Наблюдения осцилляций нейтрино в канале ν_μ → ν_τ в пучке CNGS (CERN Neutrinos to Gran Sasso) наконец-то признаны подтвержденными. Впервые удалось достоверно отделить от фона появление таонных нейтрино ν_τ в пучке нейтрино мюонных ν_μ.

    Осцилляции нейтрино остаются на сегодняшний день единственным эффектом физики частиц, выходящим за рамки Стандартной Модели и, в то же время, доступным для наблюдения в лабораторных условиях. В настоящее время уже найдено достоверное указание на существование осцилляций в экспериментах с атмосферными, солнечными, реакторными и ускорительными нейтрино. Однако до сих пор в ускорительных экспериментах с длинной базой не наблюдалось появления таонных нейтрино ν_τ в пучке нейтрино мюонных ν_μ.

    OPERA¹  стал первым экспериментом по прямому наблюдению появления таонного нейтрино в пучке мюонных путем непосредственного обнаружения τ-лептона, родившегося при взаимодействии мюонного нейтрино с веществом детектора. Факт появления τ-лептона является прямым доказательством существования нейтринных осцилляций.

На фото: Детектор OPERA. Вид сбоку (источник: официальный сайт эксперимента OPERA)

    Регистрация тау-лептонов производится с помощью детектора OPERA, состоящего из двух супермодулей. Каждый супермодуль включает в себя сборку из эмульсионных кирпичей, электронные сцинтилляционные детекторы, мюонный спектрометр, позволяющий определять заряд и импульс мюонов. Успешно реализовать эксперимент по прямому наблюдению рождения тау-лептонов позволило использованное беспрецедентно большое количество ядерной фотоэмульсии, являющейся основным детектирующим элементом и обладающей лучшим в настоящее время пространственным разрешением (общая площадь использованной ядерной эмульсии примерно равна площади 8 футбольных полей).

На фото: Система загрузки (модуль)                   эмульсионных кирпичей	На фото: Эмульсионный кирпич. Один кирпич состоит из 57 пластин двойной фотоэмульсии и 56 свинцовых листов «прокладки». Размер кирпича 12.8 × 10.2 см2, толщина 7.9 см, вес – около 8 кг. Всего таких кирпичей в двух супермодулях установки – 150 тыс, а суммарная площадь их поверхности составляет 100 тыс. м2
(источник: официальный сайт эксперимента OPERA)

    Для сканирования эмульсий эксперимента OPERA на ПАВИКОМе²  в ФИАНе был разработан специальный программный пакет. Рассказывает один из участников проекта OPERA, старший научный сотрудник ФИАН Щедрина Татьяна Викторовна:

    «В настоящее время к программному обеспечению на комплексах, подобных ПАВИКОМ, предъявляются весьма жесткие требования. Это связано, в первую очередь, с необходимостью проводить измерения с максимально возможной скоростью, в режиме реального времени. Подобная возможность позволяет реализовывать сложные сканирующие системы, способные изменять свои параметры на основании только что отработанных данных, т.н. системы с обратной связью.

    Не менее важным требованием является и точная настройка измерительного оборудования. Иначе мы будем получать искажения при обработке данных и, как результат, – ложные данные эксперимента. Чтобы понять требования к точности настройки приведу лишь одно значение для оптической системы микроскопа: требуемая точность определения угла наклона для реконструируемых треков частиц на фотоэмульсионной пластике составляет единицы миллирадиан.

    И конечно отдельного внимания заслуживает система обработки изображений. В отличие от обычной фотографии, любое искажение при бинаризации изображения треков может привести к ложным научным выводам. Для отстраивания этой системы было проведено не одно тестовое сканирование, прежде чем было дано "добро".»

    Созданная новая система для автоматической обработки ядерных фотоэмульсий позволяет обрабатывать данные в режиме безостановочного сканирования со скоростью до 40 см²/ч, при этом осуществляя восстановление треков частиц с наклоном до 45 градусов. Восстановление треков в широком диапазоне углов позволяет снизить фон в наблюдениях OPERA. А предложенный в ФИАН совершенно новый подход к обработке изображений на ПАВИКОМ, реализованный в соответствующих программных модулях, позволил довести скорость обработки одного кадра до 2 мс. Для сравнения, в стандартном программном пакете обработки данных эксперимента OPERA на полную обработку одного кадра требуется 7,3 мс.

На фото: Установка ПАВИКОМ-3

    Однако наиболее существенна разработка новых методик выделения событий, инициированных тау-лептонами. Рассказывает Татьяна Викторовна:

    «Одна из проблем, с которой пришлось столкнуться в ходе эксперимента OPERA – выделение событий, связанных с таонными нейтрино, из общего фонового потока. Самым опасным источником фона для наблюдения таонных событий являются СС-взаимодействия ν_μ с присутствием очарованных адронов. Эти фоновые события также содержат трек короткоживущей частицы и по топологии сходны с таонными. Около 95 % очарованных событий можно идентифицировать с помощью электронных детекторов. Тем не менее, оставшиеся 5 % неправильно идентифицированных очарованных событий являются основным источником (~ 80 %) фона для наблюдения взаимодействий ν_τ. Поэтому мы стали разрабатывать методику отделения очарованных событий от таонных.»

    Ранее исследователи международной коллаборации уже ставили вопрос об оценке возможности интерпретации результата эксперимента как инициированного исключительно фоном – т.н. «гипотеза только фона», – чтобы такие результаты можно было исключить из общей статистики наблюдений. Фиановская методика позволяет делать оценку:  насколько хорошо измеренные параметры событий-кандидатов, – предварительно классифицированные как таонные, – соответствуют характеристикам модельных событий. Такая постановка задачи позволяет повысить надежность интерпретации результатов.

    Разработанный ФИАН и НИИЯФ МГУ подход многомерной классификации событий, инициированных ν_μ → ν_τ, позволил с высокой степень достоверности утверждать, что в ходе эксперимента OPERA было получено достаточно сильное указание в пользу прямого наблюдения осцилляций нейтрино в канале ν_μ → ν_τ в поставленном эксперименте.

    «На сегодняшний день коллаборацией данного эксперимента официально подтверждены уже четыре таких события, хотя обработаны еще не все события-кандидаты, работа продолжается, но уже эти данные позволяют нам говорить о подтверждении гипотезы нейтринных осцилляций, высказанной еще в 50-х годах Б.М. Понтекорво. А этот результат весьма важен не только для физики элементарных частиц и Стандартной Модели, но он может открыть новую эру в исследовании микромира, истории развития Вселенной, решения некоторых проблем в физике Солнца и многое другое» – отметила в заключение Татьяна Викторовна. 

Е. Любченко, АНИ «ФИАН-информ»

_____________________________________________

¹      Об эксперименте OPERA ФИАН-информ писал ранее. Также более подробную информацию можно узнать на официальных сайтах CNGS и эксперимента OPERA.         Назад к тексту

²      ПАВИКОМ (Полностью АВтоматизированный Измерительный КОМплекс) – уникальный программно-измерительный комплекс, разработанный в ФИАН и предназначенный для обработки ядерной фотоэмульсии, используемой в различных экспериментах по исследованию космических лучей, энергетических спектров потоков частиц и т.п. Главным его отличием от всех других подобных систем в мире (всего в мире существует около 40 подобных автоматизированных комплексов) и достоинством является универсальность – на автоматизированных установках комплекса обрабатываются данные, полученные с использованием не только ядерных эмульсий, но и пластиковых детекторов, и кристаллов оливинов из метеоритов. Ни одна аналогичная установка в мире не используется для решения столь широкого класса задач.

    О ПАВИКОМ мы писали ранее в сообщении «ФИАН-информ».        Назад к тексту