Тема: «Исследование нейтринных осцилляций в эксперименте opera» (стр. 4 из 4)
§3.3 Проект OPERA
Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus (OPERA) - фотоэмульсионный эксперимент «на появление», в котором осцилляции
будут изучаться путем прямого наблюдения распадов t-лептонов [9]. Пучок нейтрино от ускорителя SPS в ЦЕРНе направляется на детектор, находящийся в 732 км в подземной лаборатории Гран-Сассо. Пучок нейтрино в основном будет содержать 
нейтрино с примесью ~2% 
и 1% 
. Будет использоваться система временной синхронизации работы детектора OPERA и ускорителя SPS. Интенсивность нейтринного пучка в лаборатории Гран-Сассо составит приблизительно 4.49´10-9 м-2 на 1 падающий на мишень протон (~1017 протонов в сутки), поперечный размер – около 800 м, средняя энергия 17 ГэВ. При этом в детекторе ожидается около 50 событий nm взаимодействий в сутки. Предполагается, что регистрация будет идти 200 дней в году. Таким образом, за пять лет планируется получить ~50000 событий, связанных с взаимодействием nm, из них ~10-20 событий nt .При обработке эмульсий планируется выделять следующие основные типы событий (таблица 1).
| 1 | СС взаимодействие nm (обмен W± бозоном) | nm®m-X |
| 2 | NC взаимодействие нейтрино (обмен Z0 бозоном) | nN®nX |
| 3 | СС взаимодействие ne | neN®e-X |
| 4 | Взаимодействия с образованием чармированных частиц | nmN®сmX  |
| 5 | CC взаимодействие nt | ntN®t-X |
Таблица 1. Типы регистрируемых событий в OPERA
Основной целью проекта OPERA является выделение событий последнего, пятого типа. Предполагается идентифицировать моды распадов t-лептонов, содержащие одну заряженную частицу:
Значительный парциальный выход этих каналов – 49.5, 17.7, 17.8% соответственно для адронной мюонной и электронной моды, а также низкий уровень фоновых процессов, имитирующих эти распады, гарантирует высокую надежность регистрации осцилляций
.§3.4 Детектор OPERA
В детекторе OPERA ближний детектор отсутствует и будет использован только дальний. Это свинцово-фотоэмульсионный детектор модульной конструкции с полезной массой, доходящей до 2 кт, из которой масса фотоэмульсии составляет около 100 т, что не имеет аналогов в экспериментальной физике. Структура единичного элемента-блока определяется средней длиной пробега t-лептона, которая при энергии CNGS составляет около 1 мм. На рисунке 2 показана конфигурация блока: слои ядерной фотоэмульсии толщиной 50 мкм, политой с двух сторон на 200 мкм пластиковую основу, чередуются с 1мм свинцовыми пластинками. Радиус зерен эмульсии около 0.2 мкм, плотность зерен – 30 зерен/100 мкм. Эмульсионные пластины производились с использованием промышленных линий Fuji, обеспечивающих ровную поверхность и постоянную толщину пластин.
Рис. 2. Структурная схема фотоэмульсионного блока в детекторе OPERA
Координаты траектории заряженной частицы на границе эмульсии определяются с высокой точностью (0.1 – 0.2 мкм), что обеспечивает точность измерения углов не хуже 5-8 мрад. Если nt взаимодействует в какой либо из свинцовых пластин, то с наибольшей вероятностью распад t-лептона (визуально выглядящий как излом трека) произойдет в следующей за ней пластинке свинца. При прослеживании треков в эмульсионных слоях, прилегающих к этой пластинке, на одном из них будет наблюдаться изменение угла трека в результате его излома. Каждый блок такой конфигурации имеет поперечный размер 10.2´12.7 см, вес 8.3 кг (7.9 кг – свинец, 0.4 - эмульсия) и содержит 56 свинцовых пластин и 58 пластин с двухсторонней эмульсией. Стенка, собранная из 3264 блоков, и прилегающие к ней две взаимно перпендикулярные плоскости сцинтилляторов составляют модуль детектора. Его поперечные размеры 6.75´6.75 м2, а толщина 12 см. С помощью сцинтилляционных плоскостей вырабатывается триггерный сигнал, и в стенке локализуется фотоэмульсионный блок, в котором произошло нейтринное взаимодействие. Такой блок изымается из стенки, содержащаяся в нем фотоэмульсия проявляется и сканируется, а на его место устанавливается новый. Сцинтилляционная плоскость собирается из полос органического сцинтиллятора с WLS-волокнами, которые подсоединяются к 16 канальному ФЭУ «Hamamatsu» R5900-M16. Пространственное разрешение сцинтилляционного детектора определяется шириной полосы сцинтиллятора ~25 мм.
Секция мишени, состоящая из 24 последовательных модулей, и замыкающий ее спектрометр мюонов образуют наиболее масштабную структуру детектора – супермодуль весом 652 т(623 т – свинец, 29 т - эмульсия). Три супермодуля образуют детектор OPERA (рис. 3).
Рис. 3. Общий вид детектора OPERA
В конце каждого супермодуля OPERA устанавливается мюонный спектрометр, состоящий из дипольного магнита и плоскостей позиционно-чувствительных детекторов. Магнит представляет собой две стенки, набранные из 12 железных пластин толщиной 5 см, которые намагничиваются током 1200 А, циркулирующим в верхней и нижней медных обмотках. В результате создается магнитное поле 1.5 Тл. Координатную информацию обеспечивают: вне магнита (между супермодулями) – плоскости, собранные из дрейфовых трубок, внутри RPC-детектора. Энергетические потери мюона, пересекающего эмульсионную мишень, составляют 1.7 ГэВ, а в магнитном поле спектрометра 0.6 ГэВ. Таким образом, мюоны, которые пересекают весь супермодуль, имеют эффективность идентификации близкую к 100%.
§3.5 Чувствительность OPERA к параметрам осцилляций
Чувствительность эксперимента OPERA к
осцилляциям показана на рисунке 4. При полном смешивании на уровне достоверности 90% можно достичь значения Dm2=1.2´10-3 эВ2 и при больших Dm2 получить ограничение на угол смешивания sin22qmt<6.2´10-3. 
Рис. 4. Чувствительность эксперимента OPERA к наблюдению 
осцилляций. На уровне достоверности 90% показаны области параметров осцилляций, достижимые при двух-(кривая 1), трех-(кривая 2) и четырехгодичной (кривая 3) экспозиции детектора.
Предполагается в OPERA и изучение
осцилляций. Чувствительность к измерениям для данного канала ограничивается значениями параметров осцилляций 
для полного смешивания и 
при больших значениях Dm2. Данная работа посвящена описанию нейтринного эксперимента OPERA, разрабатываемого совместно ЦЕРНом и Гран-Сассо и объединяющего большое число физиков со всего мира, занимающихся вопросами изучения свойств нейтрино. Рассмотрены некоторые вопросы, касающиеся свойств нейтрино и нейтринных осцилляций, а так же место нейтрино в современной картине мира. Приведено описание устройства детектора OPERA, указаны его основные характеристики, обеспечивающие высокую чувствительность к детектированию
осцилляций. Проведение экспериментов по поиску осцилляций нейтрино вызвано необходимостью надежного определения фундаментальных свойств нейтрино – его массы и углов смешивания. 1. International workshop on nuclear physics 27th course «Neutrinos in cosmology, in astro, particle and nuclear physics» http://www.sciencedirect.com/science/journal/01466410
2. Клапдор-Клайнгротхаус Г.В., Штаудт А. Неускорительная физика элементарных частиц. Пер. с нем. В.А. Беднякова – М.: Наука. Физматлит, 1997 г.
3. Райдер Л. Элементарные частицы и симметрии. Пер. с англ. Под редакцией Барбашова Б.М. – М.: Наука. Физматлит, 1983 г.
4. http://nuclphys.sinp.msu.ru/
5. Понтекорво Б.М. Нейтрино и его роль в астрофизике. УФН т. 79, вып. 1, 1963 г.
6. Рябов В.А. Нейтринные осцилляции: на пути к экспериментам с дальними нейтрино-ЭЧАЯ, т. 34, вып. 5, 2003 г.
7. Галкин В.М. и др. Поиск осцилляций nm в nt с использованием пучка высокоэнергичных нейтрино из ЦЕРНа в Гран Сассо (эксперимент OPERA) Труды 29 всеросийской конференции по космическим лучам, Москва 2006 http://theory.asu.ru/~raikin/Physics/PCR/RCRC/2006_Moscow/papers/MN_05.PDF
8. Fukuda Y. et al., Phys. Rev. Lett. 82 (1999) 5194.
9. http://operaweb.web.cern.ch/operaweb/index.shtml