Работа выполнена в Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН.
Официальные оппоненты: член-корреспондент РАН,
доктор физико-математических наук, профессор В.А. Кузьмин, Институт ядерных исследований РАН, г. Москва.
доктор физико-математических наук, профессор A.A. Комар,
Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, г. Москва.
доктор физико-математических наук, профессор А.И. Малахов,
Объединённый институт ядерных исследований, г. Дубна.
Ведущая организация: Государственный научный центр Российской Федерации Институт физики высоких энергий, г. Протвино.
Защита состоится « 20 » ноября 2006 года в часов на заседании
диссертационного совета № Д 002.023.02 при Физическом институте им. П.Н. Лебедева РАН по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский проспект, 53.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физического института им. П.Н. Лебедева РАН.
Автореферат разослан «10» октября 2006 г.
Ученый секретарь диссертационного совета,
доктор физико-математических наук Я.Н. Истомин
2
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.................................................................6
Глава 1. ЗАДАЧИ НЕЙТРИННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
НА СОВРЕМЕННЫХ УСКОРИТЕЛЯХ................................... 20
1.1. Нейтринные реакции нейтрального и заряженного тока.......... 21
1.2. Конечные адронные состояния................................. 26
1.3. Образование странных и очарованных частиц................... 28
1.4. Поиск нейтринных осцилляций................................. 29
Глава 2. СПЕКТРОМЕТР СКИФ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ
НЕЙТРИНО-ЯДЕРНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ.............................. 33
2.1. Структура и возможности спектрометра СКИФ................... 33
2.2. Методика поиска нейтринных взаимодействий в эксперименте.... 42
2.3. Локализация вершины нейтринного взаимодействия в мишени..... 44
2 3.1. Оптическая система стримерной камеры........................ 44
2.3.2. Реконструкция параметров заряженных частиц в стримерной камере 45
2.3.3. Целеуказание на вершину нейтринного взаимодействия в мишени. 47
2.3.4. Учет сноса стримеров электрическим полем.................... 49
2.3.5. Преобразование координат.................................... 50
2.4. Поиск предсказанной вершины в фотоэмульснонной мишени....... 51
Глава 3. ИЗУЧЕНИЕ КОНЕЧНЫХ АДРОННЫХ СОСТОЯНИЙ В НЕЙТРИНО-
ЯДЕРНЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯХ ПРИ ЭНЕРГИЯХ 3-30 ГэВ..................54
3.1. Инклюзивные спектры и дифференциальные сечения................ 54
3.2. Средние множественности заряженных адронов.................... 64
Глава 4. ОБРАЗОВАНИЕ СТРАННЫХ И ОЧАРОВАННЫХ ЧАСТИЦ В
НЕЙТРИННОМ ПУЧКЕ УСКОРИТЕЛЯ ИФВЭ..............................69
4.1. Регистрация распадов странных частиц.........................70
4.1.1. Анализ распадов нейтральных странных частиц..................70
4.1.2. Суммарный выход нейтральных странных частиц..................74
4.1.3. Сечение образования странных частиц......................... 76
4.2. Образование очарованных частиц в нейтринных взаимодействиях 77
3
Глава 5. ИССЛЕДОВАНИЕ НЕЙТРИННЫХ ОСЦИЛЛЯЦИЙ В
ЭКСПЕРИМЕНТАХ НА УСКОРИТЕЛЯХ......................................82
5.1. Формализм описания................................................ 82
5.1.1. Вакуумные осцилляции.............................................. 82
5.1.2. Осцилляции нейтрино в веществе.....................................86
5.2. Составные части экспериментов по поиску осцилляций нейтрино 88
5.2.1. Нейтринный пучок...................................................88
5.2.2. Детекторы..........................................................89
5.2.3. Моделирование нейтринных потоков и взаимодействий..................90
5.3. Методика изучения осцилляций с использованием нейтринных пучков... 92
5.3.1. Инклюзивные эксперименты: наблюдение убывания начального потока ...93
5.3.2. Эксклюзивные эксперименты: детектирование появления vc и vt в пучке vM ...98
Глава 6. АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ИССЛЕДОВАНИЯ ОСЦИЛЛЯЦИЙ НЕЙТРИНО С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПУЧКОВ ОТ УСКОРИТЕЛЯ УНК-І С ЭНЕРГИЕЙ 600 ГэВ........................................102
6.1. Дальние детекторы................................................ 103
6.1.1. Глубоководная установка для регистрации мюонов и нейтрино
на озере Байкал (нейтринный телескоп NT-200)..................... 103
6.1.2. Детектор ICARUS.................................................. 104
6.2. Ближний детектор................................................. 106
6.3. Комплекс дальних ней трино УНК-1..................................107
6.3.1. Элементы комплекса дальних нейтрино.............................. 107
6.3.2. Нейтринные пучки с широким энергетическим спектром................111
6.3.3. Нейтринные пучки с узким энергетическим спектром..................113
6.4. Возможности экспериментов Байкал и ICARUS по изучению
осцилляций от нейтринных пучков УНК-1.............................115
Глава 7. РЕГИСТРАЦИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ НЕЙТРИНО В
ОТСУТСТВИЕ СИНХРОНИЗАЦИИ ОТ УСКОРИТЕЛЯ............................118
7.1. Методика проведения экспериментов по обнаружению нейтрино
на ускорителе ИФВЭ................................................119
7.2. Измерение временного положения пучка............................ 122
7.3. Измерение интенсивности событий................................. 127
7.4. Обнаружение нейтрино методом пороговой обработки..................128
7.5. Результаты экспериментов по синхронизации ускорителя и
удаленного детектора...............................................129
4
Глава 8. ИССЛЕДОВАНИЕ vM -> vT и vM -> ve ОСЦИЛЛЯЦИЙ НЕЙТРИНО В ЭКСПЕРИМЕНТЕ MINOS С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НЕЙТРИННОГО ПУЧКА MI FNAL....................................................130
8.1. Постановка эксперимента MINOS....................................131
8.1.1. Нейтринные пучки от MI FNAL......................................131
8.1.2. Дальний и ближний калориметры MINOS.............................. 134
8.2. Оптимизация эксперимента MINOS и калибровочные измерения........ 138
8.3. Возможности эксперимента MINOS в обнаружении эффекта осцилляций.. 146
8.4. Первые результаты эксперимента MINOS.............................158
8.4.1. Исследование осцилляций атмосферных нейтрино.....................158
8.4.2. Регистрация взаимодействий нейтрино от пучка NUMI................164
Глава 9. РАЗВИТИЕ КОНЦЕПЦИИ ЭКСПЕРИМЕНТА MINOS............................166
9.1. Фотоэмульсионный детектор в эксперименте MINOS...................166
9.1.1. Структура фотоэмульсионного детектора............................166
9.1.2. Моделирование фотоэмульсионного детектора........................168
9.1.3. Исследование образцов фотоэмульсий...............................170
9.1.4. Калибровочные эксперименты с фотоэмульсионным детектором.........172
9.2. "Off-axis"- нейтринный детектор для изучения v -> ve осцилляций
в пучке NuMI (эксперимент NOv'А)................................. 179
93. Проблема повышения энергетического разрешения нейтринных
калориметрических детекторов.....................................182
9.3.1. Возможность повышения информативности нейтринных калориметрических
детекторов типа M1NOS и NOE.......................................182
9.3.2. Экспериментальное определение энергии адронов в калориметрических
детекторах с помощью нейтронного сигнала..........................186
9.3.3. Методика регистрации нейтронного сигнала.........................191
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................. 194
ЛИТЕРАТУРА...................................................................201
5
ВВЕДЕНИЕ
Нейтринные эксперименты берут начало с пионерских опытов Райнеса и Коуэна, которые на ядерном реакторе в Хенфорде в 1953 г. впервые наблюдали взаимодействие антинейтрино с веществом в реакции у,+р->п+е*[ 1]. Появление первых ускорителей дало возможность формировать релятивистские пионные и мюонные пучки и ознаменовало рождение нейтринной физики высоких энергий. Гипотеза о продольной поляризации нейтрино, связанная с несохранением четности [2, 3], была блестяще подтверждена экспериментально в реакциях п~->/л*+у;1 и
/Г ->е* +уєур [4]. Следующий важный шаг в нейтринной физике был связан с
экспериментом, идея которого, сформулированная Понтекорво [5], заключалась в сравнении числа мюонов и электронов, образованных при взаимодействии с веществом детектора пучка мюонных нейтрино от ускорителя. Такой эксперимент был осуществлен Ледерманом, Шварцом и Штейнбергером в Брукхевене. Большое преобладание мюонных событий позволило сделать вывод о том, что уе * уи и существуют два типа нейтрино
[6]. Позднее, Ледерман в своей Нобелевской лекции сказал, что: "Открытие двух типов нейтрино стало решающим ранним шагом в "сборке" современной картины мира, которую в физике элементарных частиц мы называем Стандартной Моделью" [7]. Еще одно экспериментальное подтверждение Стандартная Модель (СМ) получила в 1973 г., когда в CERN на пузырьковой камере "Гаргамель" были обнаружены безмюонные реакции УИІУИ)+М адроны, обусловленные взаимодействием нейтральных
токов [8], и открыты процессы рассеяния нейтрино на атомных электронах У^+Є~ [9], имеющие ту же природу. Из отношения сечений
взаимодействия нейтрино по каналам нейтрального (NC) и заряженного (СС) токов было определено значение угла Вайнберга - sin0- основного параметра СМ.
6
Роль нейтринных ускорительных экспериментов в становлении СМ была очень велика, но возможно, что и горизонты физики за границами СМ будут приоткрыты в новом поколении экспериментов с пучками "дальних нейтрино", нацеленных на изучение нейтринных осцилляций [10]. В рамках СМ отсутствуют фундаментальные причины для существования безмассового нейтрино. Однако в большинстве теорий Великого Объединения предсказывается отличная от нуля масса нейтрино. Смешивание массивных нейтрино должно с неизбежностью приводить к существованию нейтринных осцилляций. В экспериментах по их поиску можно достичь очень высокой чувствительности к малым значениям масс нейтрино [11]. История вопроса о формировании интенсивных ускорительных нейтринных пучков, детектируемых на больших расстояниях, восходит к работам Понтекорво [12] и Маркова [13]. Идеи создания таких пучков, которые могли бы детектироваться на больших расстояниях от ускорителя и впоследствии получивших название "пучков дальних нейтрино", нашли развитие в связи с предложением экспериментов DUMAND [14] и БАТИСС [15]. В конце 80-х годов начали появляться и другие предложения о постановке и проведении экспериментов с пучками "дальних" нейтрино от ускорителей. За последнее десятилетие широко обсуждалось более 10 проектов, в которых интенсивные нейтринные пучки от ускорителей УНК-І, FNAL, BNL, CERN и КЕК предлагалось направить на различные детекторы с большой чувствительной массой. В настоящее время только два эксперимента набирают статистику нейтринных взаимодействий - К2К в Японии от пучка ускорителя КЕК [16] и MINOS в США от пучка NuMI Тэватрона FNAL [17, 18]. На 2007 год запланированы ввод в строй нового нейтринного пучка от ускорителя SPS CERN и начало экспозиции детекторов OPERA [19] и ICARUS [20]. В более отдаленной перспективе рассматривается создание гигантских детекторов NOvA [21], размещаемого на выходе пучка NuMI на поверхность Земли (после дальнего детектора MINOS) и Hyper-Kamiokande, который должен регистрировать нейтрино от пучка нового ускорителя JHF [22].
7
Общая характеристика работы
Нейтринные эксперименты на ускорителях позволяют решать широкий круг вопросов современной физики - от определения параметров Стандартной Модели и проверки квантовой хромодинамики до изучения лептонной универсальности и нейтринных осцилляций.
Первая часть диссертации посвящена исследованию конечных адронных состояний (инклюзивных спектров и средних множественностей), включая образование странных и очарованных частиц в нейтринном пучке Серпуховского ускорителя с энергией £, =3-30 ГэВ. Исследования выполнены по данным эксперимента Е-128 на спектрометре СКИФ (Стримерная Камера И Фотоэмульсия), проведенного с участием автора в период 1986 - 1993 гг. Для интерпретации экспериментальных результатов изучения процессов нейтрино-ядерных взаимодействий при малых значениях квадрата переданного импульса Q2»1 ГэВ2 в диссертации используется кварк-партонная модель (КПМ) и ее различные модификации. Полученные результаты по определению сечений взаимодействия, включая парциальные сечения образования странных и очарованных адронов, хорошо согласуются с расчетами в рамках КПМ, что свидетельствует о ее применимости при значениях Q2 «1 ГэВ2.
Вторая часть диссертации посвящена проблеме изучения нейтринных осцилляций в ускорительных экспериментах. Рассматриваются эксперименты нового поколения, использующие интенсивные нейтринные пучки и два детектора, расположенные на большом (~ 1000 км) расстоянии друг от друга. Детально проработаны физические и технические вопросы создания нейтринного пучка от ускорителя УНК на энергию 600 ГэВ в направлении лаборатории Гран-Сассо (детектор ICARUS, пролетное расстояние нейтрино L = 2200 км) и детектора на озере Байкал (пролетное расстояние L = 4200 км). Выполнен модельный эксперимент, в котором была впервые осуществлена имитация больших пролетных расстояний в экспериментах с "дальними"
нейтрино и осуществлена временная привязка нейтринного события в удаленном детекторе к моменту вывода пучка из ускорителя. Многие идеи, связанные с постановкой экспериментов с пучками "дальних" нейтрино, предложенные, но оставшиеся нереализованными в рамках программы УНК, нашли воплощение в эксперименте MINOS с участием автора, в настоящее время набирающем статистику взаимодействий в нейтринном пучке NuMI ускорителя FNAL. Для этого эксперимента разработана и оптимизирована структура ближнего и дальнего детекторов, располагающихся на расстоянии 730 ш друг от друга. В результате расчетов и калибровочных измерений определено энергетическое разрешение калориметров MINOS. Показано, что для обеспечения уровня чувствительности к параметрам осцилляций ( А/м223 «0,003 эВ\ sin 20и*1), определяемых в эксперименте SuperKamiokande с атмосферными нейтрино, необходимо проводить экспозицию детекторов MINOS в пучке низкой энергии и использовать относительные методы регистрации СС- и NC- ум взаимодействий в ближнем и дальнем
калориметрах. Именно в таком режиме сейчас функционирует этот эксперимент. Одновременно набирается и статистика взаимодействий атмосферных нейтрино. Результаты первых наблюдений атмосферных нейтрино в детекторе MINOS (482 дневная экспозиция) на уровне достоверности 98% свидетельствуют о существовании осцилляций. В качестве направлений развития осцилляционных ускорительных экспериментов, в частности в рамках эксперимента MINOS, рассматривается использование фотоэмульсионного детектора и "off-axis"- детектора, располагающегося вне, но вблизи оси пучка NuMI, где нейтринный поток имеет меньшую интенсивность, но практически монохроматичен по энергии. Описаны новые кинематические методы анализа осцилляций уи -»vr и
v^-*ve. С целью увеличения точности восстановления энергии
взаимодействия нейтрино из пучка широкого спектра энергий от ускорителя, а также повышения эффективности разделения нейтринных событий
9
заряженного и нейтрального токов исследованы возможности метода независимой регистрации в калориметрических детекторах, наряду с ионизационным сигналом, выхода испарительных нейтронов, образующихся в результате взаимодействий нейтрино с ядрами атомов поглотителя.
Актуальность темы диссертации
Важность изучения конечных адронных состояний обусловлена, с одной стороны, неоднозначностью теоретического описания процессов глубоконеупругого лептон-нуклонного взаимодействия при малых значениях 0\ в особенности, с образованием странных и очарованных частиц в околопороговой области, где существенны вклады квазиупругих реакций. С другой стороны, экспериментальные данные в области сравнительно низких энергий нейтрино (Еу яЮ ГэВ) крайне малочисленны. Полученные в диссертации результаты дополняют банк экспериментальных данных по сечениям взаимодействия нейтрино, включая сечения образования странных и очарованных частиц при низких энергиях, и определяют пределы применимости различных феноменологических моделей, описывающих глубоконеупругие процессы.
Измерение массы нейтрино - величины, которая определяет не только свойства слабых взаимодействий, но и картину эволюции Вселенной, является одной из наиболее фундаментальных задач физики элементарных частиц и космологии. Подтверждение ненулевой массы нейтрино, возможно, могло бы прояснить структуру скрытой материи во Вселенной и природу несохранения лептонного числа. Попытки определить массу нейтрино предпринимались во многих экспериментах, однако проблема до сих пор остается нерешенной. Дальнейший прогресс в достижении уровня чувствительности к массе нейтрино на уровне ту *10"2 эВ, связан, в первую очередь, с осцилляционными экспериментами, использующими пучки "дальних" нейтрино и новое поколение детекторов с большими чувствительными объёмами. Актуальность проведения таких экспериментов определяется также тем, что в
ю
них возможно детально исследовать области значений параметров осцилляций, предсказываемых экспериментами по изучению осцилляций атмосферных нейтрино (в частности, необходимо проверить результаты группы SuperKamiokande, свидетельствующие об открытии у -» vt
осцилляций с параметрами Дт„*3«10"\ sin22023»l). В экспериментах с пучками "дальних" нейтрино увеличение чувствительности к параметрам осцилляций и, в частности, к массе нейтрино, достигается за счет большой длины пролета нейтрино (сотни километров) и возможности изменения энергии нейтринного пучка.
Цели работы
1. Комплексный анализ нейтрино-ядерных взаимодействий, зарегистрированных на спектрометре СКИФ в нейтринном пучке Серпуховского ускорителя при энергиях Еу =3-30 ГэВ, включающий в себя:
- изучение инклюзивных спектров и средних множественностей конечных адронных состояний;
- исследование процессов образования и распада странных и очарованных частиц.
2. Проведение цикла методических исследований в рамках подготовки ускорительных экспериментов по поиску нейтринных осцилляций, использующих пучки дальних нейтрино. Исследования включают в себя:
- разработку комплекса для создания пучков "дальних" нейтрино от ускорителя УНК-600 и изучение возможности формирования нейтринных пучков в направлении детектора ICARUS и Байкальского нейтринного телескопа;
- разработку способов синхронизации момента сброса протонного пучка ускорителя на мишень нейтринного канала с моментом регистрации нейтринного события удалёнными на несколько тысяч километров детекторами;
її
- оптимизацию структуры калориметров MINOS, регистрирующих взаимодействия от нейтринного пучка NuMI ускорителя FNAL;
- разработку, оптимизацию, создание и калибровку в тестовых пучках ускорителей ИФВЭ модулей фотоэмульсионного детектора, позволяющего наблюдать взаимодействия нейтрино всех ароматов;
- решение вопросов, связанных с повышением энергетического разрешения и уровня достоверности при регистрации событий заряженного и нейтрального токов в калориметрических нейтринных детекторах;
- изучение допустимых для измерений в ускорительных экспериментах областей параметров осцилляций при разных методах детектирования.
3. Создание и калибровка базовых элементов ближнего и дальнего калориметров MINOS, участие в нейтринных сеансах ускорителя FNAL, а также в обработке статистики взаимодействий ускорительных и атмосферных нейтрино с целью определения параметров осцилляций.
Научная новизна работы
1. Дополнен мировой банк данных измерения сечений процессов нейтрино-ядерных взаимодействий в области энергий Ev =3-30 ГоВ, включая сечения образования странных и очарованных частиц, а также сечения процессов дифракционной диссоциации. Получены новые данные о структурных функциях нуклона и характеристиках конечных адронных состояний нейтрино-ядерных реакций.
2. Развито направление исследования нейтринных осцилляций в ускорительных экспериментах с использованием пучков "дальних" нейтрино. Проработаны возможности проведения экспериментов нового поколения, использующих пучки "дальних" нейтрино от ускорителей УНК-I и FNAL, и детекторы с большими чувствительными массами (ICARUS, Байкальский нейтринный телескоп, калориметры и фотоэмульсионный детектор эксперимента MINOS, "off-axis" эксперимент N0^ А).
12
3. В эксперименте MINOS получены новые данные, свидетельствующие о существовании осцилляций атмосферных и "дальних" нейтрино.
4. На базе спектрометра СКИФ и нейтринного пучка Серпуховского ускорителя У-70 впервые поставлен модельный эксперимент, имитирующий большие пролетные расстояния нейтрино, в котором использована бескабельная синхронизации системы вывода протонного пучка ускорителя и удаленного детектора.
5. Получены новые данные о развитии электронно-фотонных ливней в фотоэмульсионной мишени, прослоенной свинцовым поглотителем, необходимые для выделения реакций v€ + N-*e+X в экспериментах по поиску нейтринных осцилляций OPERA и MINOS.
6. Предложены новые кинематические методы выделения в калориметрических детекторах реакций vr + N-+т + Х из фона обычных СС-взаимодействий v^ + N-tp+X при энергиях, соответствующих энергиям
пучков "дальних" нейтрино ускорителей CERN и FNAL.
7. Предложен новый метод повышения энергетического разрешения в калориметрических детекторах, использующих поглотители с большими атомными весами. Применительно к нейтринным экспериментам, этот метод, основанный на регистрации наряду с ионизационным сигналом выхода испарительных нейтронов, позволяет, с одной стороны, точнее восстанавливать первичную энергию нейтрино, а с другой - эффективно разделять нейтринные события заряженного и нейтрального токов.
Практическая ценность работы
1. Проведена систематическая проверка предсказаний кварк-партонной модели и ее различных модификаций, касающихся глубоконеупругих процессов множественного образования адронов в нейтринных взаимодействиях при малых значениях Q2. Полученные экспериментальные результаты подтверждают универсальность характеристик конечных
13
адронных состояний, что является следствием единого струйного механизма рождения адронов в процессах с большими виртуальностями.
2. Полученные значения сечений образования странных и очарованных частиц в нейтринных взаимодействиях восполняют недостаток экспериментальных данных в области порога их рождения.
3. Проведенные исследования в рамках подготовки экспериментов по поиску нейтринных осцилляций (возможность формирования нейтринных пучков от ускорителя У НК-I в направлении лаборатории Гран-Сассо и озера Байкал; проработка детекторной части этих экспериментов, а также структуры калориметров MINOS; совершенствование методики разделения электромагнитных ливней и адронных каскадов) показали, что с использованием пучков "дальних" нейтрино и нового поколения детекторов с большими чувствительными объёмами можно определить массу нейтрино вплоть до значений /я, -10~2эВ.
4. Результаты эксперимента по синхронизации источника нейтрино (ускоритель У-70) и систем детекторов спектрометра СКИФ при имитации больших пролетных расстояний, показали необходимость использования в осцилляционных экспериментах с пучками "дальних" нейтрино временной привязки нейтринного взаимодействия к моменту вывода пучка из ускорителя. Такая или аналогичная временная привязка необходима для корректного разделения полезных и фоновых событий.
5. Первые результаты эксперимента MINOS подтвердили существование осцилляций атмосферных и "дальних" нейтрино с параметрами, соответствующими измерениям экспериментов SuperKamiokande и К2К.
6. Проведенные калибровки элементов фотоэмульсионного детектора, разработанного для исследований появления vT и veB пучке и изучения
осцилляций vu~>vt^v^ показали возможность использования
секционированного свинцово-эмульсионного детектора с полезной массой доходящей до 1000 /я, из которой масса фотоэмульсии составляет 100 т, что не имеет аналогов в экспериментальной физике;
14
7. Калибровки детектора нового типа - ионизационно-нейтронного калориметра в адронных и электронных пучках ускорителя У-70 показали, что наряду с ионизационным сигналом, использование информации о числе испарительных нейтронов существенно улучшает энергетическое разрешение калориметрических детекторов при регистрации ливней от нейтринных событий, а также позволяет осуществить эффективное разделение событий нейтрального и заряженного токов. При этом регистрация нейтронного сигнала в крупномасштабных нейтринных калориметрах может быть осуществлена простыми электронными средствами, без существенного удорожания стоимости детекторов.
Научные публикации
По материалам, представленным в диссертации, опубликовано 58 научных работ в виде обзоров в журналах Успехи Физических Наук [11] и Физика Элементарных Частиц и Атомного Ядра [10], статей в журналах: Physics Review D [18], Журнал Экспериментальной и Теоретической Физики [105, 115, 122], Журнал Технической Физики [167]; Письма в Журнал Технической Физики [189, 202, 203], Ядерная Физика [108, 161], Доклады Академии Наук [199], Приборы и Техника Эксперимента [87, 91, 93, 95, 166, 190]; Nuclear Tracks and Radiation Measurements [90], IEEE Trans. Nucl. Sei. [177], Краткие сообщения no физике ФИ АН [104, 114, 154, 205]; в виде препринтов ФИАН [85, 86, 96, 103], ИФВЭ [156, 158, 160], ИТЭФ [94] , FNAL - NuMI [17, 21, 172, 173, 174, 175, 176, 194], CERN - INFN [195, 196, 197, 198], ICRR University of Tokyo [204], а также в материалах конференций [88, 157, 159, 178, 179, 180, 181, 182, 183, 184, 185]. Получено авторское свидетельство на изобретение [92]. Полный перечень работ автора диссертации составляет 92 печатных издания.
15
Апробация работы
Основные результаты диссертации представлялись и докладывались автором на Международных конференциях по трековым детекторам в Одессе (1989 и 1991 гг.) [88, 90]; на Международных симпозиумах по осцилляциям дальних нейтрино в FNAL, Батавия, США (1999, 2002) [176, 177]; на Международном рабочем совещании УНК-600 в Протвино (1994) [157, 159]; на научных семинарах ФИАН, ИФВЭ, ИЯИ РАН, а также рабочих совещаниях коллабораций Е-128 (СКИФ), Р-875 (MINOS), Р- 929 (N0^ А) и ICARUS & NOE.
Вклад автора
Содержание диссертации отражает основные исследования, проведенные в рамках коллабораций СКИФ и MINOS, в которых степень участия автора была одной из определяющих.
Автор принимал участие на всех этапах эксперимента на спектрометре СКИФ: в создании аппаратурного комплекса, наладке и калибровке трековых детекторов, проведении облучения в нейтринном пучке Серпуховского ускорителя. Автор координировал работу экспериментальных групп на стадии обработки экспериментальных данных. Окончательный анализ данных о сечениях образования странных и очарованных частиц в нейтрино-ядерных взаимодействиях при энергиях £,=3-30 ГэВ, а также поведении средних множественностей и инклюзивных спектров адронов, был выполнен непосредственно автором.
Цикл методических исследований, связанных с проведением экспериментов по поиску нейтринных осцилляций в пучках "дальних" нейтрино от ускорителя УНК-1, был выполнен при определяющем участии автора диссертации. Эти исследования нашли воплощение в виде ряда предложенных автором идей, которые были реализованы коллаборацией M1NOS при подготовке и проведении эксперимента. В части детекторной
16
техники, эти идеи связаны с уменьшением гранулярности калориметров, необходимостью создания антисовпадательной вето-системы на дальнем детекторе и необходимостью увеличением объема и числа каналов регистрации ближнего детектора. В эксперименте MINOS реализована система временной привязки момента вывода пучка из ускорителя с моментом регистрации нейтринного события в дальнем детекторе. Аналогичная система была впервые создана и успешно испытана автором на базе ускорителя ИФВЭ задолго до эксперимента MINOS. В части эффективности поиска нейтринных осцилляций предложения автора были реализованы в виде создания нейтринного пучка низких энергий, не предусмотренного в первоначальном проекте. При анализе данных эксперимента в настоящее время используется ряд разработанных автором новых кинематических методов анализа, увеличивающих эффективность выделения взаимодействий ve и vr в пучке vfl.
Автор был среди инициаторов дальнейшей модернизации эксперимента MINOS. Два предложения - о создании фотоэмульсионного детектора, нацеленного на изучение взаимодействий иг и "off-axis"- эксперимента NCh'A, ориентированного на регистрацию появления и., были разработаны при определяющем участии автора. Оптимизация структуры и калибровка модулей фотоэмульсионного детектора в тестовых пучках ускорителя ИФВЭ были выполнены непосредственно автором. Идеи постановки фотоэмульсионного эксперимента в настоящее время реализуются в эксперименте OPERA. Новый "off-axis"- эксперимент NOi'A в настоящее время активно развивается. Автор диссертации является ответственным физиком-экспериментатором от ФИАН за проведение экспериментов MINOS и NO^A , а также членом Международного координационного совета NuMI FNAL (International Board-Panel MINOS & NO и A Collaboration).
При проведении нейтринных экспериментов по поиску нейтринных осцилляций точность восстановления энергии события играет определяющую роль. Поэтому разработка новых методов увеличения энергетического
17
разрешения нейтринных калориметров становится крайне важной, особенно при создании детекторов очень большой массы. Одним из таких методов является дополнительная регистрация выхода испарительных нейтронов (наряду с измерением амплитуды ионизационного отклика). Эта методика успешно проверена автором в калибровочных измерениях, проведенных в пучках электронов и адронов ускорителя ИФВЭ.
Основные результаты, представленные к защите
1. Обработка банка данных, полученного в эксперименте на спектрометре СКИФ, проводившемся в течение 8 лет (1986 - 1993 гг.) в нейтринном пучке Серпуховского ускорителя.
2. Изучение инклюзивных спектров и средних множественностей конечных адронных состояний, а также сечений процессов нейтрино-ядерных взаимодействий при энергиях Ev =3-30 ГэВ.
3. Исследование образования и распада странных и очарованных частиц в нейтринных реакциях при энергиях Ev =3-30 ГэВ.
4. Разработка элементов комплекса "дальних" нейтрино ускорителя УНК-I на энергию 600 ГэВ и методики формирования пучков дальних нейтрино в направлении детектора ICARUS (Гран-Сассо, Италия) и Байкальского нейтринного телескопа.
5. Решение задачи бескабельной синхронизации момента сброса пучка ускорителя с моментом его регистрации удаленным детектором нейтринных взаимодействий, что необходимо для надежного выделения редких полезных событий на фоне космического излучения и естественной радиоактивности.
6. Оптимизация структуры калориметров эксперимента MINOS, использующего пучки дальних нейтрино от ускорителя FNAL: моделирование характеристик электромагнитных ливней и адронных каскадов, определение энергетического разрешения, точности восстановления энергии нейтрино. Использование новых кинематических методов анализа
18
мод осцилляций, определение областей параметров осцилляций, ожидаемых в эксперименте MINOS при различных методах регистрации.
7. Сборка, тестирование и калибровка ближнего и дальнего детекторов в эксперименте MINOS; определение параметров осцилляций атмосферных нейтрино на основе обработки статистики взаимодействий, набранной за время 418- дневной экспозиции дальнего детектора M1NOS; анализ первых данных регистрации взаимодействий нейтрино от пучка NuMI ускорителя FNAL.
8. Разработка, оптимизация, создание и калибровка в тестовых пучках адронов и электронов ускорителя ИФВЭ модулей фотоэмульсионного детектора, предназначенного для прямого обнаружения нейтринных осцилляций по каналам уи -> ve и у/{ -> \\.
9. Исследование возможностей увеличения чувствительности нейтринных экспериментов к определению параметров осцилляций: использование моноэнергетических нейтринных "off-axis" пучков и повышение энергетического разрешения нейтринных калориметров за счет дополнительной регистрации нейтронного сигнала.
Объем и структу ра диссертации
Диссертация состоит из Введения, девяти глав основного текста и Заключения. Она содержит 210 страниц, в том числе 80 рисунков, 14 таблиц, библиографический список из 205 наименований.
19
- Київ+380960830922