Исследование осцилляций мюонных нейтрино в ускорительном эксперименте Т2К

• Автор: Измайлов, Александр Олегович
• Шифр специальности: 01.04.16
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 142 с. : ил.

Оглавление
1 Введение

2 Теоретическое обоснование и обзор экспериментальной ситуации

2.1 Нейтрино в Стандартной модели и за ее пределами

2.2 Феноменология нейтринных осцилляций

2.3 Эксперименты по изучению нейтринных осцилляций

2.3.1 Солнечные нейтрино и эксперимент KamLAND

2.3.2 Осцилляции атмосферных нейтрино

2.3.3 Измерение угла смешивания віз

2.3.4 Параметры PMNS матрицы и будущее нейтринных экспериментов

3 Эксперимент Т2К

3.1 Цели эксперимента
3.2 Экспериментальный комплекс Т2К
3.2.1 Нейтринный пучок Т2К
3.2.2 Мюонный монитор MUMON
3.2.3 Комплекс ближних детекторов ND280+INGRID
3.2.4 Ближний «вне-осевой» («off-axis») детектор ND280
3.2.5 Дальний черенковский детектор Super-Kamiokande
3.2.6 Статус эксперимента Т2К
4 Детектор мюонного пробега SMRD
4.1 Функции детектора
4.2 Структура детектора
4.3 Пластические сцинтилляционные детекторы со спектросмещающими оптическими волокнами
4.3.1 Пластические сцинтилляторы
4.3.2 Спектросмещающие оптоволокна и WLS метод светосбора
4.3.3 Лавинные фотодиоды
4.3.4 Массовое производство индивидуальных SMRD счетчиков
4.4 Измерение параметров индивидуальных SMRD счетчиков
4.4.1 Тесты на пучке
4.4.2 Тесты с космическими частицами
4.5 Сборка SMRD детектора в J-PARC

5 Запуск, калибровка и параметры SMRD детектора
5.1 Запуск SMRD детектора
5.1.1 Система сбора данных
5.1.2 Организация космического триггера
5.2 Калибровка детектора
5.2.1 Калибровка МРРС. Световыход SMRD счетчиков
5.2.2 Моделирование «отклика» SMRD счетчиков
5.2.3 Время-амплитудная коррекция
5.3 Работа SMRD детектора на нейтринном пучке Т2К
6 Реконструкция событий в SMRD и использование SMRD для анализа событий в детекторе ND280
6.1 Реконструкция событий в SMRD
6.1.1 Восстановление координаты вдоль SMRD счетчика
6.1.2 Согласование событий в SMRD с треками из других детекторов ND280
6.1.3 Реконструкция индивидуальных SMRD треков
6.2 Использование SMRD для анализа событий из трекера (FGD-TPC)
ND280
7 Изучение параметров осцилляций мюонных нейтрино
7.1 Данные, используемые для осцилляционного анализа
7.2 Принцип осцилляционного анализа Т2К
7.3 Предсказание потока нейтрино
7.4 Учет сечений взаимодействия нейтрино с веществом
7.5 Анализ событий в ближнем детекторе ND280
7.5.1 Инклюзивный анализ взаимодействий мюонных нейтрино, идущих через заряженные токи
7.5.2 Анализ примеси ve в нейтринном пучке
7.6 Анализ событий в дальнем детекторе Супер-Камиоканде
7.7 Up —> ve осцилляции
7.7.1 Отбор ие событий в дальнем детекторе
7.7.2 Ожидаемое число фоновых событий в дальнем детекторе
7.7.3 Результаты осцилляционного анализа
7.8 і/p —* осцилляции
7.8.1 Отбор Vp событий в дальнем детекторе
7.8.2 Ожидаемое число событий в дальнем детекторе при отсутствии осцилляций и энергетический спектр нейтрино
7.8.3 Результаты осцилляционного анализа
8 Заключение
Литература
Глава
Введение
Актуальность темы исследования
К началу 1970-х годов в результате интенсивных исследований сложилась стройная система описания элементарных частиц и соответствующих экспериментальных данных, получившая название «Стандартная модель», которая включает в себя квантовую хромодинамику для описания сильных взаимодействий и модель Глэшоу-Вайнберга-Салама для описания электрослабых взаимодействий [1,2]. В соответствии со Стандартной моделью все вещество состоит из 12 бесструктурных фермионов: б лептонов и 6 кварков, объединенных в три поколения.
В рамках Стандартной модели нейтрино являются безмассовыми частицами, обладают полуцелым спином 1/2, не имеют электрического заряда и взаимодействуют исключительно слабым образом. Существуют три нейтринных аромата: ь’е, і/д и ит. Экспериментально измеренная ширина распада Z0 бозона [3] с большой точностью соответствует общему числу различных типов нейтрино равному трем, что подтверждает полноту описания и является одним из основополагающих положений модели. Требование нулевой массы нейтрино в Стандартной модели приводит к отсутствию переходов между различными нейтринными ароматами и сохранению собственных лептонных чисел: Ье, и Ьт. Нейтрино также полагаются Дираковскими частицами, то есть нейтрино и антинейтрино соответствующего аромата являются различными частицами. В Стандартной модели нейтрино считаются левыми частицами (значение проекции спина частицы на направление импульса отрицательно), а антинейтрино - правыми. В слабых взаимодействиях участвуют левые нейтрино и правые антинейтрино, что связано с так называемой У-А природой слабых процессов.
Несмотря на то, что предсказания Стандартной модели во многих случаях подтверждаются экспериментально (иногда с крайне высокой точностью в доли процента), очевидно, что эта модель не является «окончательным словом» в физике элементарных частиц, в модели содержится большое количество внешних параметров, а также в модель не включена гравитация. Поиск отклонений от Стандартной модели («новой физики») является активно развивающимся направлением физических исследований последнего времени. Открытие явления нейтринных осцилляций, переходов между нейтринными ароматами, в экспериментах с солнечными, атмосферными, реакторными нейтрино, а также в ускорительных экспериментах привело к принципиальному изменению нашего понимания физики нейтрино, так

передней и задней частях детектора включает в свой состав 7 трековых модулей, разделенных 4 мм пластинами из свинца. Трековые модули имеют размер 220 х 230 х 3.9 см3 и состоят из сцинтилляционных пластин треугольного сечения, расположенных в X и Y направлениях перпендикулярно оси пучка. Общая масса детектора составляет 17 т, из них около 3 т воды. Ожидается, что энергетическое разрешение для событий, полностью содержащихся в активном объеме детектора, составит 10 + 3%//-Е1(ГэВ). Измерения сечений взаимодействий на кислороде будет осуществляться путем сравнения числа событий при наличии воды и в ее отсутствие.
• Трековый детектор: FGD («Fine Grained Detector»)+ ТРС («Time Projection Chamber»). Основной задачей трекового комплекса ND280, состоящего из трех время-проекционных камер ТРС и двух высоко сегментированных детекторов FGD, является измерение потоков i/д и ие, измерение энергетического спектра нейтрино, а также измерение сечений реакций взаимодействия нейтрино с веществом, идущих через заряженные токи. Для измерения энергетического спектра используется квазиупругий (CCQE) процесс V)j + п —> /t” + р, являющийся основным для энергий Т2К. Для правильной идентификации CCQE реакций и последующего восстановления энергии нейтрино желательно регистрировать оба продукта реакции.
FGD детектор. Два FGD модуля имеют размер 230 х 240 х 36 см3. Первый модуль (по направлению пучка) состоит из 30 чередующихся X и Y трековых слоев, расположенных перпендикулярно нейтринному пучку. Во втором модуле трековые слои чередуются с 3 см слоями, заполняемыми водой. Каждый из вышеназванных трековых слоев в FGD модулях представляет собой структуру из 192 сцинтилляционных пластин, имеющих размеры
9.6 х 9.6 х 1864.3 мм3. Пластины, покрытые отражателем из ТЮг, имеют центральное отверстие, в которое вставлено спектросмещающее оптоволокно, с одного конца которого свет регистрируется лавинными фотодиодами. Сегментация детектора дает возможность восстанавливать треки протонов низкой энергии, что позволит отделять CCQE реакции от других, неупругих процессов. Суммарный вес FGD составляет около 2 т.
Время-проекционные камеры ТРС. Основной задачей время-проекционных камер является измерение импульса мюонов от нейтринных взаимодействий в FGD и P0D, а также идентификация заряженных частиц с использованием энергетических потерь dE/dx. Три ТРС камеры имеют активный объем 180 х 200 х 70 см3 каждая. В камерах используется газовая смесь Ar-CF4-ІС4Н10 (95-3-2%), скорость дрейфа составляет 7.5 см/мкс при напряженности поля 200 В/см. Усиление газа и съем сигнала осуществляется с помощью MicroMegas [78] модулей с размером ячейки 9.8 х 7.0 мм2. Всего в ТРС используются 72 MicroMegas модуля, ~124000 каналов. Пространственное разрешение - 0.7 мм. При измерении dE/dx разрешение достигает <10% при длине трека более 70 см, что дает возможность разделить электроны и мюоны на уровне более 5а. Для энергий мюонов <1 ГэВ импульсное разрешение о(р)/р составляет около ~ 8%.
• Электромагнитный калориметр ECal Электромагнитный калориметр со-