Физики определили чувствительность черенковских детекторов к осцилляциям атмосферных нейтрино

Американские физики провели компьютерное моделирование и глобальный анализ смоделированных данных для действующих и планируемых крупных черенковских нейтринных детекторов. Они показали, что за ближайшее десятилетие при помощи этих установок станет возможно определить параметры осцилляций атмосферных нейтрино с высокой точностью. Результаты расчетов опубликованы в журнале Physical Review X.

Нейтрино превосходят по количеству электроны, протоны и нейтроны во Вселенной. Физики пристально изучают нейтрино, потому что эти частицы участвуют во многих физических процессах, но при этом крайне слабо взаимодействуют с веществом. Нейтрино, образовавшееся в центре Солнца, может пролететь толщу свинца длиной в световой год и ни разу не провзаимодействовать. Эти частицы крайне сложно изучать, поэтому физики строят огромные детекторы, использующие сотни тонн воды или льда в качестве регистрирующего вещества. С помощью этих детекторов ученые изучают в том числе нейтринные осцилляции — способность нейтрино превращаться из одного типа в другой. За открытие этого свойства в 2015 году физики Такааки Кадзита и Артур МакДональд были удостоены Нобелевской премии. Более подробно о нейтринных осцилляциях мы писали в материале «Н значит нейтрино».

Группа физиков под руководством Карлоса Аргуэльес-Дельгадо (Carlos Argüelles-Delgado) из Гарвардского университета определила чувствительность крупных нейтринных черенковских детекторов к осцилляциям атмосферных нейтрино. Для этого они разработали компьютерную симуляцию атмосферных нейтрино для детекторов Super-Kamiokande, обновленного IceCube, ORCA и Hyper-Kamiokande и проанализировали существующие данные о систематических ошибках для каждого эксперимента. Ученые показали, что при анализе объединенных данных этих экспериментов в ближайшие десять лет могут быть определены последние неизвестные параметры теории нейтринных осцилляций с точностью до нескольких процентов.

Помимо определения параметров нейтринных осцилляций в атмосферном секторе, объединенные данные этих экспериментов позволят определить иерархию масс нейтрино, а также дать независимые ограничения на величину фазы CP-нарушения. Физики отмечают, что результаты их анализа консервативны — они включают только стандартные методы анализа данных и опираются на нынешние данные о точности и систематических ошибках детекторов. Применение технологий машинного обучения поможет улучшить результаты.

Помимо черенковских детекторов физики используют и другие технологии для изучения осцилляций нейтрино на больших расстояниях. Один из наиболее перспективных экспериментов в этом направлении — многотонный жидкоаргоновый детектор DUNE, прототип которого недавно зарегистрировал первые частицы.