АРГОНН, Иллинойс (1 апреля 2005 г.) - Новый физический эксперимент объединяет тысячи тонн стальных пластин, мощный ускоритель частиц и 450 миль твердой породы, чтобы раскрыть секреты частицы, которая иногда кажется едва заметной. существует.
Исследователи из Аргоннского отдела физики высоких энергий сыграли важную роль в проведении эксперимента под названием «Поиск нейтринных колебаний главного инжектора» (MINOS), запущенного в конце 1980-х годов, а затем спроектировали и построили многие компоненты детектора. Предоставив первые точные измерения некоторых из наиболее фундаментальных свойств нейтрино, физики MINOS рассчитывают пролить новый свет на роль, которую эти частицы сыграли в формировании Вселенной.
MINOS был создан в сотрудничестве с более чем 30 национальными лабораториями, университетами и научными учреждениями из шести стран. Ведущую роль играет Национальная ускорительная лаборатория Ферми (Fermilab). Строительство было завершено в начале 2005 года, и в настоящее время начинается первый пятилетний эксперимент.
Аргоннский отдел физики высоких энергий открыл «фабрики» по производству пластиковых сцинтилляционных детекторных модулей в Калифорнийском технологическом институте, Университете Миннесоты и Аргонне, построил большую часть «передовой» электроники, которая получает и записывает сигналы от « возле детектора MINOS в Фермилабе и сыграл важную роль в установке и вводе в эксплуатацию детекторов.
Нейтрино не имеют электрического заряда. Они производятся в огромных количествах в некоторых ядерных реакциях, таких как те, которые происходят в процессах синтеза, которые освещают звезды. Но нейтрино редко взаимодействуют с другой материей. Нейтрино, производимые Солнцем, могут и обычно проходят через всю Землю, не взаимодействуя ни с одним атомом.
Есть три вида нейтрино: электроны, мюоны и тау. Самое тяжелое нейтрино может весить всего одну десятимиллионную массы электрона.
И нейтрино постоянно меняются от одного типа к другому и обратно. Каждое нейтрино на самом деле представляет собой квантово-механическую смесь трех типов или ароматов. Со временем квантовые волны, сопровождающие разные ароматы, выходят из строя, и электронное нейтрино, кажется, превращается в мюонное нейтрино или тау-нейтрино и обратно. Это «колебание» является лучшим доказательством того, что частицы на самом деле имеют различные, отличные от нуля массы. Но те самые свойства, которые делают нейтрино интересными для физиков, делают их чрезвычайно трудными для изучения. Если они могут проходить через всю Землю, ни с чем не взаимодействуя, как вы их наблюдаете?
Эксперимент MINOS планирует создать много нейтрино, направить их на большой детектор и установить большое расстояние между источником и детектор, чтобы дать нейтрино возможность колебаться.
Специально построенная линия луча в Фермилабе производит пучок почти чистых мюонных нейтрино, который проходит через ближний детектор MINOS, расположенный в Фермилабе, прежде чем отправиться к «дальнему детектору», расположенному в 450 милях от Миннесоты. Большая часть пути проходит под штатом Висконсин, на глубине до 10 километров. Некоторые частицы превращаются в тау-нейтрино во время полета, а некоторые регистрируются детекторами. Данные могут привести к открытиям о механизме морфинга, более точным оценкам масс каждого типа нейтрино и многому другому. поэтому мы можем точно измерить эти параметры колебаний», - сказал Дэвид Эйрес, возглавляющий команду физиков и инженеров Аргонна, работающих над MINOS. это работа проекта Neutrinos at Main Injector (NuMI) в Fermilab. Большая часть действия происходит в новом километровом туннеле, который начинается у Главного инжектора - мощного ускорителя частиц - и уходит под землю на север.
Производство нейтрино начинается с того, что протоны набирают энергию, циркулируя вокруг главного инжектора. Пучок протонов, каждая частица которого содержит 120 миллиардов электрон-вольт энергии, извлекается из ускорителя и направляется на графитовую мишень. стандартов, и мы принимаем очень строгие меры предосторожности, чтобы сдерживать и отслеживать радиоактивный материал, который он производит как побочный продукт процесса создания нейтрино»., стопка графитовых прямоугольников длиной около трех футов, создающая поток вторичных частиц. Пучок вторичных частиц включает мезоны, семейство частиц, состоящее из кварка и антикварка. Луч фокусируется двумя магнитными «рожками», металлическими устройствами в форме трубы, приводимыми в действие импульсами электрического тока силой 200 000 ампер. Расстояние между мишенью и рогами можно менять подобно зум-объективу, чтобы пучок заряженных частиц, созданный в мишени, можно было «сфокусировать».«Эта конструкция позволяет легко изменять энергию мезонного луча и результирующего пучка нейтрино в ходе эксперимента.
Вторичные частицы попадают в трубу длиной более 2000 футов, где распадаются на триллионы. нейтрино и других частиц. Трубка распада заканчивается адронным поглотителем. Это стопка водоохлаждаемых алюминиевых и стальных блоков и бетона, которые останавливают остаточные протоны и мезоны. Позади этого лежит 240 метров нераскопанной породы, которая поглощает мюоны. Подавляющее большинство нейтрино беспечно проходят через эти незначительные препятствия.
Позади поглотителя мюонов находится большая полость на глубине 300 футов ниже поверхности, в которой находится ближний детектор MINOS, уменьшенная версия дальнего детектора MINOS. Его 980 тонн стали и сцинтиллятор служат «эталоном» для неосциллирующих нейтрино, выходящих из пучка NuMI. После прохождения через ближний детектор пучок нейтрино имеет диаметр около 6 футов и направляется на северо-северо-запад под углом 3,3 градуса в землю.450-мильное путешествие по твердой скале занимает 0,0025 секунды. Район дикой природы каноэ Boundary Waters, где на глубине полумили под землей находится заброшенный железный рудник. В настоящее время этот объект находится в ведении штата Миннесота как Государственный парк подземных шахт Судана и обеспечивает легкий доступ для физиков, которым нужна глубокая подземная лаборатория, чтобы защитить их эксперимент от дождя космического излучения на поверхности Земли. Примерно в 2450 футах ниже вершины холма в Судане для MINOS был выкопан детекторный зал длиной с футбольное поле с потолком высотой 50 футов с использованием исторической шахты и подъемного оборудования из шахты Судан. Дальняя половина камеры почти заполнена дальним детектором MINOS. Сам детектор содержит более 6 000 тонн восьмиугольных пластин толщиной в дюйм и почти 30 футов в поперечнике. Каждая плита была опущена в шахту секциями 27 на 6 футов через шахтный ствол, затем собрана под землей и испытана бригадой инженеров и техников. Между каждой пластиной находится слой узких полосок прозрачного пластикового сцинтиллятора.
Миллиарды нейтрино, созданных NuMI, проходят через дальний детектор MINOS каждый день. Из них только около 10 ударяются о атомное ядро внутри и обнаруживаются. Остальные бесследно пересекают детектор, выходят из-под земли возле Пограничных вод и продолжают свой путь в космос. нейтрино, взаимодействующее в одной из плоскостей стального детектора, производит ливень вторичных частиц. Вторичные частицы взаимодействуют с атомами сцинтилляционного пластика, вызывая слабые вспышки света. Фотоумножители преобразуют этот свет в электрические импульсы, которые отправляются в блоки электроники, интерпретирующие сигналы. Нейтрино, поступающие со стороны Фермилаб, будут выделены для дальнейшего изучения: сколько из них превратилось из мюонных в тау-нейтрино? Что их следы говорят о механизме колебаний? Нейтрино, приходящие с других направлений, могут иметь космическое происхождение и также представляют интерес для физиков.
Понимание физики нейтрино прольет свет на сверхновые, титанические взрывы, которые происходят, когда у гигантских звезд заканчивается топливо и они коллапсируют сами на себя. Эти взрывы засеивают вселенную элементами, необходимыми для создания планет и поддержания жизни. Другие ответы - и новые вопросы - могут возникнуть из данных MINOS.
«Мы находимся на новой территории. Никто никогда не проводил экспериментов с таким пучком или таким детектором, - сказал Эйрс, - так что есть шанс, что наша попытка провести точные измерения осцилляций нейтрино приведет к чему-то совершенно неожиданному и даже более важному, чем то, что мы собираемся изучать».
Будущие направления
Отдел физики высоких энергий Аргонны берет на себя ведущую роль в разработке нового, более крупного детектора, чтобы воспользоваться преимуществами пучка нейтрино NuMI. Детектор под названием NOvA будет иметь массу в пять раз больше, чем дальний детектор MINOS. Детектор, также расположенный в северной Миннесоте, будет размещен «вне оси» луча - на несколько миль в одну сторону - там, где пучок нейтрино имеет гораздо более узкое распределение энергии. Это позволит проводить чувствительный поиск электронных нейтрино, вызванных осцилляциями мюонных нейтрино из Фермилаб. В Аргонне строится прототип одной из 30 000-тонных плоскостей детектора из ПВХ и жидкого сцинтиллятора. Если будет выделено финансирование, на создание нового детектора уйдет около четырех лет. Кроме того, на чертежных досках в Аргоннском отделе физики высоких энергий находятся новые эксперименты, в которых нейтрино, образующиеся в ядерных реакторах, используются для изучения осцилляции электронных нейтрино.. Как и NOvA, этот эксперимент надеется найти последний оставшийся фрагмент головоломки осцилляций нейтрино, что может привести к будущему изучению нарушения СР-симметрии (зарядовой четности) в нейтрино.