Гипер-Камиоканде

Обзор эксперимента Гипер-Камиоканде

Гипер-Камиоканде (также называемый Гипер-К или НК ) — нейтринная обсерватория и эксперимент, строящийся в Хиде , Гифу и в Токае , Ибараки в Японии . Его проводят Токийский университет и Исследовательская организация по ускорителям высоких энергий (KEK) в сотрудничестве с институтами из более чем 20 стран на шести континентах. Являясь преемником Супер-Камиоканде (также Супер-К или СК) и экспериментов Т2К , он предназначен для поиска распада протона и обнаружения нейтрино из природных источников, таких как Земля , атмосфера, Солнце и космос, а также по изучению нейтринных осцилляций пучка искусственного нейтринного ускорителя . Начало сбора данных запланировано на 2027 год.

Экспериментальный комплекс «Гипер-Камиоканде» будет расположен в двух местах:

• Пучок нейтрино будет производиться в ускорительном комплексе J-PARC (  36,445 ° N 140,606 ° E  / 36,445; 140.606 ) и изучен комплексом ближнего и промежуточного детекторов, расположенным в Токай деревне префектуры Ибараки на восточном побережье Японии.
• Главный детектор, также называемый Гипер-Камиоканде (ГК), строится под вершиной горы Нидзюго в городе Хида , префектура Гифу , в Японских Альпах ( 36 ° 21'20,105 "N 137 ° 18'49,137" E ). Детектор НК будет использоваться для поиска распадов протонов, исследования нейтрино естественных источников и послужит дальним детектором для измерения колебаний пучка нейтрино ускорителя на расстоянии, соответствующем первому максимуму колебаний.

Программа по физике

Ускорительные и атмосферные нейтринные осцилляции

Осцилляции нейтрино — это квантовомеханическое явление, при котором нейтрино меняют свой аромат (аромат нейтрино утверждает:
н
_и ,
н
_м ,
н
_τ ) при движении, вызванное тем, что ароматные состояния нейтрино представляют собой смесь массовых состояний нейтрино (массовые состояния ν ₁ , ν ₂ , ν ₃ с массами m ₁ , m ₂ , m ₃ соответственно). Вероятности колебаний зависят от шести теоретических параметров:

• три угла смешивания (θ ₁₂ , θ ₂₃ и θ ₁₃ ), управляющие смешиванием между массовым и вкусовым состояниями,
• две разности квадратов масс (∆m ² ₂₁ и ∆м ² ₃₂ , где ∆m ² _ij = м ² _я ​ ² _к )
• одна фаза (δ _CP ), ответственная за асимметрию вещества-антивещества (нарушение CP-симметрии) в нейтринных осцилляциях,

и два параметра, выбранные для конкретного эксперимента:

• энергия нейтрино
• базовая линия – расстояние, пройденное нейтрино, на котором измеряются колебания.

Продолжая исследования, проведенные в рамках эксперимента T2K , дальний детектор HK будет измерять энергетические спектры электронных и мюонных нейтрино в пучке (полученном в J-PARC как почти чистый пучок мюонных нейтрино) и сравнивать его с ожидаемым в случае отсутствия осцилляций. , который первоначально рассчитывается на основе моделей потока и взаимодействия нейтрино и уточняется за счет измерений, выполненных ближним и промежуточным детекторами. Для пиковой энергии нейтринного пучка HK/T2K (600 МэВ) и расстояния детектора J-PARC – HK/SK (295 км) это соответствует первому максимуму колебаний, для колебаний, вызванных ∆m ² ₃₂ . Пучок нейтрино J-PARC будет работать отдельно как в режимах с усилением нейтрино, так и в режиме антинейтрино, а это означает, что измерения нейтрино в каждом режиме луча предоставят информацию о вероятности выживания мюонного (анти)нейтрино P
_{н
м →
н
мкм} , П
_{н
м →
н
μ} , и вероятность появления электронного (анти)нейтрино P
_{н
м →
н
е} , П
_{н
м →
н
e} , где P _{ν α} → P _{ν β} — вероятность того, что нейтрино, изначально имеющее аромат α, позже будет наблюдаться как имеющее аромат β.

Способность Hyper-K исключать сохранение CP в зависимости от истинного значения δ _CP.

Сравнение вероятностей появления нейтрино и антинейтрино (P
_{н
м →
н
е} против P
_{н
м →
н
д} ) позволяет измерить фазу δ _CP . δ _CP находится в диапазоне от -π до +π (от -180° до +180° ), а 0 и ±π соответствуют сохранению CP-симметрии. Ожидается, что после 10 лет сбора данных HK подтвердит с уровнем достоверности 5σ или выше, если симметрия CP нарушена в нейтринных осцилляциях для 57% возможных значений δ _CP . CP-нарушение — одно из условий, необходимых для создания избытка материи над антиматерией в ранней Вселенной, которая сейчас образует нашу Вселенную, построенную из материи. Ускорительные нейтрино будут использоваться также для повышения точности других параметров колебаний |∆m. ² ₃₂ |, θ ₂₃ и θ ₁₃ , а также для исследования взаимодействия нейтрино.

Чтобы определить массовое упорядочение нейтрино (является ли собственное состояние массы ν ₃ легче или тяжелее, чем ν ₁ и ν ₂ ), или, что то же самое, неизвестный знак ∆m ² ₃₂ , в веществе должны наблюдаться нейтринные осцилляции. Для нейтрино пучка HK (295 км, 600 МэВ) эффект материи невелик. Помимо пучковых нейтрино, эксперимент HK изучает атмосферные нейтрино , создаваемые космическими лучами, сталкивающимися с атмосферой Земли, производящими нейтрино и другие побочные продукты. Эти нейтрино производятся во всех точках земного шара, а это означает, что HK имеет доступ к нейтрино, которые прошли через материю широкий диапазон расстояний (от нескольких сотен метров до диаметра Земли ). Эти образцы нейтрино можно использовать для определения массового упорядочения нейтрино.

В конечном итоге комбинированный анализ пучковых нейтрино и атмосферных нейтрино обеспечит наибольшую чувствительность к параметрам колебаний δ _CP , |∆m ² ₃₂ |, знак ∆m ² ₃₂ , θ ₂₃ и θ ₁₃ .

Нейтринная астрономия и геонейтрино

Взрывы сверхновых с коллапсом ядра производят огромное количество нейтрино . Для сверхновой в галактике Андромеды в дальнем детекторе HK ожидается от 10 до 16 нейтринных событий. Для галактической сверхновой на расстоянии 10 кпк ожидается от 50 000 до 94 000 нейтринных взаимодействий в течение нескольких десятков секунд. Для Бетельгейзе на расстоянии 0,2 кпк эта скорость могла достигать 10 ⁸ взаимодействий в секунду, и такая высокая частота событий была учтена при разработке системы электроники детектора и сбора данных (DAQ), а это означает, что никакие данные не будут потеряны. Временные профили количества зарегистрированных в Гонконге событий и их средней энергии позволят протестировать модели взрыва. Информация о направлении нейтрино в дальнем детекторе HK может обеспечить раннее предупреждение о наблюдении электромагнитной сверхновой и может использоваться в других наблюдениях с несколькими посланниками .

Нейтрино, кумулятивно производимые взрывами сверхновых на протяжении всей истории Вселенной, называются реликтовыми нейтрино сверхновых (SRN) или диффузным фоном нейтрино сверхновых (DSNB), и они несут информацию об истории звездообразования. Из-за низкого потока (несколько десятков/см ² /сек.), они пока не обнаружены. Ожидается, что за десять лет сбора данных HK обнаружит около 40 событий SRN в диапазоне энергий 16–30 МэВ.

Для солнечной
н
_Итак , цели эксперимента HK:

• Поиск асимметрии дня и ночи в потоке нейтрино, возникающей из-за разных расстояний, пройденных в материи (в течение ночи нейтрино дополнительно пересекают Землю перед тем, как попасть в детектор) и, следовательно, из-за разных вероятностей колебаний, вызванных эффектом материи .
• Измерение
  н
  _{Вероятность выживания нейтрино} с энергией от 2 до 7 МэВ – т.е. между областями, где преобладают колебания в вакууме и колебания в веществе соответственно – что чувствительно к новым физическим моделям, таким как стерильные нейтрино или нестандартные взаимодействия.
• Первое наблюдение нейтрино из канала hep : ${^{3}}{\text{He}}+{\text{p}}\to {^{4}}{\text{He}}+{\text{e}}^{+}+\operatorname {\nu } _{\text{e}}$ предсказано стандартной солнечной моделью .
• Сравнение потока нейтрино с солнечной активностью (например, 11-летним солнечным циклом ).

Геонейтрино образуются при распаде радионуклидов внутри Земли. Исследования геонейтрино в Гипер-Камиоканде помогут оценить химический состав ядра Земли , связанный с генерацией геомагнитного поля .

Протонный распад

Распад ( свободного протона на более легкие субатомные частицы никогда не наблюдался, но он предсказывается некоторыми теориями Великого объединения GUT) и является результатом нарушения барионного числа (B). Нарушение B — одно из условий, необходимых для преобладания материи объяснения над антиматерией во Вселенной . Основными каналами, изученными HK, являются
п ⁺
→
и ⁺
+
п ⁰
которому отдают предпочтение многие модели GUT и
п ⁺
→
н
+
К ⁺
предсказано теориями, включая суперсимметрию .

Ожидается, что после десяти лет сбора данных (в случае, если распада не будет наблюдаться) HK увеличит нижний предел среднего времени жизни протона с 1,6x10. ³⁴ до 6,3х10 ³⁴ лет для его наиболее чувствительного канала распада (
п ⁺
→
и ⁺
+
п ⁰
) и от 0,7х10 ³⁴ до 2,0x10 ³⁴ лет для
п ⁺
→
н
+
К ⁺
канал.

Темная Материя

Темная материя — это гипотетическая несветящаяся форма материи, предложенная для объяснения многочисленных астрономических наблюдений, предполагающих существование дополнительной невидимой массы в галактиках. Если частицы темной материи взаимодействуют слабо , они могут производить нейтрино посредством аннигиляции или распада. Эти нейтрино можно было бы увидеть в детекторе HK как избыток нейтрино со стороны больших гравитационных потенциалов, таких как центр галактики , Солнце или Земля , над изотропным фоном атмосферных нейтрино .

Описание эксперимента

Эксперимент «Гипер-Камиоканде» состоит из пучка нейтрино ускорителя , набора ближних детекторов, промежуточного детектора и дальнего детектора (также называемого «Гипер-Камиоканде»).Сам дальний детектор будет использоваться для поиска распадов протонов и изучения нейтрино природных источников. Все перечисленные элементы будут служить для исследования нейтринных осцилляций ускорителя . Перед запуском эксперимента HK эксперимент T2K завершит сбор данных, и HK возьмет на себя линию пучка нейтрино и набор ближних детекторов, а промежуточный и дальний детекторы придется построить заново.

Поток мюонных нейтрино на детекторе IWCD для различных внеосевых углов

Поток электронных нейтрино на детекторе IWCD для различных внеосевых углов

Линия нейтрино

Основная статья: Эксперимент T2K § Пучок нейтрино

Основная статья: Эксперимент T2K § Обновление луча

Рядом с детекторами

Основная статья: Эксперимент T2K § Ближние детекторы

Основная статья: Эксперимент T2K § Обновление ND280

Промежуточный черенковский детектор воды

Промежуточный водный черенковский детектор (IWCD) будет расположен на расстоянии около 750 метров (2460 футов) от места производства нейтрино. Это будет цилиндр, наполненный водой диаметром 10 метров (33 фута) и высотой 50 метров (160 футов) с конструкцией высотой 10 метров (33 фута), оснащенной примерно 400 модулями мульти-ФЭУ (мФЭУ), каждый из которых состоит из девятнадцати (ФЭУ) диаметром 8 см (3,1 дюйма), Фотоумножительные трубки заключенные в водонепроницаемый сосуд. Структура будет перемещаться в вертикальном направлении с помощью крановой системы, обеспечивающей измерения нейтринных взаимодействий под различными внеосевыми углами (углами к центру нейтринного пучка), в диапазоне от 1° внизу до 4° вверху, и, таким образом, для разных энергетических спектров нейтрино. Комбинируя результаты, полученные под разными внеосевыми углами, можно получить результаты для почти моноэнергетического спектра нейтрино, не полагаясь на теоретические модели взаимодействий нейтрино для восстановления энергии нейтрино. Использование детектора того же типа, что и дальний детектор, с почти одинаковым приемом угла и импульса, позволяет сравнивать результаты этих двух детекторов, не полагаясь на моделирование отклика детектора. Эти два факта, независимость от моделей взаимодействия нейтрино и отклика детектора, позволят ХК минимизировать систематическую ошибку при анализе колебаний. Дополнительными преимуществами такой конструкции детектора является возможность поиска стерильных картин колебаний для различных внеосевых углов и получения более чистой выборки электронных нейтринных взаимодействий, доля которых больше при больших внеосевых углах.

Дальний детектор Гипер-Камиоканде

Схема дальнего детектора Гипер-Камиоканде, водного черенковского детектора.

Детектор Гипер-Камиоканде будет построен на высоте 650 метров (2130 футов) под вершиной горы Ниджуго на шахте Точибора, в 8 км (5,0 миль) к югу от детектора Супер-Камиоканде (СК). Оба детектора будут находиться под одинаковым внеосевым углом (2,5°) к центру пучка нейтрино и на одинаковом расстоянии (295 километров (183 мили)) от места производства пучка в J-PARC .

Макет с ФЭУ R12860 диаметром 50 см для дальнего детектора Hyper-Kamiokande Внутреннего детектора

Прототип mPMT для дальнего детектора Гипер-Камиоканде Внутренний детектор

Схема mPMT для внутреннего детектора дальнего детектора Гипер-Камиоканде

3-дюймовая пластина ФЭУ (фотоумножитель) и WLS (волокно со сдвигом длины волны) для дальнего детектора Гипер-Камиоканде Внешний детектор

HK будет водным черенковским детектором, в 5 раз большим (258 ктонн воды), чем детектор SK. Это будет цилиндрический резервуар диаметром 68 метров (223 фута) и высотой 71 метр (233 фута). Объем резервуара будет разделен на внутренний детектор (ID) и внешний детектор (OD) неактивной цилиндрической конструкцией шириной 60 см, внешний край которой будет расположен на расстоянии 1 метра от вертикальных и 2 метров от горизонтальных стенок резервуара. Структура будет оптически отделять внутренний диаметр от наружного диаметра и содержать фотоумножительные трубки (ФЭУ), обращенные как внутрь внутреннего диаметра, так и наружу к наружному диаметру. В ID будет не менее 20 000 фотоумножительных трубок (ФЭУ) диаметром 50 сантиметров (20 дюймов) типа R12860 производства Hamamatsu Photonics и примерно 800 модулей мульти-ФЭУ (mPMT). Каждый модуль mPMT состоит из девятнадцати фотоумножителей диаметром 8 см (3,1 дюйма), заключенных в водонепроницаемый сосуд. OD будет оснащен как минимум 3600 ФЭУ диаметром 8 см (3,1 дюйма) в сочетании с ФЭУ размером 0,6x30x30 см. ³ пластины со сдвигом длины волны (WLS) (пластины будут собирать падающие фотоны и транспортировать их к связанным ФЭУ) и будут служить вето отличать взаимодействия, происходящие внутри детектора, от частиц, входящих снаружи детектора (в основном мюонов космических лучей ).

Пучок нейтрино J-PARC из Японии в Корею

Строительство детектора HK началось в 2020 году, а начало сбора данных ожидается в 2027 году. Также были проведены исследования технико-экономических и физических преимуществ строительства второго идентичного водочеренковского резервуара в Южной Корее примерно в 1100 км от J-PARC, который будет введен в эксплуатацию через 6 лет после первого резервуара.

История и расписание

График строительства детектора Гипер-Камиоканде

История больших водных черенковских детекторов в Японии и связанных с ними экспериментов по осцилляциям нейтрино с длинной базой, за исключением HK:

• 1983-1996: Камиоканде (Kamioka Nucleon Decay Experiment), основной целью которого были распада протона поиски ( Нобелевская премия по физике 2002 года Масатоши Кошибе ) — предшественник Супер-Камиоканде
• 1996 – настоящее время: эксперимент Супер-Камиоканде - предшественник эксперимента Гипер-Камиоканде, изучающий нейтрино из природных источников и поиск распада протона (Нобелевская премия по физике 2015 года Такааки Кадзита ).
• 1999–2004: эксперимент К2К – предшественник эксперимента Т2К.
• 2010 – настоящее время: эксперимент T2K - предшественник эксперимента Гипер-Камиоканде по изучению нейтринных осцилляций ускорителя.

История эксперимента Гипер-Камиоканде:

• Сентябрь 1999 г.: представлены первые идеи нового эксперимента.
• 2000: Впервые использовано название «Гипер-Камиоканде».
• Сентябрь 2011 г.: подача письма о намерениях
• Январь 2015 г.: Меморандум о взаимопонимании по сотрудничеству в проекте Гипер-Камиоканде подписан двумя принимающими организациями: ICRR и KEK . Формирование прото-сотрудничества Гипер-Камиоканде
• Май 2018 г.: Отчет о проекте Гипер-Камиоканде
• Сентябрь 2018 г.: Начальное финансирование от MEXT выделено в 2019 г.
• Февраль 2020 г.: проект официально одобрен парламентом Японии.
• Июнь 2020 г.: Формирование коллаборации Гипер-Камиоканде.
• Май 2021 г.: Начало раскопок тоннеля доступа к детектору в Гонконге.
• 2021: Начало фотоумножителей . серийного производства
• Февраль 2022 г.: Завершение строительства подъездного тоннеля.
• Октябрь 2023 г.: Завершение строительства купола главной пещеры детектора HK.
• 2027: Ожидаемое начало сбора данных

См. также

• Супер-Камиоканде
• Т2К-эксперимент
• Глубокий подземный эксперимент с нейтрино

Библиография

• Нормил, Д. (2015). «Физика элементарных частиц. Японские нейтринные физики мыслят по-настоящему масштабно» . Наука . 347 (6222): 598. doi : 10.1126/science.347.6222.598 . ПМИД   25657225 .

Внешние ссылки

• Сайт Гипер-Камиоканде