Объединенный институт активно развивает нейтринную программу. Ведется строительство глубоководного нейтринного телескопа Baikal-GVD, ученые ОИЯИ принимают активное участие в международных нейтринных экспериментах. В этом году исполнилось ровно 20 лет с того момента, как группа Института присоединилась к поиску тау-нейтрино в рамках международного сотрудничества OPERA. В рамках этого эксперимента были открыты осцилляции мюонных нейтрино в тау-нейтрино. Ученые ОИЯИ принимали участие в создании детектора Target Tracker, предложили программное обеспечение для этого детектора и точный способ анализа данных, а также участвовали в других работах.

Проделанная в рамках проекта работа была высоко оценена и получила первую премию ОИЯИ в категории научно-исследовательские экспериментальные работы за 2021 год. Об истории участия ученых Объединенного института и их вкладе в сделанные открытия рассказывает начальник Сектора экспериментальной нейтринной физики НЭОФЭЧ ЛЯП, кандидат физико-математических наук Юрий Горнушкин.

Эксперимент OPERA был предложен в 1998 году для доказательства существования νμ ↔ ντ осцилляций. Поток мюонных нейтрино, рожденных в ЦЕРНе во взаимодействиях протонов с мишенью, направлялся в подземную лабораторию Гран-Сассо в Италии на расстояние около 730 км от Женевы. Там и находился детектор для регистрации появления тау-нейтрино. На момент создания эксперимента прямых свидетельств превращения мюонных нейтрино в тау-нейтрино не существовало.

Регистрация тау-нейтрино – чрезвычайно сложная задача. Впервые это удалось сделать только в 2001 году в эксперименте DONuT (FNAL, США) с помощью специального эмульсионного детектора ECC (Emulsion Cloud Chamber). Поиск тау-нейтрино в эксперименте OPERA был задачей еще более сложной: нужно было регистрировать нейтрино на значительном расстоянии от источника, там, где их поток существенно ослаблен.

В начале 2000-х годов началось создание гибридной установки, имевшей мишенную часть (ЕСС) и электронные детекторы (Рис.1). Установка имела беспрецедентные характеристики. При массе около 1200 тонн достигалось исключительно высокое пространственное и угловое разрешение: около 1 микрона и 0,5 мрад соответственно. Благодаря этому стало возможным эффективное распознавание взаимодействий тау-нейтрино по каналу заряженного тока, т. е. прямая регистрация рождения тау-лептона и его распада (см. ниже изображение одного из реконструированных событий).

Рис. 1. Детектор OPERA в подземной лаборатории INFN в Гран-Сассо

Основные данные были набраны с 2008 по 2012 годы. Всего в детекторе было зарегистрировано около 20000 взаимодействий нейтрино. Из этих событий с помощью специальных критериев отбора и продвинутых методов анализа, в том числе с использованием нейронных сетей, были отобраны кандидаты во взаимодействия тау-нейтрино. При ожидаемых двух фоновых событиях с помощью мультивариативного анализа было обнаружено 10 событий-кандидатов взаимодействия тау-нейтрино. Достоверность обнаружения превысила 6 стандартных отклонений. Таким образом, осцилляции мюонных нейтрино в тау-нейтрино были открыты, а главная цель эксперимента успешно достигнута. Этот результат стал важным дополнением к исследованиям нейтринных осцилляций в режиме “исчезновения” в других экспериментах, что и было отмечено в Нобелевском докладе Такааки Кадзиты в 2015 году.

В представленный на конкурс ОИЯИ цикл вошли работы, выполненные в разные годы, включая самые последние, посвященные результатам, в получении которых члены группы ОИЯИ принимали непосредственное участие.

Группа ОИЯИ активно участвовала в создании Target Tracker (ТТ) ― основного электронного детектора. А именно в изготовлении сцинтилляционных стрипов, в сборке и калибровке модулей во Франции, в монтаже детектора в Гран-Сассо. Более 20 представителей лабораторий ОИЯИ принимали участие в этих работах. Общая площадь ТТ составляет 6200 м² (62488 каналов ФЭУ). «В ОИЯИ после запуска детектора был создан собственный пакет программ обработки данных ТТ для поиска вершин событий в детекторе OPERA, — отмечает Юрий Горнушкин. — Программное обеспечение ОИЯИ оказалось более эффективным, чем базовое, что позволило делать анализ значительно быстрее, а входящий в него графический интерфейс, т.н. “event-display”, был намного более информативным и функциональным». Группа ОИЯИ была ответственной за анализ данных ТТ и поиск вершин нейтринных событий на протяжении почти всего эксперимента.

Детектор OPERA мог эффективно регистрировать также и электронные нейтрино. Однако осцилляций νμ νе в режиме появления в кинематической области, на которую был настроен эксперимент, обнаружено не было, количество найденных случаев взаимодействия электронных нейтрино соответствовало уровню их примеси в пучке CNGS. Тем не менее анализ событий с электронными нейтрино позволил установить ограничения на существование стерильных нейтрино.

В 2011 году группа участников эксперимента из Лиона выполнила оценку времени пролета нейтрино из ЦЕРНа в Гран-Сассо. Из-за ряда технических погрешностей результат имел большую систематическую ошибку, что привело к парадоксальному результату: нейтрино летит быстрее света! Усилиями других участвующих в OPERA групп довольно быстро удалось обнаружить главный источник ошибки: он был связан с неисправностью в электронике. Юрий Горнушкин отмечает, что одновременно с этим группа ОИЯИ предложила более точный способ анализа данных для регистрации времени взаимодействия нейтрино в ТТ. «Он дополнительно устранял еще одну значительную систематическую ошибку в результате, полученном французской группой», — подчеркивает он. — Этот метод был использован при получении окончательных результатов измерения скорости нейтрино, которые были опубликованы в 2012 году».

Прецизионное пространственное разрешение эмульсионных детекторов делает анализ событий, зарегистрированных в них, очень наглядным и интуитивно понятным (Рис.2). В рамках проекта CERN Open Data (http://opendata.cern.ch) в открытый доступ были выложены данные по наиболее интересным событиям и инструменты для их анализа, с тем чтобы все желающие (включая преподавателей и студентов) могли обработать информацию и получить результат. Этому проекту, осуществленному в значительной мере благодаря группе ОИЯИ, посвящена последняя, опубликованная в 2021 году, статья коллаборации OPERA, вошедшая в представленный на конкурс цикл работ.

Рис. 2. Одно из зарегистрированных в эксперименте OPERA событий взаимодействия тау-нейтрино в ЕСС

Члены группы ОИЯИ 15 раз представляли результаты эксперимента OPERA на международных конференциях. Юрий Горнушкин, руководитель группы ОИЯИ в эксперименте OPERA, с 2012 года является заместителем руководителя коллаборации.

В настоящее время участники OPERA успешно продолжают исследования в других проектах нейтринной программы ОИЯИ: JUNO, NOvA, NA65. Последний эксперимент использует новейшие технологии в области эмульсионных детекторов, разработанные в эксперименте OPERA. С момента предложения эксперимента в 1998 году скорость автоматического считывания трековой информации в эмульсионных детекторах выросла в тысячи раз! (Рис.3). В ускорительном эксперименте NA65 продолжается изучение свойств тау-нейтрино и механизмов их рождения во взаимодействиях протонов с веществом.

Рис. 3. Прогресс в развитии инструментов автоматического считывания трековой информации в ядерной эмульсии (слева). Современные автоматические сканирующие станции в ОИЯИ (справа)

Присуждение Первой Премии ОИЯИ является заслуженной высокой оценкой двадцатилетней работы коллектива, увенчавшейся открытием превращения мюонного нейтрино в тау-нейтрино.