Precizijske študije inkluzivnega odziva jeder
Oznaka in naziv projekta
J1-4383 Precizijske študije inkluzivnega odziva jeder
J1-4383 Precision studies of inclusive response of light nuclei
Logotipi ARRS in drugih sofinancerjev
Projektna skupina
Vodja projekta: Simon Širca
Sodelujoče raziskovalne organizacije:
- Institut "Jožef Stefan"
- Univerza v Ljubljani, Fakulteta za matematiko in fiziko
- Inštitut za jedrsko fiziko Univerze v Mainzu, Nemčija
- Nac. lab. za fiz. jedra in osn. delcev (IN2P3), Clermont-Ferrand
- Oddelek za fiziko Univerze v Zagrebu, Hrvaška
- Center za nevtrinsko fiziko, Virginia Tech, ZDA
- Oddelek za fiziko delcev na U. v Tel Avivu, Izrael
- Oddelek za fiziko, Univerza v Pavii, Pavia, Italija
Sestava projektne skupine:
Osrednjo raziskovalno skupino predlaganega projekta tvorita: Simon Širca in Miha Mihovilovič
Vsebinski opis projekta
S predlaganim projektom želimo izvesti precizijske poskuse z elektroni na jedrih kisika in ogljika, ki bodo prvikrat omogočili celostno študijoelektromagnetnih lastnosti lahkih jeder in ponudili pomembne nove podatke za izboljšanje trenutno zelo pomanjkljivih modelov jedrske strukture in nukleonske dinamike, ki jih skupnost uporablja za interpretacijo signalov, zaznanih v eksperimentih z nevtrini.
Obširna prizadevanja eksperimentalnih in teoretičnih fizikov v centrih za raziskovanje nevtrinov jasno kažejo, da so precizijske meritve mas nevtrinov, njihovih mešalnih kotov ter faznega kota kršitve simetrije CP ena ključnih prioritet današnje fizike jedra in osnovnih delcev. Da bi izboljšali razumevanje lastnosti nevtrinov fizikalna skupnost pripravlja (DUNE) in tudi že izvaja (T2K) nove eksperimente za opazovanje nevtrinskih oscilacij. Ti povezujejo pospeševalnike protonov, ki delujejo kot močni viri nevtrinov, z nizom (bližnjih in oddaljenih) detektorjev, ki uporabljajo ogljik (MiniBooNE, T2K), vodo (T2K) in argon (MicroBooNE, DUNE) kot medij za detekcijo nevtrinov. V teh detektorjih nevtrine identificiramo posredno, najpogosteje z detekcijo leptonov, ki nastanejo v inkluzivnih kvazielastičnih procesih. Energijska odvisnost števila mionskih nevtrinov, ki jih opazimo v oddaljenem detektorju (to imenujemo nevtrinska oscilacija) ponuja neposreden vpogled v lastnosti nevtrinov. Osrednji izziv takšnih eksperimentov predstavlja nepoznavanje energije vpadnih nevtrinov. Te ne moremo določiti iz parametrov pospeševalnika, niti je ne moremo enolično izluščiti iz kinematskih parametrov zaznanih nabitih leptonov.
Da bi izmerjene porazdelitve mionov uspešno povezali z energijsko porazdelitvijo nevtrinov, moramo izmerjene podatke zato obravnavati v kombinaciji s simulacijo Monte-Carlo, ki vključuje sipalne preseke za vse možne sodelujoče reakcije. Žal pa so teoretični modeli, ki jih uporabljamo za opis elektromagnetne in šibke interakcije leptonov z jedri, kljub vsem prizadevanjem trenutno še vedno nepopolni in nezanesljivi. Glavni vzrok za to je pomanjkanje podatkov iz jedrskih eksperimentov z elektroni, potrebnih za testiranje teh modelov. Da bi izboljšali trenutno situacijo, smo si v naši raziskovalni skupini zadali cilj, da izvedemo nov, namenski eksperiment, ki bo ponudil celosten niz meritev inkluzivnega sipalnega preseka za reakciji 16O(e,e') in 12C(e,e') pri energiji žarka blizu 700MeV, ki sovpada z energijo oscilacijskega maksimuma v eksperimentu T2K. Eksperiment bomo organizirali in vodili slovenski raziskovalci. Ob pomoči Kolaboracije A1 ga bomo izvedli na pospeševalniku MAMI z uporabo visokoločljivih spektrometrov kolaboracije A1. Inkluzivni sipalni presek izmerjen v skrbno izbranih 400 kinematskih točkah pri različnih prenosih energije in gibalne količine v območju kvazielastičnega vrha in resonance delta, bo osvetlil vse ključne elemente interakcije med elektronom in jedrom. Takšni podatki so v skupnosti težko pričakovani in nujno potrebni, če želimo odgovoriti na ključna vprašanja v jedrski fizki (kot npr. obnašanje Coulombovega vsotnega pravila pri velikih prenosih gibalne količine) ter izpopolniti naše razumevanje strukture jedra.
Obseg predlaganega eksperimenta je skladen s časovnim okvirjem triletnega ARRS projekta in zaobsega pripravo meritev, njihovo izvedbo, analizo izmerjenih podatkov ter pisanje publikacije. V eksperimentu si bomo pomagali z izdelanimi in preverjenimi metodami dela ter uporabili le standardni eksperimentalni sestav, ki uspešno deluje že vrsto let. Pričakujemo, da bomo z novimi, natančnimi podatki pokazali na precejšnje odstopanje teoretičnih napovedi od resničnih sipalnih presekov. S tem želimo motivirati izboljšave trenutnih teoretičnih modelov, omogočiti nove teoretske študije strukture jedra, zagotoviti nepristransko interpretacijo nevtrinskih eksperimentov ter tlakovati pot k boljšemu razumevanju osnovnih lastnosti nevtrinov.
Osnovni podatki sofinanciranja so dostopni na spletni strani SICRIS.
Faze projekta in opis njihove realizacije
V poskusih bomo uporabili standardni eksperimentalni sestav kolaboracije A1. Ker je paket za analizo podatkov že pripravljen, bomo projekt lahko takoj začeli z enotedensko kalibracijsko študijo. To bomo predvidoma izvedli v prvih dveh mesecih financiranja. Prvi teden bo posvečen pripravi eksperimenta, drugi teden pa namenjen zajemanju podatkov. V tem času bomo zbrali vse podatke, ki jih potrebujemo za uspešno umeritev eksperimentalnega sestava. Po končanem eksperimentu bomo izvedli kalibracijo, ki bo trajala štiri tedne in bo vključevala študijo učinkovitosti detektorjev ter optimizacijo transportnih matrik spektrometrov, ki so ključne za pravilno rekonstrukcijo delcev na tarči.
Celoten eksperiment bomo nato izvedli v dveh delih. Prvi del bomo izvedli ob koncu prvega leta financiranja, drugega pa v začetku drugega leta financiranja. Meritve bomo napravili pri sedmih različnih energijah elektronskega žarka ter pri sedmih različnih kotih spektrometra. Za izvedbo celotnega eksperimentalnega programa potrebujemo šest tednov.
Analizo celotnega podatkovnega niza bomo osnovali na znanju (kinematski rezi, učinkovitosti detektorjev) iz prve študije in bo trajala 12-14 mesecev. Takoj ko bomo imeli na razpolago prve delne rezultate (navadno po 6 mesecih dela, ko upoštevamo že vse kinematske reze, a nimamo še narejene sistematske študije njihovega vpliva na končni rezultat), jih bomo primerjali s teoretičnimi napovedmi skupin iz INFN (C. Giusti), Sevilje (G. D. Megias) Mainza (S. Bacca). Vgradnja njihovih izračunov v našo simulacijo, primerjava simuliranih in izmerjenih presekov, ter interpretacija reultatov bo trajala predvidoma 5 do 6 mesecev.