20 лет назад группа физиков из ОИЯИ присоединилась к поиску тау-нейтрино в рамках международного проекта OPERA. Эксперимент открыл превращения мюонных нейтрино в тау-нейтрино. Вклад сотрудников ОИЯИ в результаты эксперимента OPERA высоко оценен и удостоен первой премии ОИЯИ в категории научно-исследовательские экспериментальные работы за 2021 год.
Ученые ОИЯИ принимали участие в создании детектора Target Tracker, предложили программное обеспечение для этого детектора и точный способ анализа данных, а также участвовали в других работах, рассказал начальник сектора экспериментальной нейтринной физики НЭОФЭЧ ЛЯП Юрий Горнушкин.
Эксперимент OPERA (Oscillation Project with Emulsion tRacking Apparatus) был предложен в 1998 году для доказательства существования νμ ↔ ντ осцилляций. Поток мюонных нейтрино, рожденных на ускорителе SPS в ЦЕРН при столкновениях протонов с мишенью, направлялся к детектору нейтрино в подземную лабораторию Гран-Сассо в Италии на расстояние около 730 км от Женевы.
Регистрация тау-нейтрино – чрезвычайно сложная задача. Впервые это удалось сделать только в 2001 году в американском эксперименте DONuT в Фермилаб с помощью специального эмульсионного детектора ECC. Поиск тау-нейтрино в эксперименте OPERA был задачей еще более сложной: нужно было регистрировать нейтрино на значительном расстоянии от источника, там, где их поток существенно ослаблен.
В начале 2000-х годов началось создание гибридной установки, имевшей мишенную часть и электронные детекторы. Установка была уникальной. При массе около 1200 тонн достигалось исключительно высокое пространственное и угловое разрешение: около 1 микрона и 0,5 мрад соответственно. Благодаря этому стало возможным эффективное распознавание взаимодействий тау-нейтрино по каналу заряженного тока, т. е. прямая регистрация рождения тау-лептона и его распада.
Основные данные были набраны с 2008 по 2012 годы. Всего в детекторе было зарегистрировано около 20 000 взаимодействий нейтрино. Из этих событий с помощью специальных критериев отбора и продвинутых методов анализа, в том числе с использованием нейронных сетей, отобрали кандидатов в тау-нейтрино. При ожидаемых двух фоновых событиях с помощью мультивариативного анализа было обнаружено 10 событий-кандидатов. Достоверность обнаружения превысила 6 стандартных отклонений. Таким образом, осцилляции мюонных нейтрино в тау-нейтрино были открыты, а главная цель эксперимента успешно достигнута. Этот результат стал важным дополнением к исследованиям нейтринных осцилляций в режиме “исчезновения” в других экспериментах, что и было отмечено в нобелевском докладе Такааки Кадзиты в 2015 году.
В представленный на конкурс ОИЯИ цикл вошли результаты, в получении которых члены группы ОИЯИ принимали непосредственное участие.
Группа ОИЯИ активно участвовала в создании Target Tracker (ТТ) ― основного электронного детектора. А именно в изготовлении сцинтилляционных стрипов, в сборке и калибровке модулей во Франции, в монтаже детектора в Гран-Сассо. Более 20 представителей лабораторий ОИЯИ принимали участие в этих работах. Общая площадь ТТ составляет 6200 м2.
«В ОИЯИ после запуска детектора был создан собственный пакет программ обработки данных ТТ для поиска вершин событий в детекторе OPERA, — отмечает Юрий Горнушкин. — Программное обеспечение ОИЯИ оказалось более эффективным, чем базовое, что позволило делать анализ значительно быстрее, а входящий в него графический интерфейс, т.н. “event-display”, был намного более информативным и функциональным».
Группа ОИЯИ была ответственной за анализ данных ТТ и поиск вершин нейтринных событий на протяжении почти всего эксперимента.
Детектор OPERA мог эффективно регистрировать также и электронные нейтрино. Однако осцилляций νμ νе в режиме появления в кинематической области, на которую был настроен эксперимент, обнаружено не было, количество найденных случаев взаимодействия электронных нейтрино соответствовало уровню их примеси в пучке CNGS. Тем не менее анализ событий с электронными нейтрино позволил установить ограничения на существование стерильных нейтрино.
В 2011 году группа участников эксперимента из Лиона выполнила оценку времени пролета нейтрино из ЦЕРНа в Гран-Сассо. Из-за ряда технических погрешностей результат имел большую систематическую ошибку, что привело к парадоксальному результату: нейтрино летит быстрее света! Усилиями других участвующих в OPERA групп довольно быстро удалось обнаружить главный источник ошибки: он был связан с неисправностью в электронике. Юрий Горнушкин отмечает, что одновременно с этим группа ОИЯИ предложила более точный способ анализа данных для регистрации времени взаимодействия нейтрино в ТТ.
«Он дополнительно устранял еще одну значительную систематическую ошибку в результате, полученном французской группой», — подчеркивает он. — Этот метод был использован при получении окончательных результатов измерения скорости нейтрино, которые были опубликованы в 2012 году».
Прецизионное пространственное разрешение эмульсионных детекторов делает анализ событий, зарегистрированных в них, очень наглядным и интуитивно понятным (Рис.2). В рамках проекта CERN Open Data в открытый доступ были выложены данные по наиболее интересным событиям и инструменты для их анализа, с тем чтобы все желающие (включая преподавателей и студентов) могли обработать информацию и получить результат. Этому проекту, осуществленному в значительной мере благодаря группе ОИЯИ, посвящена последняя, опубликованная в 2021 году, статья коллаборации OPERA, вошедшая в представленный на конкурс цикл работ.
Члены группы ОИЯИ 15 раз представляли результаты эксперимента OPERA на международных конференциях. Юрий Горнушкин, руководитель группы ОИЯИ в эксперименте OPERA, с 2012 года является заместителем руководителя коллаборации.
В настоящее время участники OPERA успешно продолжают исследования в других проектах нейтринной программы ОИЯИ: JUNO, NOvA, NA65. Последний эксперимент использует новейшие технологии в области эмульсионных детекторов, разработанные в эксперименте OPERA. С момента предложения эксперимента в 1998 году скорость автоматического считывания трековой информации в эмульсионных детекторах выросла в тысячи раз!. В ускорительном эксперименте NA65 продолжается изучение свойств тау-нейтрино и механизмов их рождения во взаимодействиях протонов с веществом.