Американские физики спланировали масштабный нейтринный эксперимент

Американские физики спланировали масштабный нейтринный эксперимент

Дмитрий Сафин

В американской Национальной ускорительной лаборатории им. Ферми представлен новый проект масштабного эксперимента с длинной базой LBNE (Long-Baseline Neutrino Experiment).

LBNE концептуально близок к современным экспериментам вроде MINOS или OPERA, в которых искусственно формируемый пучок нейтрино отправляется к детектору, расположенному на большом удалении. Эти проекты ориентируются на измерение параметров нейтринных осцилляций, определение иерархии масс нейтрино и исследование нарушения CP-симметрии — неинвариантности законов физики относительно операции зеркального отражения с одновременной заменой всех частиц на античастицы — в нейтринном секторе. Несоблюдение CP-симметрии, поясним, относится к так называемым условиям Сахарова, при выполнении которых возможно создание дисбаланса между веществом и антивеществом во Вселенной. Принятый в Стандартной модели уровень СР-нарушения считается слишком низким, не соответствующим наблюдаемому соотношению материи и антиматерии, что и заставляет учёных искать дополнительные «источники» нарушения.

Кроме того, участники LBNE намерены собрать данные о нейтрино естественного происхождения, испускаемых при взрывах сверхновых, и прояснить вопрос о гипотетических распадах протона, которые свидетельствовали бы о нарушении закона сохранения барионного числа. Такое нарушение тоже относится к условиям Сахарова.

На реализацию разработанной ранее исходной схемы LBNE потребовалось бы более полутора миллиардов долларов. Финансировать столь амбициозную заявку Министерство энергетики США не пожелало, и физикам пришлось придумывать менее затратные варианты. Рассмотрев все возможности удешевления первой стадии эксперимента, они выделили три разумных предложения.

Согласно первому из них, LBNE будет использовать пучки частиц, создаваемые в Лаборатории им. Ферми на давно введённой в строй установке NuMI, которая обеспечивает нейтрино и упомянутый выше проект MINOS. Детектор LBNE, снабжённый 30 000 тонн жидкого аргона и удалённый (по прямой, проходящей сквозь земную кору) на 810 км от Лаборатории, должен находиться на поверхности, на севере Миннесоты у границы с Канадой. Во втором варианте удешевлённой заявки дистанция, преодолеваемая нейтрино, уменьшается до 735 км, а масса аргона сокращается вдвое, зато детектор опускается под землю, в расположенную в той же Миннесоте шахту Soudan на глубину в ~700 м. Организовать защиту от фона под землёй гораздо проще, а его эффективное подавление, естественно, увеличит чувствительность измерений.

Третий вариант, который в итоге был признан самым интересным, предполагает уменьшение массы жидкого аргона в детекторе, вынесенном на поверхность, до 10 000 тонн. При этом LBNE получает новый пучок нейтрино, который будет проходить уже не 700–800, а 1 300 км — расстояние по прямой между Лабораторией им. Ферми и шахтой Homestake в Южной Дакоте.

Оценочная стоимость реализации этих версий LBNE составляет 684, 675 и 789 млн долларов. Третий вариант, как видим, станет ещё и самым затратным, но уйти от начальных полутора миллиардов долларов разработчикам удалось.

В Министерстве энергетики новую 789-миллионную заявку LBNE будут рассматривать в октябре. Если всё пройдёт удачно и последующие стадии согласования проект также преодолеет, то строительство можно будет начать в 2015 году. Ещё через несколько лет — в 2021-м или 2022-м — физики надеются приступить к измерениям.

Интересно, что перенос детектора с 10 000 тонн аргона под землю обойдётся «всего» в 135 млн долларов. Возможно, такую сумму выделит Европейская организация по ядерным исследованиям с годовым бюджетом в 1,2 млрд долларов, внушительная часть которого расходуется на дорогостоящие работы на Большом адронном коллайдере. Поскольку развивать собственные крупные проекты ей сложно, участие в LBNE может оказаться вполне логичным решением.

Подготовлено по материалам ScienceInsider и доклада руководящего комитета LBNE.