MINOS

Перейти к навигацииПерейти к поиску
Общий вид детектора MINOS. Слева находится рубка управления и дальше справа — фреска Джозефа Джаннетти.

MINOS (англ. Main injector neutrino oscillation search) — эксперимент физики элементарных частиц, предназначенный для изучения феномена осцилляций нейтрино, впервые обнаруженных в эксперименте Супер-Камиоканде (Super-K) в 1998 году. Нейтрино, производимые NuMI («нейтрино от главного инжектора») в Фермилабе вблизи Чикаго, затем наблюдаются двумя детекторами, один расположен очень близко к тому месту, где производится нейтринный луч («Ближний детектор»), и ещё один гораздо более крупный детектор, расположенный в 735 км в северной Миннесоте («дальний детектор»).

Эксперимент MINOS начал обнаруживать нейтрино из пучка NuMI в феврале 2005 года. 30 Марта 2006 года, коллаборация MINOS объявила, что анализ исходных данных, собранных в 2005 году, соответствует нейтринным осцилляциям с параметрами колебаний, которые согласуются с измерениями супер-К[1]. MINOS получил последние нейтрино от линии пучка Нуми в полночь 30 апреля 2012 года.[2][3]. Затем он был обновлён до MINOS+, который начал принимать данные в 2013 году. Эксперимент был остановлен 29 июня 2016 года, а дальний детектор был демонтирован и удалён.

Детекторы

Служебное здание MINOS в Фермилабе, вход в подземный зал MINOS, где находится ближайший детектор[4].

В эксперименте есть два детектора.

  • Ближний детектор аналогичен дальнему детектору по конструкции, но меньше по размеру и имеет массу 980 tons (t). Он расположен в Фермилабе, в нескольких сотнях метров от графитовой мишени, с которой взаимодействуют протоны примерно в 100 метрах под землёй. Ввод в эксплуатацию близкого детектора был произведён в декабре 2004 года и в настоящее время он полностью функционирует.
  • Дальний детектор имеет массу 5,4 kt. Он расположен в шахте Судан на севере штата Миннесота на глубине 716 метров. Дальний детектор был полностью введён в эксплуатацию с лета 2003 года, и принимает данные о космических лучах и атмосферных нейтрино с самого начала своего строительства.

Оба детектора MINOS представляют собой стальные сцинтилляторные пробоотборные калориметры, изготовленные из чередующихся плоскостей намагниченных стальных и пластмассовых сцинтилляторов. Магнитное поле применяется для отклонения траекторий мюонов, образующийся при взаимодействии мюонных нейтрино с мишенью, что делает возможным отличить взаимодействие с нейтрино от взаимодействия с антинейтрино. Эта особенность MINOS детекторов позволяют MINOS искать CPT-нарушение с атмосферными нейтрино и антинейтрино.

Пучок нейтрино

NuMI помещение с детектором (слева), начальная точка туннеля NuMI с главным инжектором на заднем плане.[5]

Для производства в NuMI потока нейтрино используется главный инжектор мощностью 120 ГэВ, протонные импульсы попадают в охлаждаемую водой графитовую мишень. В ходе взаимодействия протонов с материалом мишени образуются пионы и каоны, которые фокусируются магнитным полем управляющей системы. Последующие распады пионов и каонов генерируют пучок нейтрино. Большинство из них мюонные нейтрино, с небольшим электронным нейтринным загрязнением. Нейтринные взаимодействия в ближнем детекторе используются для измерения начального потока нейтрино и энергетического спектра. Подавляющее большинство нейтрино, вследствие слабого взаимодействия не взаимодействующее с материей, проходит через Ближний детектор и 734 км горных пород, затем через дальний детектор и в космос. На пути к Судану находится около 20 % мюонных нейтрино в ходе осцилляций превращаются в другие типы.

Физические цели и результаты

MINOS измеряет разницу в составе пучка нейтрино и распределении энергии в ближних и дальних детекторах с целью получения прецизионных измерений квадратичной разности масс нейтрино и угла смешивания. Кроме того, MINOS ищет появление электронных нейтрино в дальнем детекторе, и будет либо измерять, либо устанавливать предел вероятности осцилляций мюонных нейтрино в электронные нейтрино.

29 июля 2006 года коллаборация «Минос» опубликовала статью, в которой они представили свои первоначальные измерения параметров колебаний, полученные по исчезновению мюонных нейтрино. Они таковы: Δm2
23 = 2,74+0,44
−−0,26 × 10−3 eV2/c4 and sin2(2823) > 0.87 (68 % доверительная вероятность).[6][7]

В 2008 году компания MINOS опубликовала ещё один результат, используя более чем в два раза больше предыдущих данных (3.36×1020 протонных соударений о мишень; с учётом первого набора данных). Это наиболее точное измерение Δm2. Результаты: Δm2
23 = 2,43+0,13
−−0,13 × 10−3 eV 2/c4 and sin2(2823) > 0.90(90 % доверительная вероятность).[8]

В 2011 году вышеприведённые результаты были вновь обновлены с использованием более чем двукратной выборки данных (экспозиция 7,25×1020 протонов на мишень) и усовершенствованной методологии анализа. Результаты: Δm2
23 = 2,32+0,12
−−0,08 × 10−3 eV2/c 4 and sin2 2823) > 0.90 (90 % доверительная вероятность).[9]

В 2010 и 2011 годах MINOS сообщил результаты, согласно которым существует разница в исчезновении и, следовательно, массах между антинейтрино и нейтрино, что нарушило бы CPT-симметрию.[10][11][12] Однако после того, как в 2012 году были оценены дополнительные данные, MINOS сообщил, что этот разрыв сократился и никакого превышения больше нет.[13][14]

Результаты измерений космических лучей на Дальнем детекторе MINOS показали, что существует сильная корреляция между измеренными космическими лучами высокой энергии и температурой стратосферы. Впервые показано, что суточные колебания вторичных космических лучей от подземного мюонного детектора связаны с планетарным масштабом метеорологические явления в стратосфере, такие как внезапное потепление стратосферы[15], а также смена времён года.[16] Дальний детектор MINOS также способен наблюдать уменьшение космических лучей, вызванных Солнцем и Луной.[17]

Скорость нейтрино

В 2007 году в ходе эксперимента с детекторами Миноса была обнаружена скорость движения 3 нейтрино, равная 1,000051 ± (29) при 68 % доверительной вероятности, и с 99 % доверительной вероятностью в интервале между 0,999976 c и 1,000126 c. Центральное значение было выше скорости света; однако неопределённость была достаточно велика, чтобы результат также не исключал скорости, меньшие или равные свету на этом высоком доверительном уровне.[18][19]

После того, как детекторы для проекта были модернизированы в 2012 году, MINOS скорректировал их первоначальный результат и нашёл согласие со скоростью света, с разницей во времени прибытия −0,0006 % (±0,0012 %) между нейтрино и светом. Будут проведены дальнейшие измерения.[20]

Примечания

  1. ↑ "MINOS experiment sheds light on mystery of neutrino disappearance" (Press release). 2006-03-30. Архивировано из оригинала 19 сентября 2007. Дата обращения: 3 августа 2009.
  2. ↑ MINOS Run Period Run Subrun Ranges (MRPRSR). Дата обращения: 4 ноября 2012. Архивировано из оригинала 14 июля 2014 года.
  3. ↑ de Jong, Jeffrey 'Final' MINOS Results (12 сентября 2012). Дата обращения: 13 декабря 2012. Архивировано 14 июля 2014 года.
  4. ↑ Basu, Paroma (2006-03-30). "Physicists Say Multi-million Dollar Experiment Advancing Smoothly". Wisconsin Online. Архивировано 5 марта 2016. Дата обращения: 14 августа 2015.
  5. ↑ Site map of NuMI/MINOS. Fermilab. Дата обращения: 14 августа 2015. Архивировано 22 апреля 2016 года.
  6. ↑ D.G. Michael et al. Observation of muon neutrino disappearance with the MINOS detectors in the NuMI neutrino beam (англ.) // Physical Review Letters : journal. — 2006. — Vol. 97, no. 19. — P. 191801. — doi:10.1103/PhysRevLett.97.191801. — Bibcode: 2006PhRvL..97s1801M. — arXiv:hep-ex/0607088. — PMID 17155614.
  7. ↑ P. Adamson et al. Study of muon neutrino disappearance using the Fermilab Main Injector neutrino beam (англ.) // Physical Review D : journal. — 2008. — Vol. 77, no. 7. — P. 072002. — doi:10.1103/PhysRevD.77.072002. — Bibcode: 2008PhRvD..77g2002A. — arXiv:0711.0769.
  8. ↑ P. Adamson et al. Measurement of neutrino oscillations with the MINOS detectors in the NuMI beam (англ.) // Physical Review Letters : journal. — 2008. — Vol. 101, no. 13. — P. 131802. — doi:10.1103/PhysRevLett.101.131802. — Bibcode: 2008PhRvL.101m1802A. — arXiv:0806.2237. — PMID 18851439.
  9. ↑ P. Adamson et al. Measurement of the neutrino mass splitting and flavor mixing by MINOS (англ.) // Physical Review Letters : journal. — 2011. — Vol. 106, no. 18. — P. 181801. — doi:10.1103/PhysRevLett.106.181801. — Bibcode: 2011PhRvL.106r1801A. — arXiv:1103.0340. — PMID 21635083.
  10. ↑ New measurements from Fermilab's MINOS experiment suggest a difference in a key property of neutrinos and antineutrinos. Fermilab press release (14 июня 2010). Дата обращения: 14 декабря 2011. Архивировано 2 декабря 2011 года.
  11. ↑ MINOS Collaboration. First Direct Observation of Muon Antineutrino Disappearance (англ.) // Physical Review Letters : journal. — 2011. — Vol. 107, no. 2. — P. 021801. — doi:10.1103/PhysRevLett.107.021801. — Bibcode: 2011PhRvL.107b1801A. — arXiv:1104.0344. — PMID 21797594.
  12. ↑ MINOS Collaboration. Search for the disappearance of muon antineutrinos in the NuMI neutrino beam (англ.) // Physical Review D : journal. — 2011. — Vol. 84, no. 7. — P. 071103. — doi:10.1103/PhysRevD.84.071103. — Bibcode: 2011PhRvD..84g1103A. — arXiv:1108.1509.
  13. ↑ Fermilab experiment announces world's best measurement of key property of neutrinos. Fermilab press release (5 июня 2012). Дата обращения: 20 июня 2012. Архивировано 4 июля 2012 года.
  14. ↑ MINOS Collaboration. An improved measurement of muon antineutrino disappearance in MINOS (англ.) // Physical Review Letters : journal. — 2012. — Vol. 108, no. 19. — P. 191801. — doi:10.1103/PhysRevLett.108.191801. — Bibcode: 2012PhRvL.108s1801A. — arXiv:1202.2772. — PMID 23003026.
  15. ↑ Osprey, S.; Barnett, J.; Smith, J.; the MINOS Collaboration. Sudden stratospheric warmings seen in MINOS deep underground muon data (англ.) // Geophysical Research Letters[англ.] : journal. — 2009. — 7 March (vol. 36, no. 5). — P. L05809. — doi:10.1029/2008GL036359. — Bibcode: 2009GeoRL..36.5809O. Архивировано 23 июля 2018 года.
  16. ↑ Adamson, P. et al. Observation of muon intensity variations by season with the MINOS far detector (англ.) // Physical Review D : journal. — 2010. — 1 January (vol. 81, no. 1). — P. 012001. — doi:10.1103/PhysRevD.81.012001. — Bibcode: 2010PhRvD..81a2001A. — arXiv:0909.4012.
  17. ↑ Adamson, P. et al. Observation in the MINOS far detector of the shadowing of cosmic rays by the sun and moon (англ.) // Astroparticle Physics[англ.] : journal. — 2011. — Vol. 34, no. 6. — P. 457—466. — doi:10.1016/j.astropartphys.2010.10.010. — Bibcode: 2011APh....34..457A. — arXiv:1008.1719.
  18. ↑ P. Adamson (MINOS Collaboration) et al. Measurement of neutrino velocity with the MINOS detectors and NuMI neutrino beam (англ.) // Physical Review D : journal. — 2007. — Vol. 76, no. 7. — P. 072005. — doi:10.1103/PhysRevD.76.072005. — Bibcode: 2007PhRvD..76g2005A. — arXiv:0706.0437.
  19. ↑ D. Overbye (2011-09-22). "Tiny neutrinos may have broken cosmic speed limit". New York Times. Архивировано 26 июня 2018. Дата обращения: 2 мая 2020. That group found, although with less precision, that the neutrino speeds were consistent with the speed of light.
  20. ↑ MINOS reports new measurement of neutrino velocity. Fermilab today (8 июня 2012). Дата обращения: 8 июня 2012. Архивировано 13 июня 2012 года.

Ссылки