На прошлой неделе в Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН прошло совещание участников эксперимента OPERA. В ходе встречи учёные обсудили текущее состояние проекта и предложили усовершенствованные методы обработки результатов наблюдений. Кроме того, было продемонстрировано оборудование, разработанное в ФИАНе специально для исследований такого типа.

Крупный международный эксперимент OPERA, начатый в 2008 году, направлен на изучение осцилляций нейтрино – одной из 12, согласно Стандартной модели, фундаментальных частиц-фермионов. Интенсивный пучок мюонных нейтрино (его средняя энергия составляет 17 ГэВ) рождается в Европейском центре ядерных исследований (ЦЕРН, Женева) и пролетает 732 км, попадая в итальянскую подземную лабораторию Гран-Сассо, где специальный детектор эксперимента OPERA может регистрировать появление в нём частиц другого типа – таонных нейтрино. Его работа основана на наблюдении следов (треков) частиц, повторяющих их траекторию движения, поэтому OPERA относится к так называемым трековым детекторам. Детектор OPERA массой 1,25 кт состоит из двух независимых супермодулей, включающих в себя блоки мишени и мюонные спектрометры. Основной элемент детектора – эмульсионный «кирпич», состоящий из 56 свинцовых пластин толщиной в 1 мм и 57 эмульсионных пластин. Размеры эмульсионного «кирпича» 12.8×10.2 см2, толщина 7.9 см (около 10 радиационных единиц), вес – около 8 кг. Всего таких кирпичей в двух супермодулях установки около 150 000 штук. За каждой стенкой из мишенных блоков находятся стриповые электронные детекторы, используемые для получения целеуказания на эмульсионный кирпич, в котором имело место взаимодействие. Электронные детекторы используются также для определения импульса и заряда частиц. После получения целеуказания, соответствующий кирпич извлекают из стены, «проявляют», сканируют и изучают на предмет присутствия тау-распадов. Просмотром слоёв ядерной фотоэмульсии занимаются в лабораториях Италии, Японии, Швейцарии, России, Турции.

На прошедшем в ФИАНе совещании собрались российские учёные, принимающие участие в обработке результатов наблюдений OPERA – из ФИАНа, ОИЯИ, НИИЯФ МГУ, ИЯИ, ИТЭФ. Вел совещание руководитель проекта OPERA профессор Джованни де Леллис. Он сообщил коллегам, что в этом году удаётся «собрать» в целом меньше нейтрино, чем ожидалось исходя из статистики прошлых лет. Причина этому – снижение интенсивности пучка (примерно на 20%), вызванное новыми, более жёсткими ограничениями по радиационной безопасности (due to more stringent constraints on radiation limits, although the beam losses are at the same level of last year). Сотрудники Гран Сассо настаивают на необходимости увеличить интенсивность потока частиц и направили соответствующий запрос в Женеву. В настоящее время этот вопрос рассматривается комиссией в ЦЕРНе.

Рис. 1. Знакомство руководителя эксперимента OPERA с участниками совещания(слева направо: Джованни де Леллис (Неапольская лаборатория Национального института ядерной физики Италии), Т.М. Роганова (НИИЯФ МГУ), Н.Г. Полухина (ФИАН).

Говоря о ближайших перспективах развития OPERA, де Леллис поделился планами коллаборации выпустить новую публикацию в середине октября, а к следующей – весной – приблизиться к точности 4 сигма. Профессор Джованни де Леллис: «Известно, что следующий год будет первым годом без столкновений пучков на коллайдере. Но у нас за спиной пять лет набора статистики, к тому же, мы должны продумать дальнейшее развитие методик, оборудования и прочего. Нужно найти более гибкий принцип организации работы». При этом профессор отметил, что надеется на активное участие российских коллег, «очень «продвинутых» в процессе сканирования фотоэмульсии». Одним из важных шагов в усовершенствовании методики обработки данных физики коллаборации OPERA считают увеличение количества доступных для обработки треков с большими углами падения (более 1 радиана). Это повысит эффективность детектирования мюонных треков, что позволит уменьшить фон от очарованных частиц и адронных взаимодействий.

Рис. 2. Участники совещания: Н.И.Старков (ФИАН), А.К.Манагадзе (НИИЯФ МГУ), М.С.Владимиров (ФИАН), О.И.Орурк (ОАО «СЛАВИЧ»). На заднем плане: М.М,Чернявский (ФИАН), Г.М.Гранич (ФИАН).

Профессор де Леллис с удовлетворением отметил, что сейчас к режиму полномасштабного сканирования эмульсий и получению статистики по обработанным событиям вернулась группа из университета Нагойя, которая в течение нескольких последних месяцев осуществляла перенос автоматизированных микроскопов в новую лабораторию, и в этой связи замедлила темп обработки данных. Скорейшая и полная обработка данных чрезвычайно важна, поскольку два других эксперимента, занимающихся поиском осцилляций нейтрино, сообщают о подтверждении эффекта существования осцилляций на уровне 3.8 сигма (СуперКамиоканде) и на уровне 3 сигма (Т2К, а в следующем году обещают 4 сигма). По мнению де Леллиса сейчас у коллаборации OPERA есть уникальная возможность сохранить передовую позицию, конкуренцию с другими экспериментами он назвал «мотивацией, полезной для развития проекта и нейтринной физики в целом». При этом OPERA – первый эксперимент «на появление», где поиск таонных нейтрино ведётся посредством прямой регистрации таонных нейтрино. (До OPERA все осцилляционные эксперименты исследовали «выбывание». То есть, предполагается, что должно быть зарегистрировано определенное количество нейтрино одного сорта, и если их приходит меньше, то делается заключение, что произошли осцилляции. Первым экспериментом «на появление» стал эксперимент OPERA, в детекторе которого возможна прямая регистрация появления таонного нейтрино в пучке мюонных нейтрино путем прямой регистрации короткоживущего тау-лептона (время жизни тау-лептона 2.9*10–13 с).)

Итальянскому гостю продемонстрировали Полностью Автоматизированный Измерительный КОМплекс (ПАВИКОМ), на котором впервые в России стали выполнять обработку эмульсий эксперимента OPERA, и другие лабораторные помещения, в том числе – помещение, специально оборудованное для хранения стопок фотоэмульсии со стабильно поддерживаемыми температурой, чистотой и влажностью. Скорость обработки данных на автоматизированном комплексе достигает 376 кадров в секунду (с возможностью увеличения до 500 кадров), а точность перемещения микроскопного столика составляет полмикрона при диапазоне перемещений до 80 см (оценить филигранность работы прибора можно, вспомнив среднюю толщину человеческого волоса – 50 микрон).

Рис. 3. В ФИАНовской камере хранения эмульсионных «кирпичей» (Джованни де Леллис, слева, и Артем Чуканов, ОИЯИ, справа). При неправильном хранении эмульсии информация может быть безвозвратно потеряна.

Рис. 4. На ПАВИКОМе: С.А.Горбунов, Н.Г. Полухина (демонстрирует кристаллы оливина, подготовленные для обработки на микроскопе), М.С.Владимиров, Д.де Леллис.

«ПАВИКОМ был разработан российскими физиками и инженерами и является уникальным автоматизированным микроскопом даже в мировом масштабе: в своей работе его используют сотрудники примерно десятка институтов для решения широкого круга задач. Прибор способен обрабатывать практически все существующие на сегодняшний день типы твердотельных трековых детекторов: ядерную эмульсию, рентгеновские плёнки, полимерные детекторы и др.. Измерительный комплекс задействован и в работе по поиску тяжёлых и сверхтяжёлых ядер в природе, а именно – в галактических космических лучах, которые оставили свои следы в кристаллах оливинов, извлечённых из метеоритов. Это исследовательское направление инициировал в ФИАНе академик Виталий Лазаревич Гинзбург, он назвал поиск сверхтяжёлых ядер в природе одной из важнейших проблем физики XXI века», – прокомментировала руководитель фиановской группы «ПАВИКОМ», ученый секретарь ФИАН, доктор физ.-мат.наук Наталья Полухина.