MINOS
MINOS — Main Injector Neutrino Oscillation Search — нейтринный эксперимент между Фермилабом под Чикаго и остановленным железным рудником в Миннесоте. Он работал с 2005 по 2016 год и превратил нейтринные осцилляции в прецизионное измерение.
От открытия к промеру
В 1998 году Super-Kamiokande показал, что нейтрино осциллируют. Источником были атмосферные нейтрино — бесплатные, но неконтролируемые: ни точное их число, ни их спектр не известны особенно хорошо.
Для точного измерения нужен источник, который держишь в собственных руках. Именно для этого Мелвин Шварц изобрёл в 1960 году нейтринный пучок. MINOS использовал его, чтобы превратить качественный результат в число.
Два детектора, один пучок
Решающая мысль — двойное измерение.
В Фермилабе пучок NuMI порождает мюонные нейтрино: протоны попадают в графитовую мишень, возникающие пионы собираются в пучок магнитными рогами и распадаются на участке длиной 675 метров. Первый детектор массой 980 тонн стоит там в каверне, всего в километре от места рождения — слишком близко, чтобы осцилляции могли играть роль. Он измеряет, стало быть, что было отправлено.
В 735 километрах дальше, на глубине 705 метров в руднике Судан, стоит второй детектор массой 5 400 тонн и измеряет, что приходит.
Сравнение обоих измерений и есть настоящий хитрый приём. Насколько силён был пучок, как выглядел его спектр, насколько хорошо откликаются детекторы — все эти неопределённости действуют на оба измерения одинаково и сокращаются в отношении. Остаётся разница, а она и есть осцилляция.
Оба детектора были к тому же построены одинаково, из одних и тех же чередующихся слоёв стали и сцинтиллятора. И это служит той же цели — чтобы систематические ошибки взаимно уничтожались.
Намагниченная сталь
Одна особенность отличала MINOS от всех прочих нейтринных детекторов: сталь была намагничена.
Магнитное поле искривляет траекторию заряженных частиц, а по направлению искривления считывают заряд. Поэтому MINOS мог отличать мюоны от антимюонов — а тем самым нейтрино от антинейтрино.
Это позволило провести проверку, которую прежде никто не мог выполнить: одинаково ли осциллируют те и другие? Различие было бы указанием на нарушение CPT-симметрии, одного из глубочайших принципов физики. MINOS никакого не нашёл — в пределах точности измерений нейтрино и антинейтрино ведут себя одинаково.
Результаты
MINOS определил разность квадратов масс Δm²₃₂ с точностью до нескольких процентов. Это число и сегодня относится к наиболее хорошо измеренным величинам нейтринной физики.
Ещё важнее значения была картина. Нейтрино определённых энергий недоставало сильнее, чем других, и притом ровно в той форме, какую предсказывает осцилляция: провал в спектре, положение которого зависит от энергии и расстояния.
Это исключило конкурирующие объяснения. Если бы нейтрино просто распадались или уходили в дополнительное измерение — и то и другое рассматривалось всерьёз, — спектр выглядел бы иначе.
Побочный результат о скорости
MINOS измерил также, как быстро его нейтрино проходят эти 735 километров, и нашёл результат совместимым со скоростью света. Тот же вопрос принёс эксперименту OPERA в 2011 году кратковременные заголовки по всему миру, пока там не обнаружилась ошибка в измерении времени.
Преемники
С 2014 года NOvA использует ту же линию пучка, правда на 14 миллирадиан в стороне от оси и с детектором массой 14 000 тонн в Эш-Ривере, Миннесота. Косое расположение даёт более узкий энергетический спектр — тот же приём, который применяет и T2K в Японии.
Следующий шаг на той же площадке — DUNE, с 1 300 километрами пути вместо 735 и жидким аргоном вместо стали.
Связанные понятия
- Нейтринные осцилляции — измеренный процесс
- T2K — японский аналог
- DUNE — преемник на том же месте
- Мелвин Шварц — метод пучка
Источники
- Коллаборация MINOS: Measurement of Neutrino and Antineutrino Oscillations Using Beam and Atmospheric Data in MINOS, Physical Review Letters 110, 251801 (2013).
- Коллаборация MINOS: Measurement of the neutrino velocity with the MINOS detectors, Physical Review D 92, 052005 (2015).