Idén nyáron az ELTE kutatói vezették az NA61/SHINE kísérletet a CERN-ben

2024 nyarán az NA61/SHINE kísérlet (SPS Heavy Ion and Neutrino Experiment) a CERN Szuper Protonszinkrotron (SPS) gyorsítójánál folytatta a hadron-mag kölcsönhatások mérését a világ minden táján végzett neutrínó kísérletek számára. A nyári adatgyűjtési időszakban az ELTE NA61/SHINE csoport kutatói is részt vettek.

A 2024 nyári mérések célja a Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) neutrínófluxusának pontos megértése volt. A DUNE egy következő generációs kísérlet, amely jelenleg is építés alatt áll az Egyesült Államokban. Itt a tervek szerint a 120 GeV/c energiájú protonnyalábot egy grafit, prototípus céltárgyra irányítják majd, amelyet az LBNF (Long Baseline Neutrino Facility) DUNE számára terveztek. A kutatók célja a neutrínóoszcilláció alapvető természetének megértése, egy olyan jelenségé, amely során a neutrínó az egyik típusból (pl. müon neutrínó) a másikba (pl. elektron neutrínó) „oszcillál” repülés közben. Ez a rejtélyes neutrínó-tulajdonság választ adhat arra a kérdésre, hogy a világegyetem miért csak közönséges anyagból áll, és miért nincs antianyag. A nyári adatgyűjtési kampányt az ELTE két fizikusa vezette: Yoshikazu Nagai (egyetemi adjunktus) fizika koordinátorként, Pórfy Barnabás (doktorandusz) pedig adatfelvételi (Data AcQuisition) szakértőként.

Napjainkban világszerte számos különböző típusú, neutrínókkal kapcsolatos vizsgálat folyik. A fő különbség közöttük az általuk használt neutrínóforrás típusa. Ez lehet természetes forrás, mint például napneutrínók, légköri neutrínók vagy kozmikus neutrínók, de lehet használni mesterséges forrásokat is, mint reaktorneutrínók vagy gyorsítóneutrínók. A gyengén kölcsönható természetük miatt a neutrínókat nagyon nehéz detektálni, ezért a neutrínó kísérleteknél általában nagy intenzitású neutrínó forrásokat használnak. A nagy intenzitás elérésének egyik megoldása a részecskegyorsító használata (amint az az 1. ábrán látható). Természetesen egy fontos következő kérdés, amellyel a tudósoknak foglalkozniuk kell az az, hogy hány neutrínó is jött létre és abból hány repült a neutrínódetektorokba. Ehhez elengedhetetlen a hadronkeletkezésből származó hibák teljes és pontos megértése, amely magában foglalja a neutrínó “szülők” létrejöttét. A gyorsító alapú neutrínókísérleteknél azonban nem praktikus a “szülők” hadron termelésének ``in situ'' mérését elvégezni, egyszerűen azért, mert a protonnyaláb intenzitása túl nagy ahhoz, hogy bármilyen detektort elhelyezzenek a céltárgy közelében.

1. ábra: A gyorsítóneutrínó keletkezésének sematikus rajza. Egy nagy intenzitású protonnyaláb egy grafit céltárgyra esik, amely hadronokat hoz létre. Ezeket a berendezés toroidális mágneses tere fókuszálja, majd hagyja a hadronokat neutrínókká bomlani.

Ezek alapján tehát világos, hogy a gyorsító alapú neutrínókísérleteknek külső kísérletekre kell támaszkodniuk ahhoz, hogy a hadronok keletkezésével kapcsolatos hibákat pontosan tudják.

Szerencsére az SPS-ből érkező protonnyaláb alkalmas arra, hogy reprodukálják a különböző gyorsítókból, például az amerikai Fermilabból vagy a japán J-PARC-ból származó neutrínókísérletek energiáit. A hadrontermelés mérése elengedhetetlen a gyorsítós, hosszú alapvonalú neutrínó kísérletek fluxusának kiméréséhez, mint például a T2K (Tokai to Kamioka) Japánban és a DUNE (Deep Underground Neutrino Experiment) az USA-ban.  Az NA61/SHINE kísérlet 2009 óta kritikus szerepet játszik ezekben a precíziós mérésekben. Legelsőként az NA61/SHINE a 2009-2010-es adatgyüjtő kampányban vett fel adatokat a T2K kísérlet számára, ahol 31 GeV/c energiájú protonnyalábot irányítottak grafit céltárgyra. Azóta az NA61/SHINE összesen 8 cikket publikált a témában, rangos folyóiratokban!

2. ábra: Az ábra nyaláb irányból látható. Az LBNF prototípus céltárgy és a Long Target Tracker közvetlenül az NA61/SHINE kísérlet többi része előtt van elhelyezve.

2024 nyarán az NA61/SHINE 120 GeV/c energiájú, másodlagos protonnyalábot használva adatokat gyűjtött a DUNE számára. A 150 cm hosszú, LBNF prototípus céltárgy, valamint a nyári adatgyűjtési időszakra kifejlesztett, újonnan üzembe helyezett LTT (Long Target Tracker), amelyet a HUN-REN Wigner Fizikai Kutatóközpont munkatársai, Nagy Richárd, Hamar Gergő, László András és Varga Dezső fejlesztett, a céltárgy után helyezkedik el, a 2. ábrán látható. Az LTT egy időprojekciós kamra, amely a hadronmérések pontosságát javítja az előreszóró irányban.

3. ábra: Egy példa esemény 2024 nyaráról, amely az összes detektor jeleit mutatja a protonnyaláb és a grafit céltárgy ütközésekor (fent), illetve a Long Target Tracker beütéseire nagyítva (lent).

Az ELTE NA61/SHINE csoport kutatói a nyári adatgyűjtési kampány teljes 4 hetes időtartamában részt vettek. Yoshikazu Nagai töltötte be a fizika koordinátori feladatokat, és a futás teljes időtartama alatt minden fontos, a fizikával kapcsolatos döntésekkel foglalkozott. Pórfy Barnabás a DAQ-csoporttal dolgozott és dolgozik jelenleg is, mint TPC-DAQ szakértő, aki a TPC-kiolvasással kapcsolatos teendőkkel foglalkozott, legyen szó szoftverről vagy hardverről.

4. ábra: Yoshikazu Nagai (bal) és Pórfy Barnabás (jobb) az CERN-i NA61/SHINE kísérlet előtt állnak.

Fontos fejlemények a legutóbbi nagy leállás alatt (Long Shutdown 2, 2019-2022)

A DUNE neutrínófluxus hibáinak csökkentéséhez nagyon magas statisztikájú adatokra van szükség, ami legalább tízszer több proton kölcsönhatást jelent a grafiton, mint az NA61/SHINE 2009-2010-es mérései alatt. Szerencsére a CERN-ben a közelmúltban lezajlott Long Shutdown 2 szünet alatt lehetősége volt az NA61/SHINE kollaboráció számára, hogy 15-20-szorosára növelje az adatfelvételi sebességet!

Ezt a teljesítményt a kísérlet több részének korszerűsítésével érték el.

Ilyen volt például a TPC kiolvasó elektronika teljes cseréje, amely nagyban befolyásolta az adatminőséget és az adatfelvételi sebességet. Továbbá, a nem TPC detektorok kiolvasórendszereit is egy fejlett kiolvasóchipre cserélték, amely lehetővé teszi a jelek digitalizálását a korábbinál sokkal nagyobb sebességen. Ezenfelül, az adatgyűjtő szoftvert is felújították, amely most már teljesen skálázható, moduláris rendszer lett, és egy új triggerrendszer bevezetése is tovább optimalizálta a folyamatot, biztosítva a gyorsabb és tisztább adatgyűjtést. A többi detektor fejlesztésében több magyar kutató és kutatócsoport is részt vett. Minderről további információ a CERN dokumentum szerverén található.

Ez a fejlesztés összességében lehetővé tette, hogy a NA61/SHINE 2022-ben 183 millió, idén nyáron pedig 232 millió eseményt tudjon rögzíteni 4 hét adatgyűjtés alatt. A növekedés jobban látható, ha összehasonlítjuk a 2010-es 5 hetes futással, amely 10 millió eseményt eredményezett.
 

Jövőbeli tervek

A következő években az NA61/SHINE folytatni fogja működését és az adatgyűjtést a 2026-ban kezdődő harmadik nagy leállásig (Long Shutdown 3, LS3). Természetesen elindultak és már folynak tárgyalások és vizsgálatok az NA61/SHINE program kiterjesztéséről az LS3 utáni (2029-) időszakra. A lehetséges fizikai programok témájában 2022 decemberében egy workshopot is szerveztek. A workshopon Yoshikazu Nagai is előadott, és mint az NA61/SHINE kollaboráció egyik vezetője, a rövid alapvonalú neutrínókísérletekhez, mint például a MicroBooNe, szükséges mérésekhez használatos alacsony energiájú nyalábokra vonatkozó javaslatát mutatta be.

Köszönetnyilvánítás
A kutatócsoportot a Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Alap OTKA K-138136, K-138152 és FK-137812 pályázatai támogatták. Pórfy Barnabást továbbá a Kulturális és Innovációs Minisztérium DKÖP-23 kódszámú Doktoranduszi Kiválósági Ösztöndíj Programjánk a Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Alapból finanszírozott szakmai támogatta.