Новый детектор для неуловимых потоков

Почему Вселенная состоит из вещества и в ней практически нет антивещества? Каким образом элементарные частицы нейтрино превращаются в частицы другого типа на лету без видимых взаимодействий с веществом (осциллируют)? Какой вклад вносят российские ученые из Института ядерных исследований РАН в работу международного эксперимента Т2К, расположенного в Японии? Ответы на эти вопросы может дать новый детектор SuperFGD, перевезенный в Японию из города Троицка этим летом. Статья о его устройстве и предназначении будет опубликована в начале октября в престижном международном журнале Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A.

Фото: The T2K Collaboration

Согласно общепринятой точки зрения среди ученых, занимающихся космологией, современная Вселенная появилась в результате Большого взрыва, во время которого частицы и античастицы родились в одинаковом количестве. Однако в сегодняшней Вселенной есть только вещество, а антивещество отсутствует. Почему в процессе эволюции Вселенной «выжило» немного вещества (барионы) и исчезло антивещество (антибарионы)?

Это одна из фундаментальных проблем, стоящих перед современной физикой элементарных частиц и космологией, решение которой пока не найдено. Вполне вероятно, что эта загадка может быть решена с помощью элементарной частицы нейтрино, если в нейтринных осцилляциях будет обнаружено нарушение инвариантности относительно трансформации нейтрино в антинейтрино и одновременного перехода из реального в зеркальный мир. Другими словами, это явление называется нарушением СР-инвариантности, где С означает переход от частицы (нейтрино) к античастице (антинейтрино), а Р — это пространственная инверсия или переход в зеркальный мир. Сохранение СР-инвариантности свидетельствует о том, что поведение нейтрино в реальном мире совпадает с поведением антинейтрино в зеркальном мире, а нарушение СР-инвариантности говорит нам, что эти частицы ведут себя по-разному в этих мирах (пространствах). Таким образом, вполне вероятно, что если СР нарушается в нейтринных осцилляциях, то эта крошечная частица микромира позволит нам разгадать тайну существования Вселенной.

Для чего создан новый детектор

Новый детектор, названный Super Fine-Grained Detector (SuperFGD), предназначен для регистрации нейтрино — загадочной элементарной частицы, которая отличается тем, что практически не взаимодействует с веществом, проходя насквозь толщу земной материи, человеческие тела и прочие предметы. Для того чтобы «поймать» нейтрино, используются различные детекторы. В данном случае это сегментированный сцинтилляционный детектор, состоящий из покрытых светоизолирующим слоем пластиковых кубиков.

Когда заряженная частица, возникающая в результате взаимодействия нейтрино в детекторе, проходит через один из 2 млн пластмассовых кубиков, из которых состоит детектор, происходит сцинтилляция, то есть возникает свет, который в этом кубике движется во всех направлениях, отражается от поверхности и захватывается специальными волокнами. По ним он направляется к фотосенсорам (детекторам, которые регистрируют этот сцинтилляционный свет). С каждого кубика сцинтилляционный сигнал снимается в трех направлениях: Х, Y, Z. Этот сигнал пропорционален энергии, которая была оставлена заряженной частицей (частицами) в этом кубике. И когда заряженная частица проходит через детектор — может быть, через 10, 100, 1000 кубиков, с каждого кубика физики регистрируют сигнал в трех направлениях, фиксируя геометрию трека, энергию и тип данной частицы.

Регистрация света со спектросмещающих волокон осуществляется при помощи кремниевых фотоумножителей. Для светоизоляции кубиков их поверхность подвергается химическому травлению, в результате чего образуется микропористый диффузный отражающий слой толщиной около 50 микрон.

В результате взаимодействия нейтрино с веществом детектора появляются заряженные и нейтральные частицы, которые регистрируются в детекторе. При этом в результате взаимодействий возникают протоны либо нейтроны (в зависимости от того, вступало во взаимодействие нейтрино или антинейтрино), а также мюоны, электроны (позитроны) и пионы. Энергия мюонов, электронов (позитронов) и пионов определяется в эксперименте Т2К энергией пучка нейтрино, пиковая энергия которого около 600 МэВ, и составляет в основном несколько сотен МэВ.

Детектор SuperFGD, который будет центральным элементом модернизированного комплекса ближних детекторов эксперимента Т2К в Японии, будет функционировать в магнитном поле, и трек движения каждой частицы отклоняется в нем в соответствии с зарядом частицы. Таким образом можно получить информацию о заряде частицы, ее импульсе. Дальше информация о треке восстанавливается, анализируется, и ученые получают полную информацию о типе частицы, ее направлении. О всех частицах, появившихся в детекторе в результате нейтринных взаимодействий или попавших в детектор, такая информация обрабатывается с помощью разработанных кодов и методов машинного обучения.

Самое главное, что дает новый детектор, который ученые привезли в Японию из России и к марту 2023 года соберут, протестируют и запустят в работу,— это существенное повышение точности осцилляционных измерений (измерений того, как нейтрино трех типов: электронного, мюонного и тау — переходят друг в друга на лету, не взаимодействуя при этом с веществом).

«Идея детектора SuperFGD появилась у нас в 2016 году. Ее предложили российские ученые из ИЯИ РАН в результате долгих обсуждений с швейцарскими и французскими коллегами. Все упиралось в технологию создания детектора: в Японии или Швейцарии изготовить его было бы слишком дорого. Мы в России совместно с ООО “Унипласт” (г. Владимир) выдвинули свою версию того, как это можно сделать. Первый вариант изготовления сцинтилляционных элементов (кубиков объемом 1 куб. см) из полистирола методом экструзии со сверлением отверстий оказался дорогим и труднореализуемым, учитывая большое количество элементов и высокие требования к геометрии кубиков. Примерно через год работы и тестов мы пришли к тому, что нужно делать эти кубики литьем под давлением с точностью геометрических размеров около 30–50 микрон. Это довольно сложная задача, поскольку полистирол — это пластик, а не сталь или алюминий, где можно получить точность в несколько микрон. Пластик — мягкий материал, но мы отработали технологию литья, покрытия отражателем и сверления отверстий. После этого в течение двух лет ООО “Унипласт” изготавливало эти кубики — по 100 тыс. штук в месяц. Около 10% изготовленных кубиков были забракованы. Несколько десятков тысяч кубиков мы передали коллегам в США, Франции, Японии, Швейцарии для тестов. В работе по созданию этого детектора в России участвуют сотрудники ИЯИ РАН, ОИЯИ и ФИАН. В создании детектора SuperFGD принимают участие наши коллеги из Швейцарии, Франции, США, Японии, Испании и других стран, всего около 120 человек»,— рассказывает главный научный сотрудник Института ядерных исследований РАН Юрий Куденко.

Пик изготовления кубиков пришелся на 2020 год, пандемию. Но, несмотря на все ограничения, ООО «Унипласт» справилось с задачей. Работа по изготовлению кубиков была закончена в начале 2021 года.

Однако пандемия очень затормозила отправку детектора в Японию к месту установки: никто из россиян не мог туда поехать, так как Япония была полностью закрыта для визитов иностранцев. В результате детектор (конечно, в разобранном виде) и платформу для его сборки, которая была разработана и изготовлена в ОИЯИ, весом около 2 тонн отправили в Японию летом 2022 года.

Как сконструирован детектор

C начала разработки детектора SuperFGD прошло уже лет пять. Составляющие детектор 2 млн сцинтилляционных пластмассовых кубиков со стороной 1 см изготовлены в ООО «Унипласт» и доставлены в Японию. Там они будут в течение пяти-шести месяцев собираться российскими учеными в единый детектор, тестироваться и затем будут установлены как основная часть комплекса ближних нейтринных детекторов ND280 эксперимента Т2К (детектор расположен в 280 м от протонного ускорителя J-PARC в Японии в городе Токай, на восточном берегу Японии недалеко от Фукусимы).

Ускоритель направляет поток частиц на Запад, где через 280 м установлен ближний детектор. Здесь поток частиц взаимодействует с углеродом. Через 295 км в том же направлении, рядом с городом Камиока, в толще породы в бывшей соляной шахте, расположен огромный резервуар с водой, дальний (водный черенковский) детектор под названием «СуперКамиоканде». Дальний и ближний детекторы регистрируют мюонные и электронные нейтрино и антинейтрино, что позволяет изучают осцилляции этих частиц, рожденных на ускорителе.

Теперь составной частью ближнего детектора, ее основным элементом, станет установка SuperFGD, разработанная и изготовленная в России.

В эксперименте Т2К используется чистый квазимоноэнергетичный пучок мюонных нейтрино (антинейтрино), полученный на протонном ускорителе J-PARC. Пионы, рожденные при взаимодействии протонов с мишенью, распадаются на мюоны и мюонные нейтрино в тоннеле длиной 96 м. Энергия нейтрино и пролетная база в эксперименте Т2К выбраны таким образом, чтобы получить максимальную чувствительность к осцилляциям мюонных нейтрино и антинейтрино в области осцилляций атмосферных нейтрино. Комплекс ближних нейтринных детекторов измеряет направление, спектр и состав нейтринного пучка до возможных осцилляций. Размер, направление и форма черенковского конуса от заряженной частицы (мюон или электрон), возникшей в результате взаимодействия нейтрино в детекторе, позволяет идентифицировать тип зарегистрированного нейтрино — мюонное или электронное, измерять энергию и направление мюона или электрона и в конечном итоге восстанавливать энергию нейтрино.

Процесс осцилляций нейтрино заключается в том, что на пути 295 км от J-PARC до «СуперКамиоканде» часть мюонных нейтрино прекращается в тау-нейтрино и электронные нейтрино. Тау-нейтрино «СуперКамиоканде» не регистрирует, но детектирует появившиеся электронные нейтрино в «чистом» пучке мюонных нейтрино и одновременно регистрирует исчезновение («дефицит») мюонных нейтрино по сравнению с ожидаемым потоком и спектром, полученными на основе данных ближнего детектора ND280, предполагая отсутствие осцилляций. Сравнение измеренных потоков и спектров мюонных и электронных нейтрино с ожидаемыми без осцилляций позволяет получить осцилляционные параметры: углы смешивания и разности квадратов масс нейтрино.

Какие результаты теперь получат

Если говорить о результатах, которые планируется получить с помощью нового детектора, то сама по себе сборка и установка его на нейтринном канале в Японии — уже сложная задача. Прежде всего физики определят, соответствуют ли параметры собранного в полном объеме детектора тем, которые были получены в ходе тестов прототипов детектора на пучках заряженных частиц в CERN и нейронном пучке в американском Лос-Аламосе.

Первая физическая задача — на нейтринном пучке — это Т2К-регистрация мюонных нейтрино и антинейтрино, восстановление полной кинематики событий за счет измерений всех вторичных частиц в полном телесном угле. Следующий этап — регистрация протонов низких энергий и улучшение восстановления спектра мюонных нейтрино (антинейтрино) за счет регистрации как протонов, так и нейтронов низких энергий. Это позволит улучшить точность восстановления спектров мюонных нейтрино и антинейтрино и снизить погрешности осцилляционных измерений. Целью является уменьшение систематических погрешностей осцилляционных измерения до уровня 3%, что необходимо для открытия СР-нарушения в проекте «ГиперКамиоканде» в случае максимального проявления этого явления в нейтринных осцилляциях.

Детектор SuperFGD имеет 4-Пи-геометрию. В отличие от всех предыдущих детекторов, которые были установлены на Т2К, он регистрирует частицы, движущиеся во всех направлениях: вверх ли они идут, назад ли летят. Это большой шаг вперед по сравнению с предыдущей системой, которая не имела такой возможности. Таким образом, ученые получат полную информацию о нейтринных взаимодействиях. У нового детектора много электроники — например, для регистрации сигнала используются японские лавинные фотодиоды. Когда-то они производились и в России, у нас вообще и родилась идея таких фотосенсоров, но в последние десятилетия промышленность России в этом сегменте пришла в упадок. Эти оптические сигналы преобразуются в электронные сигналы. Фиксируются время и амплитуда регистрации, а также другие параметры. Затем они преобразуются во время прихода частицы, ее энергию, заряд, направление движения частицы и прочее. И после этого восстанавливается спектр нейтрино. В результате ученые получают огромный поток нейтринных событий, которые потом используются в осцилляционном анализе, измерении сечений, поиске массивных нейтрино и др.

Всего в месяц набирается несколько десятков событий регистрации электронных и мюонных нейтрино в дальнем детекторе (в ближнем детекторе — десятки тысяч событий). Сеанс работы протонного ускорителя J-PARC для эксперимента Т2К длится три-четыре месяца в году. В ближайшее время ближний детектор ND280 будет разбираться и модернизироваться, в ходе чего детектор SuperFGD войдет в строй и физики всей коллаборации Т2К да и всего мира получат новые данные.

Новый детектор SuperFGD обладает уникальной способностью регистрировать и восстанавливать нейтринные событий в формате 3D в полном телесном угле. SuperFGD позволяет намного точнее и эффективнее регистрировать протоны, нейтроны, что дает возможность лучше понять процессы, проходящие в ближнем детекторе, и существенно уменьшить систематические погрешности осцилляционных измерений. Это помогает продвинуться в решении ключевого для нейтринной физики вопроса о сохранении или нарушении комбинированной четности (СР-четности) в нейтринных осцилляциях, или, другими словами, в лептонном секторе Стандартной Модели. Вопрос о том, сохраняется ли эта четность или нарушается, является ключевым для всего эксперимента Т2К и важнейшим вопросом для эксперимента «ГиперКамиоканде», который сооружается сейчас в Японии (придет на смену «СуперКамиоканде» в 2027 году).