Поиск нейтринных взаимодействий и исследование свойств нейтрино с помощью электронных детекторов в эксперименте OPERA

• Автор: Дмитриевский, Сергей Геннадьевич
• Шифр специальности: 01.04.16
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2015
• Место защиты: Дубна
• Количество страниц: 141 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ НЕЙТРИНО

1Л. Нейтринные осцилляции: за рамками Стандартной модели

1.1.1. Формализм описания осцилляций нейтрино

1.1.2. Экспериментальные измерения параметров осцилляций

1.1.3. Актуальность поиска осцилляций в канале —> ту

1.1.4. Предшественники эксперимента OPERA

1.2. Поиск экзотических свойств нейтрино

1.2.1. Актуальность поиска экзотических свойств нейтрино . .

1.2.2. Экспериментальные измерения скорости нейтрино

ГЛАВА 2. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА OPERA
2.1. Основная цель и задачи эксперимента
2.2. Нейтринный пучок CNGS
2.2.1. Получение пучка мюонных нейтрино
2.2.2. Подземная Лаборатория LNGS
2.3. Структура гибридного детектора OPERA
2.3.1. Мишень и эмульсионный детектор
2.3.2. Электронные детекторы
2.4. Калибровка и мониторирование Трековой системы целеуказания
2.4.1. Калибровка фотоумножителей
2.4.2. Калибровка сцинтилляционных стрипов
2.4.3. Мониторирование ТСЦ с помощью мюонов
2.5. Схема анализа событий эксперимента

2.6. Типы нейтринных событий
2.6.1. Топология сигнальных событий
2.6.2. Основные источники фона
2.7. Современный статус эксперимента
ГЛАВА 3. ИДЕНТИФИКАЦИЯ БЛОКОВ МИШЕНИ, СОДЕРЖАЩИХ ВЕРШИНУ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ НЕЙТРИНО
3.1. Процедура идентификации блоков с вершиной события
3.1.1. Фильтрация сигналов в ТСЦ
3.1.2. Реконструкция мюонного трека
3.1.3. Реконструкция оси адронного ливня
3.1.4. Определение стенки мишени с вершиной события
3.1.5. Определение блока мишени с вершиной события
3.2. Программа OpBrickFinder
ГЛАВА 4. ИЗМЕРЕНИЕ СКОРОСТИ НЕЙТРИНО
4.1. Принцип измерения времени пролета нейтрино
4.2. Система измерения времени CERN—LNGS
4.3. Результаты анализа для стандартного режима CNGS
4.4. Результаты анализа для специального режима CNGS 2011 г
4.5. Анализ данных для специального режима CNGS 2012 г
4.5.1. Анализ с помощью сигналов от мюонов в ТСЦ
4.5.2. Итоговые результаты по измерению скорости v и v
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
БЛАГОДАРНОСТИ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ
Стандартная модель (СМ) взаимодействий элементарных частиц прошла успешную проверку в многочисленных экспериментах. Открытие бозона Хиггса, предсказываемого СМ, явилось новым триумфом этой теории. В то же время многое говорит за то, что СМ требует дальнейшего развития и обобщения, поскольку в ее современном варианте игнорируется гравитация, содержится большое количество свободных параметров, и кроме того имеются трудности с объяснением преобладания вещества над антивеществом, существования темной материи и темной энергии и др. Исходя из этого, поиск и изучение явлений, выходящих за рамки СМ, приобретают все большую актуальность. На сегодняшний день, возможно, единственным таким явлением, установленным с достаточной надежностью, являются осцилляции нейтрино, которые связаны с ненулевой массой и смешиванием этих частиц.
Возможность перехода нейтрино из одного типа в другой (для известных на то время ие и Рс), впервые была предсказана Б. Понтекорво в 1957 г. [1]. Дальнейшее развитие этой идеи для нейтрино разных ароматов последовало в работах [2,3]. Самые ранние указания на эффекты, связанные с осцилляциями (т.н. проблема “дефицита солнечных нейтрино”), появились в конце 60-х гг. прошлого века в эксперименте НОМЕБТАКЕ [4]. Позднее несколькими экспериментами (см. [5-7]) было обнаружено несоответствие предсказываемых и регистрируемых потоков ие и из атмосферы, рождающихся в адронных ливнях, получившее название “аномалии атмосферных нейтрино”. Однако по-настоящему убедительное и статистически обеспеченное доказательство наличия осцилляций, было сделано в эксперименте ЗиРЕД-КАМЮКАНПЕ в 1998 г. [8]. С тех пор это явление интенсивно исследуется во многих экспериментах с солнечными, атмосферными и реакторными нейтрино, а также нейтрино, получаемыми на ускорителях [9]. Работа с нейтринным пучком от ускорителя имеет ряд преимуществ, поскольку появляется возможность

ка). На втором этапе выполнялся визуальный просмотр событий, по итогам которого в среднем отбиралось та 5% из них. В результате для анализа было отобрано 866 кандидатов на взаимодействие нейтрино в детекторе, полная эффективность поиска которых составляла 0,72 для случая ит СС-событий. После проявки эмульсий проводилось их автоматическое сканирование. Методика автоматического сканирования ядерных эмульсий, начиная с 80-х гг. прошлого века, развивалась в Нагойском университете; техника, использованная при обработке материалов эксперимента DONuT, описана в [58].
Основными источниками фона при поиске взаимодействий (1.17) являлись события, инициированные ve и с рождением короткоживущих очарованных адронов по каналу заряженного тока
Ul + N —> Jr + С* + X, где I = (е, fi), а С = (D, Db, Лг), а также неупругие взаимодействия вторичных адронов с одним или тремя заряженными адронами в конечном состоянии.
Для классификации событий и выделения взаимодействий, инициированных iyT, использовались многомерные байесовы критерии. Итоговые результаты, основанные на наблюдении 9 событий-кандидатов при среднем фоне 1,5 события, были опубликованы в работе [59]. При этом обнаруженные тау-нейтрино могли являться как ит, так и vT. Также в эксперименте DONUT было впервые измерено сечение взаимодействия тау-нейтрино высокой энергии с веществом детектора.
Эксперимент CHORUS. В эксперименте на короткой базе CHORUS с помощью эмульсионной методики проводился поиск нейтринных осцилляций в канале vfl —» ит и исследовались процессы рождения очарованных адронов во взаимодействиях ип. Эксперимент проводился в Европейской организации по ядерным исследованиям (CERN) с 1994 по 1997 гг. с пучком нейтрино широкого спектра от ускорителя SPS [60] (со средней энергией нейтрино 26 Гэв, значительно превышающей порог рождения т). Гибридная установ-