В конце января 2023 года в ЦЕРН состоялось коллаборационное совещание DUNE, участие в котором приняли сотрудники Научно-экспериментального отдела физики элементарных частиц Лаборатории ядерных проблем (НЭОФЭЧ ЛЯП). Члены коллаборации обсудили статус проекта и дальнейшие научные планы.

Обсуждалась обработка и анализ первых данных с прототипа одной из установок ближнего детекторного комплекса эксперимента DUNE в Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми (Fermilab, США). Были рассмотрены задачи анализа набранных в прошлые годы данных с прототипа дальнего детектора в ЦЕРН.

Коллаборация DUNE на январском совещании в CERN. Фото из личного архива членов коллаборации DUNE

В настоящее время продолжаются работы в подземном исследовательском центре Sanford: подземный зал дальнего детектора и лаборатория закончены наполовину. Эксперимент DUNE начнет работу с двумя модулями дальнего детектора. Планируемая мощность протонного пучка в момент запуска составляет 1,2 МВт. Ввиду сложности создания ND-GAr вначале он временно будет заменен на мюонный спектрометр TMS (The Muon Spectrometer) из сцинтиллятора со слоями железа. На втором этапе будут установлены два оставшихся модуля дальнего детектора, cобран ND-GAr и произведена модернизация ускорителя до мощности пучка в 2,4 МВт. Установка SAND обеспечит надежное мониторирование нейтринного пучка, позволит в течение короткого промежутка времени измерить его поток и форму энергетического спектра. Кроме того, структура детектора из тонких слоев графита (C) и полипропилена (CH2) за счет метода вычитания обеспечит измерение сечений взаимодействия нейтрино (и других процессов) на водородной мишени, в которых нет примеси внутриядерных взаимодействий. Измерение иерархии масс нейтрино будет возможно уже в первые годы запуска DUNE. Для измерения фазы нарушения CP-четности потребуется более длительный набор статистики.

Николай Анфимов и Александр Селюнин (ЛЯП ОИЯИ) в Университете Берна рядом с модулем время-проекционной камеры, размещенной в криостате. Этот модуль станет частью прототипа ND-LAr в Fermilab

Коллаборационному совещанию DUNE предшествовала рабочая встреча в Университете Берна для обсуждения анализа данных прототипа ближнего детектора ND-LAr. В течение этого года участники проекта планируют разместить в лаборатории Fermilab четыре уменьшенных модуля ND-LAr в криостате вместе с модулями из ячеек пластикового сцинтиллятора эксперимента MINERvA на нейтринном пучке, предназначенном для эксперимента NOvA. Помимо методических исследований, этот прототип будет использоваться и для физических задач: измерение сечений взаимодействий нейтрино, множественности заряженных частиц и других. Полноразмерный ND-LAr будет состоять из 35 модулей. Научная группа НЭОФЭЧ ЛЯП отвечает за создание светосчитывающей системы ND-LAr, участвует в тестировании и сборке модулей в Университете Берна.

Сотрудники ЛЯП ОИЯИ – участники рабочего совещания по прототипу ближнего детектора ND-LAr в Университете Берна

Об эксперименте DUNE

Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) – эксперимент нового поколения с ускорительными (анти)нейтрино, который создается для уточнения и измерения все еще не известных параметров, определяющих процесс осцилляций нейтрино. Основные его задачи – измерение порядка нейтринных масс и фазы нарушения CP-инвариантности в лептонном секторе. В этом смысле он продолжает экспериментальную программу действующих ныне NOvA (США) и T2K (Япония). DUNE будет работать с мюонными (анти)нейтрино, произведенными в ускорительном комплексе Fermilab в результате взаимодействия выведенного пучка протонов с неподвижной мишенью. Полученным таким образом нейтрино предстоит преодолеть путь в 1300 км. Там они будут зарегистрированы 70-тысячетонным дальним детектором, который будет размещен в центре Sanford (США). По прохождении этого расстояния в результате осцилляций состав пучка будет меняться. Контрольное измерение изначального потока нейтрино будет проводиться в ближнем детекторном комплексе, состоящем из трех установок. Первая часть – ND-LAr (Near Detector Liquid Argon) – сходна по методике с дальним детектором и представляет собой модульную жидкоаргоновую время-проекционную камеру. Вплотную к ней будет располагаться второй детектор ND-GAr (Near Detector Gaseous Argon) – газовая время-проекционная камера высокого давления, расположенная внутри магнита, что позволит определять заряд и импульс лептонов при взаимодействии нейтрино внутри ND-LAr. Оба детектора будут располагаться на подвижной платформе для проведения измерений состава пучка на расстоянии до 33 м от оси (концепция DUNE-PRISM). Третья установка ближнего детекторного комплекса DUNE под названием SAND (System for on-Axis Neutrino Detection) – трековый детектор из строу-трубок STT (Straw Tube Tracker) внутри соленоидального магнита эксперимента KLOE (Фраскати, Италия) – будет неподвижно располагаться на оси пучка. Физическая программа DUNE благодаря многообразию детекторных методик многогранна и не ограничивается только измерением параметров осцилляций нейтрино.

Темур Еник (ЛФВЭ) и тестовый стенд со строу-трубками для ближнего детектора SAND

В подготовке эксперимента участвуют специалисты нескольких подразделений Объединенного института. Сотрудники НЭОФЭЧ ЛЯП, помимо методического вклада для ND-LAr, занимаются моделированием, подготовкой программ реконструкции и будущего анализа данных DUNE. В CERN, на тестовом стенде, созданном сотрудниками ЛФВЭ ОИЯИ для детектора SAND, ведутся методические работы со строу-трубками. Сотрудники ЛИТ ОИЯИ развивают компьютерную инфраструктуру для хранения и обработки данных. Этот разносторонний профессиональный вклад делает участие сотрудников ОИЯИ в проекте DUNE особо ценным и заметным для коллаборации.