ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2021, том 84, № 1, с. 48-52
ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ПОЛЯ
ИЗУЧЕНИЕ НЕЙТРИННЫХ ОСЦИЛЛЯЦИЙ
В ЭКСПЕРИМЕНТе NOvA
© 2021 г. Л. Д. Колупаева1)*, О. Б. Самойлов1)**
Поступила в редакцию 23.07.2020 г.; после доработки 23.07.2020 г.; принята к публикации 23.07.2020 г.
NOvA — нейтринный эксперимент в Национальной ускорительной лаборатории им. Ферми (США),
предназначенный для изучения осцилляций, а именно появления электронного и выживания мюонного
нейтрино. Два детектора, ближний и дальний, удалены друг от друга на 810 км и расположены под
углом 14 мрад к пучку от ускорительного комплекса NuMI, обеспечивая оптимальное соотношение
энергии и расстояния осцилляций нейтрино. Целями эксперимента являются измерение иерархии
масс нейтрино, определение фазы нарушения CP -четности в лептонном секторе, уточнение значений
параметров θ23 и Δm232, а также ряд других задач. В настоящей работе будут представлены результаты
совместного анализа NOvA на статистике нейтринногои антинейтринного пучков 8.85× 1020 +12.33×
× 1020 протонов на мишень (POT) и освещены дальнейшие перспективы эксперимента.
DOI: 10.31857/S0044002721010116
1. ВВЕДЕНИЕ
Детекторы эксперимента были сконструирова-
ны для регистрации электронных и мюонных ней-
Ускорительный нейтринный эксперимент с
трино. Они располагаются под углом 14.6 мрад к
длинной базой NOvA
[1] посвящен изучению
оси пучка, что позволяет достигнуть узкого мо-
нейтринных осцилляций. Он состоит из ближнего
нохроматичного пика с энергией примерно 2 ГэВ.
и дальнего детекторов, которые представляют
Ближний детектор имеет геометрические разме-
собой два идентичных трековых калориметра.
ры 4.2 × 4.2 × 16 м и массу около 300 т. Он
Для создания направленного пучка мюонных
располагается на расстоянии 1 км после мише-
(анти-)нейтрино используется ускоритель NuMI [2].
ни и используется для измерения состава пучка
Пучок протонов, взаимодействуя с углерод-
нейтрино до осцилляций. Дальний детектор имеет
ной мишенью, порождает преимущественно (ан-
существенно большие размеры (15.6 × 15.6 ×
ти)нейтрино мюонного аромата. Этот поток про-
× 60 м) и массу (14 кт). Оба детектора имеют
ходит расстояние 810 км сквозь земную кору по
одинаковую структуру и состоят из большого числа
направлению к дальнему детектору эксперимента,
ПВХ-ячеек [4] сечением 3.9 × 6.6 см, наполненных
который располагается в штате Миннесота на
жидким сцинтиллятором [5] из смеси минерального
границе с Канадой.
масла с псевдокумолом. В каждой ячейке распо-
лагается петля спектросмещающего оптоволокна,
Последние опубликованные результаты [3] ис-
которая соединяется с 32-канальным лавинным
пользуют для анализа статистику работы детек-
фотодиодом. Для трехмерной реконструкции со-
торов с 8.85 × 1020 POT для нейтринного пучка
бытий детектор формируется из плоскостей ячеек
и 12.33 × 1020 для антинейтринного пучка. Эти
чередующегося горизонтального и вертикального
данные были собраны в период с февраля 2014 г.
направления. Для определения типа нейтрино, за-
до февраля 2019 г. Проектная мощность экспери-
регистрированного в детекторе, используется свер-
мента 700 кВт, это подразумевает 6 × 1020 прото-
точная нейронная сеть CVN [6]. Идентичные ближ-
нов, сброшенных на мишень (POT), за год работы
ний и дальний детекторы позволяют использовать
ускорителя. Режим пучка нейтрино-антинейтрино
процедуру экстраполяции событий. Она использу-
определяется полем магнитных горнов, которые
ется в добавление к Монте-Карло-моделированию
фокусируют вторичные мезоны нужного электри-
событий для реалистичного предсказания состава
ческого заряда после мишени.
пучка в дальнем детекторе и позволяет существен-
но сократить систематические неопределенности.
1)Объединенный институт ядерных исследований, Дубна,
Россия.
Спектр событий электронных и мюонных ней-
*E-mail: ldkolupaeva@yandex.ru
трино в дальнем детекторе чувствителен к опреде-
**E-mail: samoylov@jinr.ru
ленным осцилляционным параметрам: атмосфер-
48
ИЗУЧЕНИЕ НЕЙТРИННЫХ ОСЦИЛЛЯЦИЙ
49
Пучок нейтрино
NOvA предв.
Пучок нейтрино
NOvA предв.
Данные
6
Данные
5
Предсказание
Предсказание
1-σ систематика
квартиль 1
квартиль 2
квартиль 1
квартиль 2
Непр. знак: νμСС
лучшее
1-σ систематика
лучшее
4
Полный фо
н
разреш.
Непр. знак: νμСС
разреш.
Космич. фо
н
4
Полный фон
3
а
Космич. фон
б
2
2
1
0
0
6
5
квартиль 3
квартиль 4
квартиль 3
квартиль 4
4
худшее
худшее
разреш.
4
разреш.
3
2
2
1
0
0
1
2
3
4
0
1
2
3
4
5
1
2
3
4
0
1
2
3
4
5
Реконструированная энергия нейтрино, ГэВ
Реконструированная энергия нейтрино, ГэВ
Пучок нейтрино
NOvA предв.
Пучок нейтрино
NOvA предв.
Низкий PID
Высокий PID
Низкий PID
Высокий PID
20
в
15
г
Данные
Данные
Фон непр. знака
Предсказание
Предсказание
Полн. фон пучка
1-σ систематика
15
Фон непр. знака
1-σ систематика
Космич. фон
Полн. фон пучка
10
Космич. фон
10
5
5
0
0
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
1
2
3
4
Реконструированная энергия нейтрино, ГэВ
Реконструированная энергия нейтрино, ГэВ
Рис. 1. Спектр событий по реконструированной энергии, отобранных в дальнем детекторе NOvA. На картинках также
изображено Монте-Карло-предсказаниедля лучшего значения фита с экстраполяциейиз ближнего детектора в дальний.
События νμ и νμ разделены на квартили по реконструированной адронной энергии [7].
ной разнице квадратов масс Δm232, углу смешива-
параметрах. Лучшими значениями подгонки яв-
ния θ23, фазе CP -нарушения в лептонном секторе
ляются: Δm232 = 2.48+0.11-0.06 × 10-3 эВ2, sin2θ23 =
δCP и иерархии масс нейтрино.
= 0.56+0.04-0.03, δCP = 0.0+1.3-0.4π. Это соответствует
нормальной иерархии масс и верхнему октанту
θ23
(>π/4). Доверительные контуры
1,
2,
3σ
2. РЕЗУЛЬТАТЫ АНАЛИЗА ДАННЫХ
представлены на рис. 2. Обратная иерархия масс
СО СТАТИСТИКОЙ 2019 ГОДА
отвергается на уровне 1.9σ, а нижний октант
В дальнем детекторе эксперимента за весь срок
θ23 на уровне 1.6σ, однако результат все еще
набора данных было найдено 58 событий в кана-
согласуется с максимальным смешиванием θ23
ле νμ → νe (ожидаемый фон 15.0), 27 событий в
на уровне 1.2σ. Большая область в обратной
канале νμ → νe (ожидаемый фон 10.3), 113 собы-
иерархии около δCP = π/2 отвергается на уровне
тий в канале νμ → νμ (ожидаемый фон 4.2), 102
>3σ. Все значения δCP разрешены на уровне 1.1σ
события в канале νμ → νμ (ожидаемый фон 2.2).
для нормальной иерархии и верхнего октанта θ23.
Полученное количество νe событий является 4.4σ
свидетельством появления νe в пучке νμ. Измерен-
3. ПЕРСПЕКТИВЫ ЭКСПЕРИМЕНТА NOvA
ные спектры событий представлены на рис. 1. По-
Помимо увеличения статистики для анализа
дробные детали отбора событий и последующего
NOvA улучшает собственные средства обработки
анализа можно найти в [7].
данных. В ближайшее время ожидаются изменения
Совместная подгонка полученных спектров
разных стадий в Монте-Карло-моделировании со-
νμ,
νμ, νe и
νe событий-кандидатов позволила
бытий [8]. Это уточнения моделей сечения взаимо-
сделать следующие выводы об осцилляционных
действия нейтрино с веществом детектора [9, 10],
ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 84
№1
2021
50
КОЛУПАЕВА, САМОЙЛОВ
NOvA предв.
NOvA предв.
0.7
а
0.7
б
0.6
0.6
0.5
0.5
0.4
0.4
≤1σ
≤2σ
≤3σ
Лучшее знач.
≤2σ
≤3σ
ОИ
0.3
НИ
0.3
0
π
π
3π
2π
0
π
π
3π
2π
2
δCP
2
2
δCP
2
NOvA ДД
8.85 × 1020 POT-экв. ν + 12.33 × 1020 POT ν
NOvA ДД 8.85 × 1020 POT-экв. ν + 12.33 × 1020 POT ν
5
3.0
НИ нижний окт.
в
г
НИ верхний окт.
2.5
4
ОИ нижний окт.
ОИ верхний окт.
2.0
3
1.5
2
Нормальная
1.0
иерархия
1
0.5
Обратная
иерархия
0
0
π
π
3π
2π
0.4
0.5
0.6
0.7
2
δCP
2
sin2θ23
Рис. 2. Доверительные контуры 1, 2, 3σ для плоскости sin2θ23 - δCP и уровни значимости, на которых отвергаются
разные значения δCP и θ23.
отклика сцинтиллятора на прохождение частиц
реализованных в природе. На данный момент гло-
[11, 12], калибровок детектора. В лаборатории им.
бальные анализы данных нейтринных эксперимен-
Ферми был размещен тестовый пучок для умень-
тов склонны к нормальной иерархии масс и δCP =
шенной копии детектора [13]. Он позволит улуч-
= ∼3π/2 [18]. Для этих значений чувствительность
шить представление о работе всех компонент де-
NOvA к иерархии масс может составить макси-
тектора, а также его отклик на чистые пучки проб-
мальное значение около 5σ, а чувствительность к
ных частиц. Это важно для понимания топологии
δCP примерно 2σ.
этих частиц в детекторе и будет использовано для
Помимо индивидуальных измерений экспери-
тренировки нейронных сетей для их распознавания.
менты T2K и NOvA планируют проведение сов-
Улучшается также реконструкция событий и ак-
местного анализа данных [19]. Это позволит улуч-
тивнее используются для этого нейронные сети [14,
шить ограничения на осцилляционные параметры и
15]. Техника анализа данных и статистические ме-
станет первой объединенной работой двух осцил-
тоды также модифицируются.
ляционных экспериментов.
Эксперимент планирует продолжать работу до
В конце первого десятилетия XXI века ней-
2025 г., до тех пор, пока ускоритель не будет
тринные эксперименты вышли на фазу прецизи-
остановлен для финальных работ для эксперимен-
онных измерений. Однако на данный момент все
та DUNE [16]. В течение этих лет планируется
еще остаются белые пятна в физике осцилляций
постепенное наращивание мощности ускорителя в
нейтрино, для которых будут строиться в следую-
соответствии с планом PIP-II [17]. Все это позво-
щее десятилетие б ´oльшие детекторы и мощнейшие
лит NOvA набрать 36 × 1020 POT с нейтринным
источники частиц.
пучком и 36 × 1020 POT с антинейтринным пучком.
Авторы выражают благодарность руководите-
Ожидаемые чувствительности к иерархии масс
лю проекта NOvA в ОИЯИ А.Г. Ольшевскому за
нейтрино и фазе δCP представлены на рис. 3.
полезные обсуждения. Исследование выполнено за
Потенциально к концу набора данных NOvA будет
счет гранта Российского научного фонда (проект
способна измерить иерархию масс на уровне 0.5-
№ 18-12-00271) и при финансовой поддержке
5σ в зависимости от осцилляционных параметров,
РФФИ (научный проект № 19-32-90058).
ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 84
№1
2021
ИЗУЧЕНИЕ НЕЙТРИННЫХ ОСЦИЛЛЯЦИЙ
51
sin2θ23 = 0.45-0.60, Δm22 = +2.48 × 10-3 эВ2,
sin2θ23 = 0.45-0.60, Δm22 = +2.48 × 10-3 эВ2,
sin22θ13 = 0.082
sin22θ13 = 0.082
5
5
Чувствительность к иерархии
СР-нарушение
а
б
НИ δCP = 3π/2
4
НИ δCP = 3π/2
4
НИ δCP = π
НИ δCP = 0
НИ δCP = π/2
НИ δ
CP
=π/2
3
3
2
2
1
1
Методы анализа 2019 г.
Методы анализа 2019 г.
36 × 1020 POT(ν) + 36 × 1020 POT(ν) к 2025
36 × 1020 POT(ν) + 36 × 1020 POT(ν) к 2025
0
0
2018
2020
2022
2024
2018
2020
2022
2024
Год
Год
sin22θ13 = 0.082
ν 36 × 1020 + ν 36 × 1020 POT
sin22θ13 = 0.082
ν 36 × 1020 + ν 36 × 1020 POT
5
3
в
г
Обратная иерархия
Обратная
4
Нормальная иерархия
Нормальная
2
3
2
1
1
0
0.5
1.0
1.5
2.0
0
0.5
1.0
1.5
2.0
δCP/π
δCP/π
Рис. 3. Ожидаемые чувствительности NOvA к иерархии масс и δCP к 2025 г. с интегральной статистикой 36 × 1020(ν) +
+ 36 × 1020(νe) POT. На нижних картинках представлены чувствительности с учетом значений нынешнего лучшего
значения подгонки NOvA.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
6. A. Aurisano, A. Radovic, D. Rocco, A. Himmel,
M. D. Messier, E. Niner, G. Pawloski, F. Psihas,
1. NOvA Collab. (D. S. Ayres et al.), hep-ex/0503053.
A. Sousa, and P. Vahle, JINST 11, P09001 (2016);
2. P. Adamson et al. [NOvA Collab.], Nucl. Instrum.
Methods A 806, 279 (2016);
[arXiv: 1604.01444 [hep-ex]]
[arXiv:
7. M. A. Acero et al. [NOvA Collab.], Phys. Rev. D 98,
1507.06690 [physics.acc-ph]]
032012 (2018);
3. M. A. Acero et al. [NOvA Collab.], Phys. Rev. Lett.
123, 151803 (2019);
[arXiv: 1806.00096 [hep-ex]]
8. A. Aurisano, C. Backhouse, R. Hatcher, N. Mayer,
J. Musser, R. Patterson, R. Schroeter, and A. Sousa,
[arXiv: 1906.04907 [hep-ex]]
J. Phys.: Conf. Ser. 664, 072002 (2015);
4. R. L. Talaga, J. J. Grudzinski, S. Phan-Budd,
A. Pla-Dalmau, J. E. Fagan, C. Grozis, and
9. I. D. Kakorin, K. S. Kuzmin, and V. A. Naumov,
K. M. Kephart, Nucl. Instrum. Methods A 861, 77
Phys. Part. Nucl. Lett.
17,
265
(2020),
(2017);
[arXiv:
Papers/PEPANL2020.pdf
1601.00908 [physics.ins-det]]
10. J. Wolcott
[for
the NOvA Collab.], PoS
5. S. Mufson, B. Baugh, C. Bower, T. E. Coan,
(NuFACT2018) 098;
J. Cooper, L. Corwin, J. A. Karty, P. Mason,
M. D. Messier, A. Pla-Dalmau, and M. Proudfoot,
[arXiv:1812.05653 [hep-ex]]
Nucl. Instrum. Methods A 799, 1 (2015);
11. O. B. Samoylov, N. V. Anfimov, A. I. Antoshkin,
[arXiv:
and A. P. Sotnikov, in Proceedings of the 27th
1504.04035 [physics.ins-det]]
International Symposium on Nuclear Electronics
ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 84
№1
2021
52
КОЛУПАЕВА, САМОЙЛОВ
and Computing (NEC’2019), Budva, Becici,
16. B. Abi et al. [DUNE Collab.], Deep Underground
Montenegro, Sept. 30-Oct. 4, 2019; http://
Neutrino Experiment (DUNE), Far Detector
ceur-ws.org/Vol-2507/439-442-paper-81.pdf
Technical Design Report, Vol. I [arXiv: 2002.02967
12.
S. Yu, arXiv: 1910.07035 [physics.ins-det].
[physics.insdet]].
13.
A. Sutton [on behalf of the NOvA Collab.], PoS
17. V. Lebedev [PIP-II Collab.], The PIP-II Reference
(NuFACT2018) 058;
18. I. Esteban, M. C. Gonzalez-Garcia, A. Hernandez-
14.
F. Psihas, E. Niner, M. Groh, R. Murphy, A. Aurisano,
Cabezudo, M. Maltoni, and T. Schwetz, JHEP 1901,
A. Himmel, K. Lang, M. D. Messier, A. Radovic,
106 (2019),
and A. Sousa, Phys. Rev. D 100, 073005 (2019);
[arXiv:
1811.05487 [hep-ph]]
[arXiv: 1906.00713 [physics.ins-det]]
15.
P. Baldi, J. Bian, L. Hertel, and L. Li, Phys. Rev. D
19. Объявление: T2K and NOvA collaborations
99, 012011 (2019);
to produce joint neutrino oscillation analysis
(2018),
[arXiv: 1811.04557 [physics.ins-det]]
01/t2k-nova-announce/
A STUDY OF NEUTRINO OSCILLATIONS
IN THE NOvA EXPERIMENT
L. Kolupaeva1), O. Samoylov1)
1)Joint Institute for Nuclear Research, Dubna, Russia
NOvA is a neutrino experiment at FNAL (USA) designed to study oscillations, in particular the appearance
of electron and the survival of muon neutrinos. Two detectors, near and far, are 810 km away from each other
and located at 14 mrad angle to the beam direction from the NuMI accelerator complex, which provides an
optimal ratio of the energy and distance for neutrino oscillations. The goals of the experimentare to measure
the neutrino mass hierarchy, determine the phase of CP violation in the lepton sector, define the values of
the parameters θ23 and Δm232, as well as some other tasks. In this paper, we will discuss the results of
NOvA joint analysis with the statistics of neutrino and antineutrino beams of 8.85 × 1020 + 12.33 × 1020
proton-on-target (POT) and highlight further perspectives of the experiment.
ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 84
№1
2021
