Ускорительные эксперименты длинной базы (long-baseline accelerator experiments) представляют собой фундаментальное направление современной физики элементарных частиц, направленное на изучение свойств нейтрино и их осцилляций. Под «длинной базой» понимается расстояние от точки генерации пучка нейтрино на ускорителе до детектора, находящегося на сотни или тысячи километров дальше. Такая схема позволяет исследовать эволюцию нейтринных состояний при распространении сквозь материю и в вакууме, выявлять эффекты смешивания и нарушения фундаментальных симметрий.
Ключевым преимуществом экспериментов длинной базы является возможность контролируемого формирования пучков нейтрино в лабораторных условиях, что выгодно отличает их от экспериментов с солнечными или атмосферными нейтрино, где начальные параметры задаются природой и не поддаются управлению.
Для проведения эксперимента на ускорителе создаётся интенсивный пучок протонов высокой энергии, который направляется на мишень из плотного материала (обычно графита). В результате взаимодействия рождаются вторичные частицы — в основном пионы и каоны. Эти мезоны затем фокусируются магнитными системами и направляются в туннель распада, где они преобразуются в мюоны и нейтрино.
Таким образом, получается пучок мюонных нейтрино (или антинейтрино), параметры которого — интенсивность, энергетический спектр, направление — можно варьировать, задавая условия эксперимента.
Для калибровки используется ближний детектор, расположенный на расстоянии порядка сотен метров от точки генерации. Он измеряет начальные характеристики пучка, что позволяет сравнивать их с данными дальнего детектора и выделять эффекты осцилляций.
Осцилляции нейтрино — явление, при котором частица, рожденная в определённом лептонном аромате (например, мюонном), с некоторой вероятностью преобразуется в другой аромат (электронный или тау). Вероятность перехода зависит от расстояния распространения и энергии нейтрино:
$$ P(\nu_\alpha \to \nu_\beta) \sim \sin^2(2\theta) \cdot \sin^2 \left( \frac{1.27 \, \Delta m^2 \, L}{E} \right), $$
где
Именно поэтому эксперименты длинной базы выбирают расстояния в сотни или тысячи километров: в этой области вероятность осцилляции становится максимальной и измеримой.
Если пучок нейтрино проходит через земную кору, то необходимо учитывать эффект Майорана–Вольфенштейна (MSW-эффект). Он связан с различием эффективных потенциалов для электронных и мюонных нейтрино в веществе, что приводит к изменению вероятностей осцилляций. Этот эффект особенно важен для точных измерений параметров смешивания и для проверки возможного нарушения CP-симметрии в секторе нейтрино.
В мировой практике реализовано несколько крупных экспериментов длинной базы:
Ускорительные эксперименты длинной базы позволяют решать следующие ключевые задачи:
Постановка экспериментов длинной базы связана с рядом сложностей: