Тема: «Исследование нейтринных осцилляций в эксперименте opera» (стр. 3 из 4)
называется вакуумной длинной осцилляций, которая для каждой пары масс (mi, mj) отражает периодическую зависимость сигнала в детекторе от расстояния L. Для регистрации вакуумных осцилляций необходимо, чтобы Lvac£L. Из условия наблюдения осцилляций нейтрино (Lvac£L) следует, что для проведения ускорительного эксперимента с пучком нейтрино со средней энергией En»10 ГэВ, нацеленного на поиск предполагаемых значений Dm2»10-2 – 10-3 эВ2, пролетное расстояние должно составлять L»1000 км. Нейтринные пучки, направляемые на детекторы на такие расстояния, получили название «дальних», а эксперименты - дальнобазовых (long-baseline). Эксперименты с детектором, установленным на близком расстоянии от ускорителя (L»1 км), получили название короткобазовых (short-baseline). Данные эксперименты чувствительны к Dm2=1-10 эВ2. В любом эксперименте величины L и En в большей или меньшей степени размыты, поэтому реально измеряется средняя величина
. Результаты исследований представляются в виде областей допустимых параметров осцилляций 
, согласующихся (обычно на уровне достоверности 90%) с измеренным значением вероятности 
. Наиболее важные ограничения на параметры осцилляций, полученные в существующих и планируемых экспериментах [6], показаны на рис. 1. В общем случае смешивания произвольного числа массивных нейтрино (включая стерильные) вероятность описывается более сложным выражением. В схеме трехароматового анализа экспериментальных данных необходим учет интерференции между значениями 
. В матрице смешивания Uai для трех ароматов нейтрино появляются три угла смешивания (q12, q23, q13) и одна CP-нарушающая фаза δ. В общем случае трехароматового анализа присутствует 6 независимых параметров 
. Обычно, при анализе используют разного рода упрощения в зависимости от условий эксперимента. Сведение к двухароматной схеме – один из вариантов. 
Рис. 1. Границы областей параметров осцилляций, полученные в различных экспериментах, а также достижимые в экспериментах ближайшего будущего. Исключенная часть расположена справа от кривых.
Осцилляции нейтрино в веществе имеют свои особенности. Наличие вещества на пути пучка нейтрино может существенно изменить картину осцилляций. Как показали Л. Вольфштейн, С.П. Михеев и А.Ю. Смирнов, вещество, состоящее из кварков и из электронов, по-разному влияет на распространение различных типов нейтрино. Вероятность осцилляций в веществе отлична от вакуумного случая (9) и для постоянной плотности вещества определяется в виде (11)
где угол qm угол смешивания в веществе связанный с углом смешивания в вакууме q соотношением (12)
Здесь Lvac – длина осцилляции в вакууме, L0 – длина Вольфштейна, характеризующая длину нейтринно-электронного взаимодействия. В существующих дальнобазовых экспериментах и проектах пучки дальних нейтрино проходят в Земле расстояние ~1000 км. Хотя Земля и обладает ненулевой плотностью электронов, но в земных условиях длина Вольфштейна L0»(3500 – 12000) км [2], и поэтому в экспериментах на пролетной базе L£1000 км влияние эффекта материи незначительно и осцилляции сводятся к вакуумным. В веществе при условии Lvac/L0»cos2q осцилляции могут усиливаться (эффект Михеева-Смирнова-Вольфштейна). При выполнении этого условия угол смешивания достигает максимума,
и вероятность принимает вид (13) 
Данное явление наиболее вероятное из существующих решений проблемы солнечных нейтрино. В исследованиях с солнечными нейтрино возможно наблюдение явления регенерации, при котором ne, превратившись на пути сквозь Солнце в nm, при прохождении через Землю в ночное время частично претерпевает обратное превращение. В этом случае должна наблюдаться зависимость потока ne от времени суток – эффект «день/ночь». Так как расстояние и средняя плотность материи, проходимые нейтрино на пути от Солнца до Земли, зависят от времени года, то возможны также сезонные вариации потока ne с максимумом весной и осенью. Резонансный эффект может также проявляться и в Земле, но только в экспериментах с пролетным расстоянием нейтрино порядка ее диаметра (~L0). Влияние материи, приводящее к резонансному усилению осцилляций в Земле CP-несимметрично. Чистый сигнал CP-нарушения можно наблюдать при исследовании в экспериментах с дальними нейтрино T-нарушения [2]. Таким сигналом служит измерение ненулевой T-асимметрии (14)
Для подобных исследований требуется нейтринный пучок смешанного аромата
, получение которого может быть реализовано в будущих экспериментах.§3 OPERA - эксперимент по изучению нейтринных осцилляций
При разработке проекта эксперимента OPERA авторы ориентировались на данные эксперимента с атмосферными нейтрино SUPERKAMIOKANDE [7] в котором были получены оценки для величин
. Данные экспериментов с солнечными нейтрино SUPERKAMIOKANDE, SNO и др. подтверждают существование 
осцилляций [8].§3.1 Виды экспериментов по изучению нейтринных осцилляций
Выделяют два основных класса экспериментов по поиску нейтринных осцилляций:
· эксперименты, ведущие поиск тех типов нейтрино, которые изначально не присутствовали в нейтринном пучке (эксперименты «на возникновение»);
· эксперименты, направленные на обнаружение убывания того типа нейтрино, который был в пучке первоначально (эксперименты «на исчезновение»).
В экспериментах «на возникновение» в имеющемся пучке, в идеальном случае, состоящем только из нейтрино одного аромата, ведется поиск нейтрино другого аромата на расстоянии x от источника. При этом энергии нейтрино должны быть достаточны для возможности детектирования возникающего нейтрино нового отличного от первичного аромата. Преимущество этого класса измерений состоит в высокой чувствительности к малым углам смешивания, так как достаточно зарегистрировать всего несколько нейтрино «неправильного» типа. Обычно ведется поиск одного заранее выбранного канала.
Второй класс экспериментов менее чувствителен к амплитудам смешивания. Чувствительность ограничивается неопределенностями нейтринного потока и нейтринного спектра, а также вероятностью детектирования в детекторе. С другой стороны, эксперименты «на исчезновение» позволяют регистрировать переходы во всевозможные конечные каналы, включая переходы в стерильное нейтрино (например, правые нейтрино и левые антинейтрино). Эксперименты «на исчезновение» очень чувствительны к малым значениям массовых параметров
.Все установки, изучающие осцилляции, для защиты от фона космического излучения располагаются в глубоких подземных шахтах [6]. Ввиду малого сечения взаимодействия нейтрино с веществом (
) такие детекторы (особенно дальние – на расстоянии L~1000 км, в которых из-за расходимости пучка число взаимодействий в пересчете на единицу массы детектора на 5 – 6 порядков меньше, чем в ближних) должны иметь большие массы.§3.2 Экспериментальное обнаружение nt нейтрино
Первое прямое наблюдение nt нейтрино было результатом эксперимента DONUT (Direct Observation of the NU Tau) в 2000г [4, 6]. В DONUT использовалась традиционная постановка эксперимента «beam-dump», когда интенсивный пучок протонов от тэватрона FNAL с энергией 800 ГэВ сбрасывается на толстую мишень большого размера. Затем с помощью магнитов все заряженные частицы уводятся с линии пучка и поглощаются в окружающей защите, а образовавшиеся в мишени нейтрино продолжают двигаться до детектора. Сам детектор представляет собой «сэндвич», состоящий из 1 мм плоскостей железа, прослоенной пластиком толщиной 200 мкм, на который с каждой стороны нанесены слои ядерной фотоэмульсии толщиной по 100 мкм. По оценкам на 1012 nt, прошедших через детектор ожидалось 1 nt-взаимодействие с ядром железа. Распад короткоживущего t-лептона (2.9´10-13 c) идентифицировался по излому на треке. Анализ фотоэмульсионных слоев был сделан группой из Нагои при использовании автоматизированных микроскопов – трекселекторов. Из 203 зарегистрированных нейтринных событий 4 события удовлетворяли всем критериям короткоживущего распада и были интерпретированы как взаимодействия nt с последующим распадом t-лептона (два распада
и два 
).