В НИЯУ МИФИ прошла международная конференция по физике элементарных частиц и астрофизике ICPPA

Международная конференция по физике элементарных частиц и астрофизике ICPPA проходит раз в два года. В 2020 году она состоялась уже пятый раз. Конференция была посвящена девяностолетию со дня рождения российского физика Бориса Долгошеина (1930-2010).

Мероприятие прошло в онлайн-формате, запись выступлений доступна на ютуб-канале конференции: день 1, день 2, день 3, день 4, день 5. Расписание докладов по дням можно найти на странице ICPPA-2020.

Участники конференции рассказали организаторам ICPPA-2020 о своих докладах и впечатлениях о прошедшем мероприятии.

Александр Болоздыня, д.ф-м.н., руководитель Лаборатории экспериментальной ядерной физики НИЯУ МИФИ, глава коллаборации РЭД-100:

— Ваш доклад на конференции был посвящён технологии двухфазных эмиссионных детекторов. Как зародилась идея этой технологии?

— Идея зародилась в результате проведённого в МИФИ в лаборатории Б.А. Долгошеина 50 лет назад цикла исследований возможности создания управляемого трекового детектора — стримерной камеры с жидким аргоном в качестве рабочего вещества. Целью было научиться эффективно регистрировать сложные события, в составе которых есть гамма-кванты, а также слабоионизирующие частицы. Было показано, что хотя в жидком аргоне стримерный режим регистрации треков не получается, зато электронные изображения треков можно вытягивать электрическим полем в газовую фазу и там регистрировать хоть стримерным методом, хоть с помощью газового разряда или электролюминесценции.

— Как вы оцениваете перспективы использования этой технологии в науке? Возможно ли её использование где-то, кроме изучения физики низких энергий и поисков тёмной материи?

— За последние 15 лет все лучшие пределы на существование тёмной материи в форме массивных слабовзаимодействующих частиц получены с помощью эмиссионных детекторов, масса рабочего вещества которых на сегодняшний день достигла порядка 10 тонн. На следующем этапе этого направления исследований эмиссионные детекторы с ещё большей массой будут чувствительны к солнечным нейтрино, к двойному бета-распаду ядер, находящихся в естественной смеси изотопов. Нейтринная физика постепенно становится новой перспективной областью применения эмиссионных детекторов. В области низких энергий это исследование когерентного рассеяния электронных антинейтрино от ядерных реакторов, что может привести к созданию нового инструмента независимого мониторинга активной зоны реакторов с целью повышения безопасности атомной энергетики и контроля за соблюдением международных соглашений о нераспространении ядерного оружия. В области высоких энергий — исследование осцилляций на базе 1300 км, а также астрофизические наблюдения, с помощью детекторов с массой рабочего вещества до 10 тысяч тонн.

— Немного о конференции: чьи доклады вы слушали сами? Какие новые данные, изложенные в докладах, заинтересовали вас больше всего?

— Конференция затронула практически все актуальные направления исследований. Несколько докладов было посвящено теме, которая нам, разработчикам детектора РЭД-100, особенно интересна. Это исследования недавно открытого эффекта когерентного рассеяния нейтрино на тяжёлых ядрах. Здесь, конечно, нужно отметить обзорный доклад Ю.В. Ефременко (пленарный доклад четвёртого дня), а также доклад по новым оригинальным результатам на ядрах аргона, который очень хорошо сделал Александр Кумпан. Очень интересный доклад был по проекту нового электронно-ионного коллайдера в Брукхейвене (пленарный доклад первого дня).

Юрий Ефременко, к.ф-м.н, профессор университета штата Теннеси, член коллаборации COHERENT:

— Вы говорили об «использовании» УКРН (упругого когерентного рассеяния нейтрино, открытого коллаборацией COHERENT в 2017 году) для изучения нестандартных нейтринных взаимодействий (NSI). Можете рассказать подробнее о том, как именно?

— УКРН очень чувствительно к новым пока не открытым взаимодействиям. Для нейтрино мы говорим только о слабых взаимодействиях через W- и Z-бозоны. Но есть вероятность существования прямого взаимодействия нейтрино с кварками. Оказалось, что ограничения на такие взаимодействия достаточно прямые. Наша коллаборация (COHERENT), проверяя предсказания СМ для УКРН, может установить строгие пороги для такого типа взаимодействий.

— Эксперимент COHERENT состоит из нескольких детекторов — от жидкоаргонового CENNS-10 до CsI. Чем был обусловлен такой разнообразный выбор детекторов?

— Одним из основных предсказаний для УКРН была зависимость его сечения от N^2 (с учётом поправок на форм-фактор). Именно поэтому мы хотим иметь как можно больше мишеней с разным количеством нейтронов – таким образом мы имеем возможность проверить это предсказание (проверка которого будет являться проверкой Стандартной модели электрослабых взаимодействий) или найти отклонения от неё. Вдобавок такой набор детекторов даёт уникальную возможность провести прямое измерение радиуса распределения нейтронов в ядрах.

— Какие у эксперимента COHERENT планы на будущее?

— У нас довольно насыщенная программа на будущее. Мы планируем развернуть новые детекторы с мишенью из германия и натрия, откалибровать поток нейтрино (по взаимодействию нейтрино с дейтериевой мишенью). Готовится к эксплуатации жидкоаргоновый детектор большей массы (CENNS-750), который позволит значительно увеличить статистическую точность измерений.

— Немного о конференции: чьи доклады вы слушали сами? Какие новые данные, изложенные в докладах, заинтересовали вас больше всего?

— Трудно сказать, что было самым интересным. Это была довольно обширная конференция, во время которой было множество разнообразных докладов. И это здорово! Из-за разницы во времени и других моих обязательств я не смог присутствовать на всех докладах, но все, что я посетил, произвели на меня большое впечатление высокими стандартами материала.

Пол Граннис, заслуженный профессор физики университета штата Нью-Йорк в Стоуни-Брук, член РАН (доклад профессора Гранниса был во время первого дня конференции):

— Эксперименты с D0 и CDF знамениты многим, в том числе открытием топ-кварка. Но был ли поиск t-кварка главной целью этих экспериментов или это была одна из дополнительных задач?

— На самом деле, это вообще не было задачей для D0. И я полагаю, что для CDF тоже. CDF был начат примерно за четыре года до D0, и тогда предполагалось, что топ-кварк будет иметь массу примерно в три раза больше, чем b-кварк. Таким образом, ожидалось, что топ-кварк будет наблюдаться в e + e- ускорителях (PEP/PETRA/TRISTAN). Но e + e- ускорители не смогли его обнаружить до появления D0, но тогда уже UA1 и UA2 занимались его поиском в распадах W-бозона. И действительно, у UA1 вышла статья, в которой ошибочно говорилось, что он был обнаружен. Таким образом, единственное упоминание о топ-кварке в планах D0 было связано с его более массивными возбужденными состояниями. Но в итоге всё изменилось: UA2 установил свой предел на массу, который фактически исключил моду распада W -> tb, и оставил поле деятельности открытым для CDF и D0.

— Вы сказали, что некоторые параметры топ-кварка «необычные» (для Стандартной модели). Как это можно объяснить? Возможно, некоторыми теориями, выходящими за рамки Стандартной модели?

— Я не имел в виду ничего особенного. Большинство его свойств совпадает с предсказаниями СМ — спин, константы связи с W-бозоном и b-кварками, поляризация при его рождении и т. д. «Необычность» в действительности заключается в очень большой массе по сравнению со всеми другими кварками. А поскольку массы кварков (и лептонов) просто вводятся в СМ вручную, нельзя сказать, что масса сама по себе находится за пределами СМ. Можно ожидать, что с такой большой массой мы могли бы наблюдать поведение за пределами СМ – топ-антитоп-резонансы, нестандартные взаимодействия, распад лептокварков на топ-кварк и тау и т. д. Но ничего из этого пока не наблюдалось даже на LHC.

— Вы говорили о «младенчестве», «юности» и «зрелости» (что является ближайшим будущим, около 10-15 лет) топ-кварка. Что было бы «старостью» (эксперименты далекого будущего)? Как вы думаете, что это может быть?

— Что ж, физика элементарных частиц в плане наращивания энергий развивается довольно медленно, учитывая высокую стоимость новых экспериментов, поэтому «старость» — это довольно далекое будущее. И когда это время придет, я ожидаю, что в этой области будут сделаны новые открытия, которые изменят природу вопросов, которые мы должны задавать (такие как разрешение майорановской / дираковской природы нейтрино, нарушение CP в лептонном секторе, поиск источников темной материи). Поскольку многие теории новой физики предполагают особые характеристики кварков третьего поколения, вполне возможно, что исследования топ-кварка снова станут критически важными. Но в настоящее время подробности скрыты от глаз, поскольку мы не знаем, как будут решаться эти головоломки.

— Немного о конференции: чьи доклады вы слушали сами? Какие новые данные, изложенные в докладах, заинтересовали вас больше всего?

— Мне было трудно поучаствовать в полной программе, отчасти из-за разницы во времени, а также из-за того, что конференция совпадала с Snowmass (процесс в США, в котором определяется будущая научная программа в стране), и мне пришлось участвовать в сессиях Snowmass на прошлой неделе. Поэтому я смог присутствовать только на дневных пленарных заседаниях в понедельник и пятницу. И там, и там были очень качественные доклады, которые мне очень понравились. Среди всех важных докладов хотелось бы выделить доклад А. Болоздыни в понедельник об использовании явления электролюминесценции в новых детекторах.

Масаси Йокояма, профессор Токийского университета (доклад пятого дня конференции):

— Ваш доклад был о будущем эксперименте Гипер-Камиоканде. Что будет с его предшественником, Супер-Камиоканде, когда Гипер-Камиоканде начнёт свою работу?

— Первоначальный детектор Камиоканде был отключен, когда Супер-Камиоканде начал работу. Затем пещера Камиоканде была повторно использована для другого эксперимента, KamLAND, который измерял нейтрино от далеких реакторов и предоставил одно из свидетельств осцилляции нейтрино. Теперь KamLAND также используется для поиска безнейтринного двойного бета-распада в качестве эксперимента KamLAND-Zen.
Мы планируем использовать Супер-Камиоканде до тех пор, пока Гипер-Камиоканде не начнет работать, потому что мы не хотим пропустить нейтрино от вспышки сверхновой. Это действительно очень редкое событие (не наблюдалось с 1987 года). Предполагается, что как только Гипер-Камиоканде начнет работать, Супер-Камиоканде будет остановлен, но он (или пещера, в которой он расположен) могут быть каким-то образом повторно использованы для другого эксперимента. Но пока точных планов нет.

— Почему для улучшения Супер-Камиоканде был выбран гадолиний? Будет ли он использоваться в Гипер-Камиоканде?

— Гадолиний имеет большое сечение захвата нейтронов, и после захвата он испускает гамма-лучи с общей энергией около 8 МэВ. В Супер-Камиоканде даже с чистой водой мы можем обнаруживать нейтроны с помощью захвата водородом, но в этом случае испускаемое гамма-излучение имеет энергию 2 МэВ, что близко к порогу регистрации. Добавляя небольшое количество гадолиния, мы можем значительно повысить эффективность обнаружения нейтронов. Используя сигнал от нейтронов, мы можем лучше различать сигнал и фон для нескольких типов анализа. Основная причина добавления гадолиния — обнаружение «реликтовых» нейтрино от сверхновых (нейтрино от уже взорвавшихся сверхновых).

Добавление гадолиния также будет способствовать поиску распада протона (уменьшая фон атмосферных нейтрино) и измерениям осцилляций нейтрино (разделению нейтрино и антинейтрино).

В Гипер-Камиоканде мы планируем начать эксперимент с чистой водой. Тем не менее, мы разрабатываем детектор так, чтобы он был совместим с водой, содержащей гадолиний. Это требует нескольких тщательных проверок, таких как длительное тестирование на пропитку всего материала, используемого в детекторе.

— Вы сказали, что Гипер-Камиоканде может проверить некоторые предположения Теории великого объединения. Будет ли Гипер-Камиоканде исследовать предположения моделей за рамками Стандартной?

— Конечно, прежде всего, осцилляция нейтрино — это явление, выходящее за рамки Стандартной модели! При помощи Гипер-Камиоканде мы сможем лучше понять физику массы и смешивания нейтрино. Мы также сможем проверить некоторые нестандартные сценарии осцилляций нейтрино, проверив совместимость между точными измерениями (также используя результаты других экспериментов). Ещё мы сможем заняться поисками стерильных нейтрино благодаря данным с ближнего и дальнего детекторов, проверить Лоренц и CPT-инвариантность и т. д.
Также есть и другие возможные цели: например, поиск нейтральных тяжелых лептонов в ближних детекторах и косвенный поиск темной материи из астрофизических источников (галактический центр, Солнце и т.д.).

— Чьи доклады на конференции вам удалось послушать? Какие новые данные, изложенные в докладах, заинтересовали вас больше всего?

— Из-за разницы во времени и других неотложных дел в Токио, к сожалению, я смог посетить только небольшую часть конференции - часть пленарных заседаний в четверг и пятницу. Выступление профессора Джунти о легких стерильных нейтрино в четверг было очень интересным и хорошим обзором достижений и новостей в этой сфере. Кроме того, интересным был доклад Borexino CNO о наблюдении нейтрино, в котором подробно описаны экспериментальные задачи, которые требовалось решить для получения результата.

Следующая конференция ICPPA состоится в 2022 году.