Разработка нейтринного канала для исследования осцилляций нейтрино в эксперименте P2O

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 проекта 22-12-00107

НазваниеРазработка нейтринного канала для исследования осцилляций нейтрино в эксперименте P2O

Руководитель Соколов Анатолий Александрович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение "Институт физики высоких энергий имени А.А. Логунова Национального исследовательского центра "Курчатовский институт" , Московская обл

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-101 - Физика элементарных частиц

Ключевые слова нейтринные осцилляции, нейтринный канал, меченые нейтрино, эксперимент P2O, ускоритель У-70, нейтринный телескоп ORCA

Код ГРНТИ29.05.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Недавно была высказана идея об использовании нейтринного пучка от протонного ускорителя У-70 (Протвино, Россия), направленного в Средиземное море для регистрации нейтрино создаваемым вблизи побережья Франции глубоководным детектором ORCA (Oscillation Research with Cosmics in the Abyss) для проведения экспериментов по определению иерархии масс нейтрино и поиска нарушения СР-инвариантности в лептонном секторе. Ускоритель У-70 может генерировать в распадах pi и К мезонов нейтринный пучок с оптимальными параметрами, а установка ORCA имеет непревзойденный инструментальный объем регистрации нейтрино ~8 Мт. Расстояние от ускорителя У-70 до детектора составляет 2595 км, что идеально для рассматриваемого нейтринного эксперимента. Оценки чувствительности эксперимента P2O показывают, что этот эксперимент даст беспрецедентную чувствительность к эффектам материи в Земле. Это позволит определить иерархию масс нейтрино с высокой степенью достоверности всего после нескольких лет работы эксперимента даже при умеренной интенсивности протонного пучка ~ 90 кВт. Использование нейтринного пучка из Протвино в нейтринном телескопе ORCA позволит избежать значительных затрат на проведение подземных работ и потенциально позволяет значительно увеличить массу детектора. Также здесь возможно сравнительно легко произвести модернизацию и создать уплотненную версии детектора ORCA (SuperORCA). Это позволит значительно увеличить чувствительность эксперимента к проводимым измерениям. Таким образом, проект эксперимента, получившего название Р2О (Protvino-to-ORCA), будет обладать уникальными характеристиками, даже при сравнительно низкой интенсивности пучка (~90 кВт на первой стадии эксперимента) У-70. Для реализации проекта необходимо сооружение нового нейтринного канала на ускорителе У-70, который обеспечит формирование пучка нейтрино для проведения эксперимента на дальнем детекторе (ORCA), а также сможет обеспечить богатую научную программу исследований на короткой базе, на площадке НИЦ КИ – ИФВЭ в Протвино. Настоящий проект посвящен формированию предложения по разработке нового нейтринного канала на ускорительном комплексе У-70 в Протвино для исследования осцилляций нейтрино в эксперименте P2O. Планируется рассмотреть вариант создания канала по формированию пучка “меченых” нейтрино, идея которого была предложена и осуществлена в 80-х годах в Протвино на установке «Комплекс Меченых Нейтрино» (КМН). Использование этой методики позволяет определять тип, направление и энергию каждого “меченого” нейтрино с большой точностью, что значительно улучшит энергетическое разрешение и калибровку энергетической шкалы. Использование системы мечения нейтрино (“умный канал”), которая до настоящего времени не рассматривалась в экспериментах с “дальними” нейтрино, сможет обеспечить необходимую статистику реконструированных событий даже при сравнительно низкой интенсивности пучка У-70. Также будут рассмотрены другие варианты нейтринного канала: так называемый “off-axis” канал и канал по формированию “узкополосного” нейтринного пучка. Необходимо провести выбор варианта нейтринного канала, который будет оптимален для проведения эксперимента P2O и который позволяет получить наибольшую чувствительность к проводимым измерениям. В структуру нейтринного канала с необходимостью включается “ближний” детектор, который используется, в частности, для мониторирования нейтринного пучка. В рамках проекта планируется провести рассмотрение вариантов технического решения для "ближнего" детектора, оптимального для решения задач мониторирования нейтринного пучка, а также для проведения экспериментов с использованием сформированного нейтринного пучка: измерение сечений взаимодействия (анти)нейтрино с нуклонами и ядрами, проверка «LSND-аномалии».

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Новоскольцев Ф.Н., Синюков Р.Ю., Соколов А.А. ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПУЧКА МЕЧЕНЫХ НЕЙТРИНО НА УСКОРИТЕЛЬНОМ КОМПЛЕКСЕ У-70 Известия РАН. Серия физическая, Том 87, вып. 8, с. 1120-1124 (год публикации - 2023)
10.31857/S0367676523702010

2. Новоскольцев Ф.Н., Синюков Р.Ю., Соколов А.А. The Channel for Simultaneous Formation of Neutrino and Antineutrino Beams at the U-70 Accelerator Complex Ядерная физика, 86, 6, 1450–1455 (год публикации - 2023)
10.1134/S1063778824010393

3. Новоскольцев Ф.Н., Синюков Р.Ю., Соколов А.А. К вопросу формирования нейтринных пучков на ускорительном комплексе У–70 с поворотом родительских частиц Письма в ЭЧАЯ, 2024, Т. 21, № 3(254). С. 499–507 (год публикации - 2024)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
• В 2024 году был рассмотрен нейтринный канал на основе двух магнитных параболических горнов и двух дипольных магнитов для выделения требуемого импульсного интервала π-мезонов. Поворотные магниты имеют неравные режимы с противоположной полярностью, поэтому распадная часть канала повёрнута относительно направления наведения первичного протонного пучка на мишень. Магнитооптическая схема канала оптимизирована для формирования квазимонохроматических пучков мюонных нейтрино и антинейтрино на детекторе, расположенном на расстоянии ∼2595 км от мишени, в эксперименте P2O. Произведен расчёт энергетических спектров основных и фоновых нейтрино в дальнем детекторе, создаваемых этим каналом. • В 2024 году был рассмотрен нейтринный канал на основе двух магнитных параболических горнов и двух дипольных магнитов для выделения требуемого импульсного интервала π-мезонов. Поворотные магниты имеют неравные режимы с противоположной полярностью, поэтому распадная часть канала повёрнута относительно направления наведения первичного протонного пучка на мишень. Магнитооптическая схема канала оптимизирована для формирования квазимонохроматических пучков мюонных нейтрино и антинейтрино на детекторе, расположенном на расстоянии ∼2595 км от мишени, в эксперименте P2O. Произведен расчёт энергетических спектров основных и фоновых нейтрино в дальнем детекторе, создаваемых этим каналом. • Проведен сравнительный анализ всех рассмотренных ранее каналов для эксперимента P2O [1, 2, 3, 4], формирующих пучки нейтрино, пиковая энергия которых на дальнем детекторе соответствует первому осцилляционному максимуму нейтрино νµ↔νe в районе 4.5-5 ГэВ, а именно: - прямого канала с параболическими линзами, формирующего “интенсивный” нейтринный пучок (канал № 1) [1]; - канала с параболическими линзами с поворотом родительских частиц в одну сторону – “интенсивный узкоэнергетический” пучок (канал № 2) [2]; - прямого канала с квадрупольными линзами и бездисперсной четырёхмагнитной системой – “узкоэнергетический” пучок (канал № 3) [3]; - канала с квадрупольными линзами с поворотом родительских частиц в одну сторону и бездисперсной двухмагнитной системой с полевой линзой – пучок с пониженным уровнем фона (канал № 4) [4]; - канала меченых нейтрино (канал № 5) [3, 5]. Рассмотрены характеристики пучков, создаваемых в этих каналах – их интенсивность, энергетические распределения нейтрино, характеристики фоновых нейтрино. Произведено их сравнение. • Для выбора оптимального нейтринного канала, а также для оценки научного потенциала эксперимента P2O изучалась чувствительность эксперимента к измерению эффекта нарушения CP инвариантности с использованием различных каналов. Произведен выбор оптимального нейтринного канала. • Изучалась чувствительность к измерению δ_CP в зависимости от различных параметров эксперимента: зависимость от массы детектора, зависимость от доли нейтрино и антинейтрино в экспозиции пучка, зависимость от энергетического разрешения детектора. Это изучение даст возможность формировать оптимальную архитектуру планируемых экспериментов (тип и характеристики пучка, детекторов, необходимая интегральная интенсивность эксперимента) уже на качественном уровне. • Произведен обзор ближнего детектора, оптимального для мониторирования нейтринного пучка, с помощью которого определяется поток нейтрино вблизи мишени в направлении “дальнего” детектора, определяется состав нейтринного пучка, определяется энергетический спектр нейтрино до начала процесса осцилляций. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. A.V.Akindinov, E.G.Anassontzis, G.Anton,et al., Eur. Phys. J. C 79, 758 (2019); https://doi.org/10.1140/epjc/s10052-019-7259-5 2. Ф. Н. Новоскольцев, Р. Ю. Синюков, А. А. Соколов, “Оптическая схема нейтринного канала с магнитными горнами и дипольными магнитами на ускорительном комплексе У–70”, принято к публикации в журнале ЯФ. 3. Ф. Н. Новоскольцев, Р. Ю. Синюков, А. А. Соколов, Изв. РАН. Сер. физ. 87, 1120 (2023), https://doi.org/10.3103/S1062873823702982 4. F. N. Novoskoltsev, R. Yu. Sinyukov, and A. A. Sokolov, Phys. At. Nucl. 87, 614 (2024), https://doi.org/10.1134/S1063778824700613 5. V. N. Goryachev, F. N. Novoskoltsev, R. Yu. Sinyukov, and A. A. Sokolov, Phys. At. Nucl. 87, 801 (2024).

Публикации

1. Горячев В.Н., Кирсанов М.М., Новоскольцев Ф.Н., Синюков Р.Ю., Соколов А.А. SENSITIVITY OF THE CP-VIOLATION PHASE MEASUREMENT IN THE LEPTON SECTOR IN THE P2O EXPERIMENT Physics of Atomic Nuclei (год публикации - 2024)

2. Новоскольцев Ф.Н., Синюков Р.Ю., Соколов А.А. Optical Scheme of the Neutrino Channel with Magnetic Horns and Dipoles at the U–70 Accelerator Complex Physics of Atomic Nuclei (год публикации - 2024)

3. Новоскольцев Ф.Н., Синюков Р.Ю., Соколов А.А. Investigation of the Neutrino Channel at the U-70 Accelerator Complex with Parent Particle Beam Deflection Physics of Atomic Nuclei, 87, 5, 614–619 (год публикации - 2024)
10.1134/S1063778824700613

4. Горячев В.Н., Новоскольцев Ф.Н., Синюков Р.Ю., Соколов А.А. Modeling of the Neutrino Tagging System for the Near Detector in the P2O Experiment Physics of Atomic Nuclei, 87, 6, 799–809 (год публикации - 2024)
10.1134/S1063778824700765