КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 22-72-00054
НазваниеПоиски стерильного нейтрино в эксперименте DANSS с учетом информации об абсолютной скорости счета антинейтринных событий и изучение временного разрешения прототипа детектора SuperFGD для нейтронов.
РуководительСкробова Наталия Алексеевна, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физический институт им.П.Н.Лебедева Российской академии наук, г Москва
| Период выполнения при поддержке РНФ | 07.2022 - 06.2024 |
Конкурс№70 - Конкурс 2022 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.
Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-101 - Физика элементарных частиц
Ключевые слованейтринные осцилляции, стерильное нейтрино, ядерный реактор, сцинтилляционный детектор, временное разрешение, кремниевые фотоумножители
Код ГРНТИ29.05.00
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Поиски явлений за рамками Стандартной Модели являются в настоящее время одним из важнейших направлений в физике элементарных частиц. Сейчас есть несколько экспериментальных указаний на такие явления. Наиболее статистически значимыми являются указания о существовании стерильного нейтрино. Поиски стерильного нейтрино являются чрезвычайно актуальной задачей. Над этим работает более 10 экспериментов в различных странах мира. В эксперименте DANSS получены лучшие в мире ограничения на параметры стерильного нейтрино в некоторых областях пространства параметров. В частности исключена большая область параметров, где имеются указания на существование стерильного нейтрино в эксперименте BEST, включая его наилучшую точку. В предлагаемом проекте планируется расширить область чувствительности эксперимента DANSS в область больших значений разностей квадратов масс нейтрино, где имеются указания о существовании стерильного нейтрино в экспериментах BEST и Нейтрино-4. Улучшение в чувствительности предполагается достигнуть путем использования информации об абсолютных скоростях счета антинейтринных событий. Измерения с использованием абсолютных скоростей счета уже проводились, однако детектор DANSS находится на самом близком расстоянии к промышленному реактору и это позволяет надеяться на улучшение результатов в промежуточной области значений параметра разности квадратов масс нейтрино.
Мега-проект Hyper Kamiokande станет одним из двух крупнейших проектов по исследованию свойств нейтрино, проведению космологических исследований с помощью нейтрино и поиску распада протона. Изготовленный в ИЯИ РАН детектор SuperFGD, состоящий из примерно 2 млн сцинтилляционных счетчиков, позволит резко улучшить восстановление нейтринных событий, включая конечные состояния с нейтроном. Энергия нейтрона будет измеряться с помощью времени пролета, поэтому методика определения времени пролета и оценка временной точности очень важны. Работа в этом направлении с использованием экспериментальных измерений на прототипе SuperFGD составляет вторую часть данного исследования.
Ожидаемые результаты
В настоящее время в эксперименте DANSS поиски стерильного нейтрино ведутся с помощью изучения отношения энергетических спектров позитронов на разных расстояниях от реактора с помощью одного и того же детектора. Этот подход является наиболее модельно-независимым. Однако чувствительность этого метода при Δm^2 > 4 эВ^2 резко уменьшается. Использование информации об абсолютной скорости счета антинейтринных событий должно позволить увеличить чувствительность эксперимента в этой области. Для этого планируется:
1. Провести анализ всех систематических неопределенностей, возникающих при таком подходе, включая неопределенность в потоке антинейтрино и в абсолютной эффективности детектора.
2. Оценить чувствительность эксперимента к параметрам стерильного нейтрино при проведении анализа с учетом информации об абсолютных скоростях счета антинейтринных событий.
3. Провести поиски стерильного нейтрино с учетом информации об абсолютных скоростях счета антинейтринных событий и получить ограничения на параметры гипотетического стерильного нейтрино.
Обнаружение стерильного нейтрино к кардинальным изменениям современных представлений о строении Материи. Ограничения на его параметры важны для проверки указаний на его существование в других экспериментах и для проверки различных теоретических моделей. Ожидается, что полученные результаты будут находиться на мировом уровне или даже превосходить его для некоторых значений параметров.
С использованием экспериментальных данных с прототипа детектора SuperFGD на нейтронном пучке LANL будет разработана методика определения времени пролета нейтрона для нейтронов с энергиями до 700 МэВ и измерена точность в определении времени пролета. Разработанный и созданный в ИЯИ детектор SuperFGD является рекордным по числу сцинтилляционных счетчиков (около 2 млн). Полученные результаты будут уникальными и определять уровень исследований с мире в этой области.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Детектор DANSS измеряет энергетические спектры позитронов, рожденных внутри детектора с помощью реакции обратного бета-распада (ОБР), в которой антинейтрино, взаимодействуя с протоном в чувствительном объеме детектора, производит позитрон и нейтрон. При этом, с хорошим приближением энергия антинейтрино равняется энергии позитрона + 1.8 МэВ. Для поиска стерильного нейтрино измеренные на разных расстояниях от реактора экспериментальные спектры позитронов сравниваются с теоретическими предсказаниями для случая наличия стерильного нейтрино или случая отсутствия стерильного нейтрино. Теоретические предсказания рассчитываются при помощи методов моделирования Монте-Карло для каждой из гипотез. Предсказанное отношение спектров позитронов, набранных на разных расстояниях от детектора до реактора, сравнивалось с экспериментальным.
Во время первого года реализации проекта были получены оценки величины основных систематических неопределенностей в скорости счета антинейтринных событий в детекторе DANSS. Полная систематическая неопределенность составила 7%. Доминирующий вклад в систематическую неопределенность в анализе с абсолютными скоростями счета ОБР вносит неопределенность в спектрах антинейтрино от реактора, которая составляет 5%. Систематическая неопределенность без вклада от спектров антинейтрино составляет 4%. Абсолютные скорости счета событий ОБР, наблюдаемые в эксперименте DANSS, меньше предсказанных с помощью модели Хубера и Мюллера, но совместимы с учетом ошибок (отношение составляет 0.98 ± 0.04).
Была получена область чувствительности к параметрам стерильного нейтрино в эксперименте DANSS в случае учета абсолютных скоростей счетов антинейтринных событий с учетом проведенных исследований систематических неопределенностей. Для больших значений (~10 эВ^2) параметра Δm^2 можно отличать гипотезы наличия и отсутствия осцилляций в гипотетическое стерильное нейтрино при sin^22Θ > 0.24 на 90% уровне достоверности.
Была получена область исключения в пространстве параметров стерильного нейтрино в эксперименте DANSS в случае учета абсолютных скоростей счетов антинейтринных событий на разных расстояниях от реактора для больших значений параметра Δm^2. С 90% уровнем достоверности исключаются значения параметра sin^22Θ > 0.26.
Полученный результат позволил исключить наилучшую точку Δm^2 =7.3 эВ^2, sin^22Θ = 0.36, полученную в эксперименте Нейтрино-4 и заметную область допустимых параметров, полученных в эксперименте BEST. Полученный результат зависит от предсказаний для спектров антинейтрино от реактора, однако для систематической неопределенности, связанной со спектром, использовалась консервативная оценка в 5%.
Детектор SuperFGD станет важнейшей новой частью при модернизации комплекса ближних детекторов ND280 для экспериментов T2K и Hyper Kamiokande. Основная цель модернизации ND280 состоит в уменьшении систематических неопределенностей, связанных с потоками нейтрино и моделированием сечений взаимодействий для будущих осцилляционных измерений в T2K и Hyper Kamiokande. Точное измерение кинематических характеристик нейтронов, полученных в результате взаимодействия, позволит улучшить восстановление энергии нейтрино. Начальная энергия нейтрона может быть восстановлена с использованием информации о времени пролета между начальной вершиной взаимодействия и точкой образования вторичного трека протона. Для такого рода вычислений хорошее временное разрешение детектора является определяющим фактором.
За первый год реализации проекта была произведена временная калибровка каналов прототипа детектора SuperFGD с помощью данных, полученных на нейтронном канале LANL. После проведения процедур калибровки временное разрешение индивидуального канала составило 1.37 нс с учетом вклада в разрешение от времени прохождения пучка. Было определено внутреннее разрешение индивидуального канала, которое составло σ(ti) = 1.1 нс. Было продемонстрировано, что при усреднении временных измерений, полученных с помощью различных каналов прототипа детектора SuperFGD, временное разрешение улучшается пропорционально √(N), где N – число каналов. Это далеко не тривиальный факт, поскольку в случае идеальной синхронизации различных каналов прототипа детектора SuperFGD временное разрешение для усредненных измерений было бы ограничено вкладом от дискретизации временных измерений: 2.5 нс/√12 = 0.72 нс.
Полученный результат говорит о том, что в детекторе SuperFGD может быть достигнуто очень хорошее временное разрешение для нейтронов с помощью усреднения временных измерений в треке вторичной частицы.
Публикации
1. Скробова Н.А. Measurements of the absolute reactor antineutrino energy spectrum dependence on the fuel composition. Physics of Atomic Nuclei, номер 4, том 86 (2023 г.) (год публикации - 2023)