stringtranslate.com

Ускорительное нейтрино

Ускорительное нейтрино — это созданное человеком нейтрино или антинейтрино , полученное с помощью ускорителей частиц , в которых пучок протонов ускоряется и сталкивается с фиксированной мишенью, производя мезоны (в основном пионы ), которые затем распадаются на нейтрино . В зависимости от энергии ускоренных протонов и от того, распадаются ли мезоны в полете или в состоянии покоя, можно генерировать нейтрино различного аромата , энергии и углового распределения. Ускорительные нейтрино используются для изучения нейтринных взаимодействий и нейтринных осцилляций , используя высокую интенсивность нейтринных пучков, а также возможность контролировать и понимать их тип и кинематические свойства в гораздо большей степени, чем для нейтрино из других источников .

Производство пучков мюонных нейтрино

Процесс создания пучка мюонных нейтрино или мюонных антинейтрино состоит из следующих этапов: [1] [2]


π+
→
мкм+
+
ν
мкм,   
π−
→
мкм−
+
ν
мкм

Обычно предполагается иметь чистый пучок, содержащий только один тип нейтрино: либо
ν
мкмили
ν
мкм. Таким образом, длина туннеля распада оптимизируется так, чтобы максимизировать количество распадов пионов и одновременно минимизировать количество распадов мюонов , [4] при которых рождаются нежелательные типы нейтрино:


мкм+
→
е+
+
ν
мкм+
ν
е,   
мкм−
→
е−
+
ν
мкм+
ν
е

В большинстве распадов каонов [5] образуются нейтрино соответствующего типа (мюонные нейтрино для положительных каонов и мюонные антинейтрино для отрицательных каонов):


К+
→
мкм+
+
ν
мкм,   
К−
→
мкм−
+
ν
мкм, (63,56% распадов),

К+
→
мкм+
+
ν
мкм+
π0
,   
К−
→
мкм−
+
ν
мкм+
π0
, (3,35% распадов),

однако распадается на электронные (анти)нейтрино, также составляет значительную долю:


К+
→
е+
+
ν
е+
π0
,   
К−
→
е−
+
ν
е+
π0
, (5,07% распадов).

Кинематические свойства нейтринного пучка

Нейтрино не имеют электрического заряда , поэтому их нельзя сфокусировать или ускорить с помощью электрических и магнитных полей, а значит, невозможно создать параллельный моноэнергетический пучок нейтрино, как это делается для пучков заряженных частиц в ускорителях. В какой-то степени можно управлять направлением и энергией нейтрино, правильно подбирая энергию первичного пучка протонов и фокусируя вторичные пионы и каоны, поскольку нейтрино перенимают часть их кинетической энергии и движутся в направлении, близком к родительскому. частицы.

Внеосевой луч

Методом, позволяющим еще больше сузить энергетическое распределение образующихся нейтрино, является использование так называемого внеосевого пучка. [6] Пучок нейтрино ускорителя представляет собой широкий пучок, не имеющий четких границ, поскольку нейтрино в нем движутся не параллельно, а имеют определенное угловое распределение. Однако чем дальше от оси (центра) пучка, тем меньше число нейтрино, но меняется и распределение энергии. Энергетический спектр сужается, а его максимум смещается в сторону меньших энергий. Внеосевой угол и, следовательно, энергетический спектр нейтрино можно оптимизировать, чтобы максимизировать вероятность осцилляций нейтрино или выбрать энергетический диапазон, в котором желаемый тип взаимодействия нейтрино является доминирующим.

Первым экспериментом, в котором использовался внеосевой пучок нейтрино, был эксперимент Т2К [7]

Контролируемые и маркированные нейтринные пучки

Высокого уровня контроля нейтрино в источнике можно достичь, контролируя образование заряженных лептонов ( позитронов , мюонов ) в туннеле распада нейтринного пучка. Установки, использующие этот метод, называются контролируемыми пучками нейтрино. Если скорость лептона достаточно мала, современные детекторы частиц могут пометить время заряженного лептона, образовавшегося в туннеле распада, и связать этот лептон с нейтрино, наблюдаемым в детекторе нейтрино. Эта идея, зародившаяся в 1960-е годы, [8] была развита в рамках концепции пучка меченых нейтрино, но пока не продемонстрирована. Контролируемые пучки нейтрино производят нейтрино в узком диапазоне энергий и, следовательно, могут использовать внеосевой метод для прогнозирования энергии нейтрино путем измерения вершины взаимодействия, то есть расстояния взаимодействия нейтрино от номинальной оси пучка. Энергетическое разрешение в диапазоне 10–20% было продемонстрировано в 2021 году коллаборацией ENUBET . [9]

Пучки нейтрино в физических экспериментах

Ниже приведен список пучков мюонов (анти)нейтрино, используемых в прошлых или текущих физических экспериментах:

Примечания

  1. ^ Сотрудничество T2K (2011). «Эксперимент Т2К». Нукл. Инструмент. Методы А. 659 (1): 106–135. arXiv : 1106.1238 . Бибкод : 2011NIMPA.659..106A. дои :10.1016/j.nima.2011.06.067. S2CID  55962579.{{cite journal}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
  2. ^ КОПП, С (февраль 2007 г.). «Ускорительные нейтринные пучки». Отчеты по физике . 439 (3): 101–159. arXiv : физика/0609129 . Бибкод : 2007PhR...439..101K. doi :10.1016/j.physrep.2006.11.004. S2CID  13894304.
  3. ^ М. Танабаши; и другие. ( Группа данных частиц ). «Обзор физики элементарных частиц: мезоны за 2019 год» (PDF) . Физ. Преподобный . D98 : 1. doi : 10.1103/PhysRevD.98.030001 . (2018 г.) и обновление 2019 г.
  4. ^ М. Танабаши; и другие. ( Группа данных частиц ). «Обзор физики элементарных частиц: лептоны за 2019 год» (PDF) . Физ. Преподобный . D98 : 2. doi : 10.1103/PhysRevD.98.030001 . (2018 г.) и обновление 2019 г.
  5. ^ М. Танабаши; и другие. ( Группа данных частиц ). «Обзор физики элементарных частиц: мезоны за 2019 год» (PDF) . Физ. Преподобный . D98 : 24. doi : 10.1103/PhysRevD.98.030001 . (2018 г.) и обновление 2019 г.
  6. ^ Кирк Т. Макдональд (2001). «Внеосевой нейтринный пучок». arXiv : hep-ex/0111033 . Бибкод : 2001hep.ex...11033M. {{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )
  7. ^ ab Сотрудничество T2K (2013). «Прогнозирование потока нейтрино T2K». Физ. Преподобный . D87 (1): 012001.arXiv : 1211.0469 . Бибкод : 2013PhRvD..87a2001A. doi :10.1103/PhysRevD.87.012001. S2CID  55114627.{{cite journal}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
  8. ↑ Хэнд, Л.Н. (31 октября 1970 г.). «Исследование взаимодействий нейтрино от 40 до 90 ГэВ с использованием пучка меченых нейтрино». Корнеллский университет, Итака, штат Нью-Йорк, OSTI  4117486 . Проверено 28 ноября 2021 г. {{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )
  9. ^ Лонгин, А.; Терранова, Ф. (15 марта 2022 г.). «Улучшенные лучи NeUtrino от kaon Tagged (ENUBET)». arXiv : 2203.08319 [геп-ex].
  10. ^ Джакомелли, Дж. (1 июня 2008 г.). «Пучок нейтрино CNGS». Физический журнал: серия конференций . 116 (1): 012004. arXiv : физика/0703247 . Бибкод : 2008JPhCS.116a2004G. дои : 10.1088/1742-6596/116/1/012004. S2CID  2624092.

дальнейшее чтение

Внешние ссылки