Ускоритель нейтрино является человеком-порожденных нейтрино или антинейтрино , полученными с использованием ускорителей частиц , в которых пучок из протонов ускоряются и столкнулся с фиксированной мишенью, производя мезоны ( в основном пионы ) , которые затем распадается в нейтрино . В зависимости от энергии ускоренных протонов и от того, распадаются ли мезоны в полете или в состоянии покоя, можно генерировать нейтрино разного аромата , энергии и углового распределения. Ускорительные нейтрино используются для изучения нейтринных взаимодействий и нейтринных осцилляций.использование преимуществ высокой интенсивности нейтринных пучков, а также возможность контролировать и понимать их тип и кинематические свойства в гораздо большей степени, чем для нейтрино из других источников .
Получение пучка мюонных нейтрино
Процесс образования пучка мюонных нейтрино или мюонных антинейтрино состоит из следующих этапов: [1] [2]
- Ускорение первичного пучка протонов в ускорителе частиц .
- Столкновение пучка протонов с неподвижной мишенью. При таком столкновении образуются вторичные частицы, в основном пионы и каоны .
- Фокусировка с помощью набора магнитных рупоров вторичных частиц с выбранным зарядом : положительный для создания пучка мюонных нейтрино, отрицательный для создания пучка мюонных нейтрино.
- Распад вторичных частиц в полете в длинном (порядка сотен метров) туннеле распада. Заряженные пионы распадаются [3] более чем на 99,98% на мюон и соответствующее нейтрино в соответствии с принципом сохранения электрического заряда и лептонного числа :
π+
→
μ+
+
ν
μ ,
π-
→
μ-
+
ν
μ
Обычно предполагается наличие чистого пучка, содержащего только один тип нейтрино: либо
ν
μ или же
ν
μ. Таким образом, длина туннеля распада оптимизируется, чтобы максимизировать число распадов пионов и одновременно минимизировать число распадов мюонов [4], в которых образуются нежелательные типы нейтрино:
μ+
→
е+
+
ν
μ +
ν
е ,
μ-
→
е-
+
ν
μ +
ν
е
В большинстве распадов каонов [5] рождаются нейтрино соответствующего типа (мюонные нейтрино для положительных каонов и мюонные антинейтрино для отрицательных каонов):
K+
→
μ+
+
ν
μ ,
K-
→
μ-
+
ν
μ , (63,56% распадов),
K+
→
μ+
+
ν
μ +
π0
,
K-
→
μ-
+
ν
μ +
π0
, (3,35% распадов),
впрочем, распады на электронные (анти) нейтрино также составляют значительную долю:
K+
→
е+
+
ν
е +
π0
,
K-
→
е-
+
ν
е +
π0
, (5,07% распадов).
- Поглощение оставшихся адронов и заряженных лептонов в свалке пучка (обычно блоке графита ) и в земле. В то же время нейтрино беспрепятственно перемещаются дальше, закрывая направление своих родительских частиц.
Кинематические свойства нейтринного пучка
Нейтрино не имеют электрического заряда , поэтому их нельзя сфокусировать или ускорить с помощью электрических и магнитных полей, и, таким образом, невозможно создать параллельный одноэнергетический пучок нейтрино, как это делается для пучков заряженных частиц в ускорителях. В некоторой степени можно управлять направлением и энергией нейтрино, правильно выбирая энергию первичного пучка протонов и фокусируя вторичные пионы и каоны, потому что нейтрино берут на себя часть своей кинетической энергии и движутся в направлении, близком к родительскому. частицы.
Внеосевой луч
Метод, который позволяет еще больше сузить энергетическое распределение генерируемых нейтрино, - это использование так называемого внеосевого пучка. [6] Пучок нейтрино ускорителя представляет собой широкий пучок, не имеющий четких границ, потому что нейтрино в нем не движутся параллельно, а имеют определенное угловое распределение. Однако чем дальше от оси (центра) пучка, тем меньше 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 диапазон энергий, в котором желаемый тип взаимодействия нейтрино является доминирующим.
Первым экспериментом, в котором использовался внеосевой пучок нейтрино, был эксперимент T2K [7]
Пучки нейтрино в физических экспериментах
Ниже приведен список пучков мюонных (анти) нейтрино, которые использовались в прошлых или текущих физических экспериментах:
- ЦЕРН Нейтрино на пучок Гран-Сассо (CNGS) [8], производимый суперпротонным синхротроном в ЦЕРН, используемый в экспериментах OPERA и ICARUS .
- Ракета - носитель пучок нейтрино (БНБ) , полученный с помощью синхротрона Бустера в Fermilab используется в SciBooNE , MiniBooNE и MicroBooNE экспериментов.
- Нейтрино на пучке главного инжектора (NuMI), создаваемом синхротроном главного инжектора в Фермилабе, используемом в экспериментах MINOS , MINERνA и NOνA .
- Пучок нейтрино K2K, создаваемый протонным синхротроном на 12 ГэВ в KEK в Цукубе, используемый в эксперименте K2K .
- Пучок нейтрино T2K [7], произведенный синхротроном главного кольца в J-PARC в Токай, использовался в эксперименте T2K .
Заметки
- ^ Сотрудничество T2K (2011). «Эксперимент Т2К». Nucl.Instrum.Meth. . 659 (1): 106–135. arXiv : 1106.1238 . Bibcode : 2011NIMPA.659..106A . DOI : 10.1016 / j.nima.2011.06.067 .
- ^ КОПП, С (февраль 2007 г.). «Ускоритель нейтринных пучков». Отчеты по физике . 439 (3): 101–159. arXiv : физика / 0609129 . Bibcode : 2007PhR ... 439..101K . DOI : 10.1016 / j.physrep.2006.11.004 .
- ^ М. Танабаши; и другие. ( Группа данных по частицам ). «Обзор физики элементарных частиц: мезоны за 2019 г.» (PDF) . Phys. Ред . D98 : 1. DOI : 10.1103 / PhysRevD.98.030001 .
(2018 г.) и обновление 2019 г.
- ^ М. Танабаши; и другие. ( Группа данных по частицам ). «Обзор физики элементарных частиц: лептоны за 2019 г.» (PDF) . Phys. Ред . D98 : 2. DOI : 10.1103 / PhysRevD.98.030001 .
(2018 г.) и обновление 2019 г.
- ^ М. Танабаши; и другие. ( Группа данных по частицам ). «Обзор физики элементарных частиц: мезоны за 2019 г.» (PDF) . Phys. Ред . D98 : 24. DOI : 10.1103 / PhysRevD.98.030001 .
(2018 г.) и обновление 2019 г.
- ^ Кирк Т. Макдональд (2001). "Внеосевой нейтринный луч". arXiv : hep-ex / 0111033 . Bibcode : 2001hep.ex ... 11033M . Цитировать журнал требует
|journal=
( помощь ) - ^ а б Сотрудничество T2K (2013). «Прогноз потока нейтрино Т2К». Phys. Ред . D87 (1): 012001. arXiv : 1211.0469 . Bibcode : 2013PhRvD..87a2001A . DOI : 10.1103 / PhysRevD.87.012001 .
- ^ Джакомелли, G (1 июня 2008 г.). «Нейтринный пучок АГНКС». Журнал физики: Серия конференций . 116 (1): 012004. arXiv : Physics / 0703247 . Bibcode : 2008JPhCS.116a2004G . DOI : 10.1088 / 1742-6596 / 116/1/012004 .
дальнейшее чтение
- Доре, Убальдо; Ловерр, Пирс; Людовичи, Лучио (2 октября 2019 г.). «История ускорительных нейтринных пучков». Европейский физический журнал H . 44 (4–5): 271–305. arXiv : 1805.01373 . Bibcode : 2019EPJH ... 44..271D . DOI : 10.1140 / epjh / e2019-90032-х .
Внешние ссылки
- Ускоритель нейтрино - Фермилаб