Нейтринная одиссея ЦЕРН
Нейтринная одиссея ЦЕРН
https://cerncourier.com/a/cerns-neutrino-odyssey/
В 1958 г. на синхроциклотроне с энергией
600 МэВ впервые удалось наблюдать распад
заряженного пиона на электрон и нейтрино
— ключевой элемент в загадке слабых
взаимодействий.
3 июля 2023 г.
Пятьдесят лет назад пучки нейтрино, проходящие через пузырьковую камеру Гаргамеля, выявили существование нейтрального тока и поставили электрослабую Стандартную модель на твердую основу. Санье Фенкарт описывает подвиг Гаргамеля и продолжительное влияние на нейтринную программу ЦЕРН.
Не прошло и двух лет, как нейтрино стало известно, когда в ЦЕРНе началась знаменитая нейтринная программа. Уже в 1958 г. на синхроциклотроне с энергией 600 МэВ впервые удалось наблюдать распад заряженного пиона на электрон и нейтрино — ключевой элемент в загадке слабых взаимодействий. Специализированные эксперименты с нейтринным пучком начались пару лет спустя, когда был введен в эксплуатацию протонный синхротрон (PS), который конкурировал с работами на синхротроне переменного градиента более высоких энергий в Брукхейвене в США. Создать пучок нейтрино было относительно просто: заставить пучок протонов из PS поразить внутреннюю мишень, чтобы произвести пионы и каоны, позволить им пролететь некоторое расстояние, в течение которого они могут производить нейтрино при распаде, а затем использовать железный экран для фильтрации оставшихся адронов. , так что остаются только нейтрино и мюоны.
ЦЕРН начал с двух небольших пузырьковых камер с тяжелой жидкостью длиной 1 м, в которых использовались протонные пучки, которые поражали внутреннюю мишень внутри PS, надеясь увидеть по крайней мере одно нейтринное событие в день. Это было далеко не так. К сожалению, конфигурация мишени сделала пучки примерно в 10 раз менее интенсивными, чем ожидалось, и в 1961 году зарождавшаяся нейтринная программа ЦЕРНа была остановлена. «Это было большое разочарование, — вспоминает Дон Канди, который в то время был молодым ученым в ЦЕРНе. «Затем, несколько месяцев спустя, Брукхейвен провел тот же эксперимент, но на этот раз они поместили мишень в нужное место и обнаружили два нейтрино — мюонное нейтрино (ν µ) и электронное нейтрино ( ν e) — великое открытие, за которое Ледерман, Шварц и Стейнбергер получили Нобелевскую премию примерно 25 лет спустя».
Несмотря на эту неудачу, генеральный директор ЦЕРН Виктор Вайскопф вместе со своим директором по исследованиям Жилберто Бернардини и командой ЦЕРН решили приступить к еще более амбициозной установке. Использование недавно предложенного Саймоном ван дер Меером «магнитного рупора» — сильноточного импульсного фокусирующего устройства, размещенного вокруг мишени, — и размещение мишени во внешнем лучевом канале увеличило поток нейтрино примерно на два порядка. В 1963 году это открыло новую серию экспериментов с нейтрино в ЦЕРНе. Они начали с пузырьковой камеры с тяжелой жидкостью, содержащей около 500 кг фреона, и детектора с искровой камерой весом в несколько тонн, для которых первые результаты были представлены на конференции в Сиене в том же году. Результаты, полученные в пузырьковой камере, были особенно впечатляющими, вспоминает Канди: «Несмотря на то, что количество событий было порядка нескольких сотен, вы могли бы заниматься физикой: измерять упругий форм-фактор нуклона, рождение одиночного пиона, полное сечение, искать промежуточные слабые бозоны и давать ограничения на процессы с нейтральным током». Именно на этой конференции Андре Лагарриг из Орсе заявил, что пузырьковые камеры — это путь вперед для физики нейтрино, и предложил построить самую большую камеру из возможных: Гаргамель, названную в честь великанши из вымышленной истории эпохи Возрождения.
Строительство во Франции гораздо более крупной камеры Гаргамель, длиной 4,8 м и содержащей 18 тонн фреона, было быстрым, и к концу 1970 года детектор принимал пучок мюонных нейтрино от PS. В коллаборацию Gargamelle вошли исследователи из семи европейских институтов: Аахена, Брюсселя, ЦЕРН, Политехнической школы Парижа, Милана, LAL Orsay и Университетского колледжа Лондона. В 1969 году коллаборация составила список приоритетов физики. По результатам работы камеры с тяжелыми жидкостями в ЦЕРН, которая установила новые ограничения на процессы рассеяния нейтрино-электронов и однопионных нейтральных токов (NC), поиск реальных событий NC был включен в список. Однако он занял лишь восьмое место из 10 научных целей. Это вполне понятно, комментирует Канди: «Люди думали, что наиболее чувствительным способом поиска NC является распад K0 -мезона на два мюона или два электрона, но у него был очень низкий коэффициент ветвления, поэтому, если бы существовали NC, он был бы на очень маленьком уровне. На самом деле первым делом в списке Гаргамеля было изучение структуры нуклона, измерение полного поперечного сечения и исследование кварковой модели».
Установка приоритетов
После открытия нейтрино в 1956 году
Рейнсом и Коуэном ( CERN
Courier июль / август 2016 г., стр. 17 ) слабое
взаимодействие стало центром ядерных
исследований. Объединение электромагнитных
и слабых взаимодействий Саламом, Глэшоу
и Вайнбергом десять лет спустя побудило
эксперименты по поиску электрослабых
носителей: W-бозона, который опосредует
взаимодействия заряженных токов, и
Z-бозона, связанного с нейтральными
токами. В то время как было известно,
что первые существуют посредством β-
распада, о вторых почти не думали.
Нейтральные токи начали вызывать интерес
в 1971 году, после того как Мартинус
Вельтман и Джерард 'т Хоофт доказали
перенормируемость электрослабой
теории.
Спустя более 60 лет после первого
применения нейтрино нейтринная программа
ЦЕРН продолжает развиваться.
К тому времени Гаргамель уже бежал на полной скорости. Анализом фотографий, которые делались каждый раз, когда PS давал импульс для поиска интересных треков, был персонал ЦЕРНа (в то время его часто называли «сканирующими девушками»), которые, по сути, выполняли роль современного триггера уровня 1. Взаимодействия были разделены на разные классы в зависимости от количества участвующих частиц (мюоны, адроны, пары электрон-позитрон, даже один или несколько изолированных протонов, а также изолированные электроны и позитроны). Лептонный процесс НК ( ν µ + e – → ν µ + e –) дало бы событие, состоящее из одного энергичного электрона. Поскольку фон был очень низким, это было бы неопровержимым доказательством для NC. Однако сечение также было очень низким: по электрослабым расчетам ожидалось от одного до девяти событий. Энергетическое адронное событие NC ( ν µ + N → ν µ + X, с соответствующим процессом с участием античастиц, если реакция инициируется пучком антинейтрино) состояло бы только из нескольких адронов, фактически точно так же, как события, вызванные входящим высокоэнергетическим нейтроны.
«Когда в декабре 1972 года было обнаружено первое лептонное событие, мы были убеждены, что NC существуют», — говорит член Gargamelle Донателла Кавалли из Миланского университета. «Это было всего одно событие, но с очень низким фоном, поэтому было приложено много усилий для поиска адронных NC-событий и полного понимания фона. Я был самым младшим в своей группе и помню, как проводил вечера с коллегами, просматривая фильмы на специальных проекторах, что позволяло нам наблюдать восемь видов камеры. Я с гордостью вспоминаю свои поездки в Париж, Лондон и Брюссель, когда фотографировал события-кандидаты, найденные в Милане, чтобы проверить их у коллег из других групп».
На семинаре в ЦЕРН 19 июля 1973 г. Поль Мюссе, который был одним из главных исследователей, представил доказательства Гаргамеля в отношении НК, основанные как на лептонном, так и на адронном анализе. Результаты первого были опубликованы в короткой статье, полученной Physics Letters двумя неделями ранее, а статья об адронных событиях, в которой сообщалось о фактическом наблюдении и, следовательно, подтверждении нейтральных токов, была получена 23 июля. В августе 1973 года Джеральд Мятт из Университетский колледж Лондона, ныне Оксфордский университет, представил результаты на конференции Electron-Photon. Статьи были опубликованы в том же номере журнала 3 сентября. Однако многие физики сомневались в них. «Считалось, что Гаргамель совершил ошибку, — говорит Майатт. «Было только одно событие, крошечный трек и очень низкий фон. Тем не менее, это не рассматривалось как убедительное доказательство». Среди критиков были Т. Д. Ли, который был совершенно не впечатлен, и Джек Стейнбергер, который дошел до того, что поставил половину своего винного погреба на то, что результат Гаргамеля будет неправильным.
Трудность заключалась в том, чтобы продемонстрировать, что адронный сигнал NC не был вызван фоном от нейтральных адронов. «Было проделано много работы и множество различных проверок, от расчетов до полного моделирования методом Монте-Карло и сравнения пространственного распределения событий заряженных и нейтральных токов», — объясняет Кавалли. «Мы были очень счастливы, когда опубликовали первые результаты адронных и лептонных НК после всех фоновых проверок, потому что были уверены в наших результатах». Первоначально результаты Gargamelle были подтверждены независимым экспериментом HPWF (Гарвард-Пенсильвания-Висконсин-Фермилаб) в Фермилабе. К сожалению, проблема с настройкой HPWF привела к тому, что их статья была переписана, а новый анализ, представленный в ноябре 1973 года, не выявил никаких признаков НК.
Кроме того, коллаборации удалось отметить номер два в списке приоритетов физики: глубоконеупругое рассеяние и масштабирование. Подтверждая более ранние результаты SLAC, которые показали, что протон состоит из точечных составляющих, данные Гаргамеля сыграли решающую роль в доказательстве того, что эти составляющие (кварки) имеют заряды +2/3 и -1/3. Что касается нейтральных токов, то вишенкой на торте стала 10 лет спустя после открытия Гаргамеля, непосредственное открытие Z-бозонов (и W) на коллайдере Sp p S в 1983 г. Следующей вехой в понимании слабых взаимодействий для ЦЕРНа стал точное измерение ширины распада Z-бозона на LEP, которое показало, что легких нейтрино три и не более.
Наследие великанши
В 1977 году Гаргамель был переведен с PS на недавно установленный суперпротонный синхротрон (SPS). Однако в следующем году из-за усталости металла камера треснула, и эксперимент был прекращен. Некоторые из участников сотрудничества, в том числе Канди и Мятт, отправились работать в соседнюю Большую европейскую камеру пузырей. В то время к SPS для изучения нейтрино также были подключены CDHS (CERN-Dortmund-Heidelberg-Saclay, официально обозначенный как WA1) под руководством Стейнбергера и эксперимент Клауса Винтера CHARM. Работая в течение восьми лет, эти большие детекторы собрали миллионы событий, которые позволили точно изучить структуру заряженных и нейтральных токов, а также структуру нуклонов и первые доказательства КХД посредством масштабных нарушений.
Третий тип
Завершение программы CHARM в 1991 году ознаменовало остановку нейтринных операций в ЦЕРНе впервые почти за 30 лет. Но не на долго. Экспериментальная деятельность возобновилась с поиска осцилляций нейтрино, основанных на идее, что нейтрино являются важным компонентом темной материи во Вселенной. Следовательно, были построены два эксперимента с нейтринным пучком с короткой базой аналогичного типа - CHORUS и NOMAD. Эти детекторы следующего поколения, которые собирали данные с 1994 по 1998 год и с 1995 по 1998 год соответственно, присоединились к другим детекторам по всему миру для поиска взаимодействий третьего типа нейтрино, ν τ, и искать нейтринные осцилляции, т.е. изменение аромата нейтрино по мере их распространения, что было предложено в 1950-х годах и подтверждено в 1998 году экспериментами SNO и Super-Kamiokande в Канаде и Японии. В 2000 году эксперимент DONUT в Фермилабе сообщил о первых прямых доказательствах взаимодействия ν τ .
Нейтринная программа ЦЕРНа была приостановлена до июля 2006 года, когда SPS начал выпускать интенсивный пучок мюонных нейтрино на расстояние 732 км через Землю к двум огромным детекторам – ICARUS и OPERA – расположенным под землей в Национальной лаборатории Гран-Сассо в Италии. Программа CERN Neutrinos to Gran Sasso (CNGS), разработанная для точных измерений нейтринных осцилляций, наблюдала осцилляцию мюонных нейтрино в тау-нейтрино и была завершена в 2012 году.
Когда программа ЦЕРН по исследованию нейтрино была свернута, началась совершенно новая инициатива по поддержке фундаментальных исследований нейтрино. «Первоначальная идея «нейтринной платформы» в ЦЕРН состояла в том, чтобы провести нейтринный эксперимент с короткой базой с участием ICARUS для проверки аномалии LSND, а другой — для тестирования прототипов «LBNO», который должен был бы представлять собой европейское нейтринное колебание с длинной базой. отправляйте лучи из ЦЕРН в Фьясалми в Финляндии для исследования осцилляции», — говорит Дарио Аутьеро, участвующий в нейтринной программе ЦЕРНа с начала 1980-х годов. «Позже было решено, что первое будет проводиться в Фермилабе, в то время как для второго европейское и американское видение экспериментов с длинной базой нашли консенсус в отношении того, что сейчас называется DUNE (глубокий подземный нейтринный эксперимент) в США».
Уникальный объект
Платформа CERN Neutrino, официально запущенная в 2013 году в рамках обновления европейской стратегии физики элементарных частиц, служит уникальным научно-исследовательским центром для экспериментов с нейтрино нового поколения с длинной базой. Его наиболее заметным проектом является проектирование, строительство и тестирование прототипов детекторов для DUNE, которые увидят, как нейтринный пучок из Fermilab будет отправлен на расстояние 1300 км в лабораторию SURF в Дакоте. Одним из первых успехов Neutrino Platform стала модернизация детектора ICARUS, который сейчас собирает данные в рамках нейтринной программы Fermilab с короткой базой. Платформа также разрабатывает ключевые технологии для ближнего детектора нейтринной установки Токай-к-Камиока (T2K) в Японии (см. стр. 10) и имеет специальную рабочую группу по теории, целью которой является укрепление связей между ЦЕРН и мировым нейтринным сообществом.
Спустя более 60 лет после первого применения нейтрино программа ЦЕРН по нейтрино продолжает развиваться. В апреле 2023 года новый эксперимент на LHC под названием FASER впервые обнаружил нейтрино, рожденные на коллайдере. Вместе с другим новым экспериментом, SND@LHC, FASER позволит изучать нейтрино в новом диапазоне энергий и сравнивать скорость образования всех трех типов нейтрино для дальнейшего тестирования Стандартной модели.
Что касается Гаргамеля, то сегодня он лежит рядом с BEBC и другими коллегами-пенсионерами в саду Square van Hove за главным входом в ЦЕРН. Не многие до сих пор могут пересказать историю открытия нейтральных токов, но те, кто может поделиться этой историей с восторгом. «Это был очень крошечный первый след от электрона, один из сотен тысяч изображений», — говорит Майатт. «Однако это подтвердило представление Андре Лагаррига о большой пузырьковой камере с тяжелой жидкостью как об идеальном детекторе нейтрино, сочетающем большую массу с очень подробной картиной взаимодействия. Не может быть никаких сомнений в том, что именно эти особенности позволили Гаргамелю сделать одно из самых значительных открытий в истории ЦЕРН».
Санье Фенкарт помощник редактора .
НАША МИССИЯ
CERN Courier — важная книга для международного сообщества физиков высоких энергий. Подчеркивая последние исследования и проектные разработки со всего мира, CERN Courier предлагает уникальный отчет о продолжающихся усилиях по расширению нашего понимания основных законов природы.
Подготовлено для ЦЕРН издательством IOP Publishing.
Комментарии
Отправить комментарий