, наладке и тестировании всего детектора для COMET фазы-I. Участие в космик-тестах детекторов COMET фаза-I. Участие в НИР по созданию и тестированию модулей сцинтилляционных счетчиков вето-системы на космике. Контроль качества готовых модулей. Участие совместно с коллаборацией COMET в создании электромагнитного калориметра и строу-трекера. Участие в инженерном и физическом пуске, сборе данных и анализе фазы-a.

2. T2K: Проектирование приспособлений и оснастки для сборки активной сцинтилляционной мишени нового типа (SuperFGD) объемом около 2-х кубометров. Создание уникального основания для обеспечения сборки мишени. Проведение НИР по исследованию свойств создаваемой мишени. Создание электроники системы калибровки фотодетекторов мишени Super FGD. Сбор и запуск мишени SuperFGD в составе ближнего детектора эксперимента T2K. Участие в анализе данных эксперимента T2K: разработка методов отбора событий и исследования систематических неопределенностей для измерения δ_ср - параметра, ответственного за нарушение CP-четности. Поиск проявлений новой физики в данных T2K.

3. Mu2e: Участие в моделировании, создании и тестировании электромагнитного калориметра и вето-системы. Участие в контроле качества фронтэнд электроники при массовом производстве и в сборке всего электромагнитного калориметра. Проведение радиационных тестов элементов установки. По завершению этапа темы электромагнитный калориметр и вето-система будут подготовлены к включению в состав полной установки.

4. MEG: Создание установки MEG-II и набор данных.

5. Нейтринная платформа ЦЕРН: Участие в создании и тестировании прототипов детекторов для нейтринных экспериментов нового поколения. Для предсказания спектров и потоков нейтрино и антинейтрино в ускорительных экспериментах нового поколения (DUNE, T2K и др.) с точностью лучше 5% необходимо провести исследования с использованием адронных пучков ЦЕРН по измерению выходов адронов в протон-ядерных и пион-ядерных взаимодействиях, что успешно выполняется для эксперимента T2K при активном участии физиков ЛЯП ОИЯИ.

Ожидаемые результаты по этапам темы или проектам в текущем году:

1. Участие в подготовке, инженерно-физическом пуске, сборе и анализе данных фазы-a.

2. Окончательная сборка, тестирование, калибровка, инсталляция, космические испытания и техническое обслуживание строу-детектора для фазы I.

3. R&D программа для производства строу-трубок с толщиной стенки 12 мкм и диаметром 5 мм. Создание прототипа строу-трекера (64 канала) с новыми трубками (12 мкм, 5 мм) и измерение на пучке.

4. Тестирование (сертификация) кристаллов LYSO, используемых в электромагнитном калориметре. Разработка и оптимизация метода калибровки кристаллов для калориметра. Участие в проектировании, сборке, монтаже, космических испытаниях и техническом обслуживании калориметра.

5. Участие в сборке и обслуживании CRV для фазы I.

6. Участие в сборке, тестировании, монтаже и техническом обслуживании всей системы детекторов для фазы I.

7. Моделирование детекторной системы (трекер, калориметр и т.д.) эксперимента COMET.

8. Участие в инженерном и физическом сборе и анализе данных.

9. Изготовление и установка электроники системы калибровки фотодетекторов мишени  SuperFGD.

10. Сборка мишени SuperFGD в составе ближнего детектора эксперимента T2K с использованием уникального основания и системы доступа сверху.

11. Подготовка к запуску ближнего детектора эксперимента Т2К, участие в инженерно-физическом пуске, наборе новых данных и их анализе.

12. Исследование систематических неопределенностей для измерения δ_cp.

13. Поиск проявлений новой физики в данных T2K, включая поиск частиц легкой темной материи.

14. Проведение тестов прототипов электромагнитного калориметра типа CsI и BaF₂ на пучках электронов и гамма-источниках, анализ данных.

15. Участие в подготовке станции контроля качества кристаллов и их тестирование.

16. Заливка CKTN и тестирование партии Sc-счетчиков Mu2e с наполнителями.

17. Разработка и тестирование предусилителей в ОИЯИ для электромагнитного калориметра установки Mu2e.

18. Участие в испытаниях элементов детектора на радиационную стойкость.

19. Участие в создании позитронного трекера установки MEG-II, DAQ, моделирование и обработка данных. Разработка программ для управления электроникой и визуализации событий.

20. Участие в наборе и анализе экспериментальных данных, полученных на пучках ЦЕРН, разработка программного обеспечения.

Сотрудничество по теме: