T2K (" Tokai a Kamioka ") es un experimento de física de partículas que estudia las oscilaciones de los neutrinos del acelerador . El experimento se lleva a cabo en Japón gracias a la cooperación internacional de unos 500 físicos e ingenieros con más de 60 instituciones de investigación de varios países de Europa , Asia y América del Norte [1] y es un experimento CERN reconocido (RE13). [2] [3] T2K recopiló datos dentro de su primera fase de operación desde 2010 hasta 2021. La segunda fase de toma de datos ( T2K-II) se espera que comience en 2023 y dure hasta el comienzo del sucesor de T2K: el experimento Hyper-Kamiokande en 2027. [4] : 12, 20
T2K fue el primer experimento que observó la aparición de neutrinos electrónicos en un haz de neutrinos muónicos , [5] también proporcionó la mejor medición mundial del parámetro de oscilación θ 23 [6] y un indicio de una asimetría significativa materia-antimateria en las oscilaciones de neutrinos. [7] [8] La medición de la asimetría de la oscilación neutrino-antineutrino puede acercarnos a la explicación de la existencia de nuestro Universo dominado por la materia . [9] [10]
El intenso haz de neutrinos muónicos se produce en la instalación J-PARC (Complejo de Investigación del Acelerador de Protones de Japón) en Tokai, en la costa este de Japón. El rayo se dirige hacia el detector lejano Super-Kamiokande ubicado a 295 km de distancia en la ciudad de Hida , prefectura de Gifu.. Las propiedades y la composición del flujo de neutrinos se miden primero mediante un sistema de detectores cercanos ubicados a 280 m del lugar de producción del haz en el sitio J-PARC, y luego nuevamente en el detector Super-Kamiokande. La comparación del contenido de diferentes sabores de neutrinos en estas dos ubicaciones permite medir la probabilidad de oscilaciones en el camino entre detectores cercanos y lejanos. Super-Kamiokande es capaz de detectar interacciones tanto de neutrinos de muones como de electrones, y así medir la desaparición del flujo de neutrinos de muones, así como la aparición de neutrinos de electrones en el haz. [11]
El experimento T2K se propuso en 2003 con los siguientes objetivos de medición: [11]
Desde el inicio de la toma de datos en 2010, el experimento T2K logró proporcionar una lista de resultados de clase mundial:
δ CP se puede medir comparando las oscilaciones de los neutrinos con las de los antineutrinos. Toma valores de - π a π (o de -180 ° a 180 °). La simetría CP se conservaría, por lo que las probabilidades de oscilación serían las mismas para neutrinos y antineutrinos, para δ CP igual a 0 o ± π . T2K proporcionó la primera y más fuerte restricción sobre δ CP , rechazando en el nivel de significancia de 3σ (99.7%) casi la mitad de los valores posibles, descartando los dos puntos de conservación de CP en el nivel de significancia del 95% y dando una fuerte pista de que La violación de CP puede ser grande en el sector de neutrinos. La violación de CP es una de las condicionespropuesto por el físico ruso Andrei Sakharov , necesario para producir el exceso de materia con respecto a la antimateria en el universo primitivo , que forma ahora nuestro Universo construido con materia . La violación de CP en la sección de quarks ya se confirmó en 1964 [25] , pero es demasiado pequeña para explicar el desequilibrio materia-antimateria observado. Sin embargo, la fuerte violación de CP en el sector de neutrinos podría conducir a un exceso de producción de materia a través del proceso llamado leptogénesis y, por lo tanto, dicha medición sería un paso importante para comprender cómo se formó el Universo. [8] [26] [27]
El experimento NOvA es el otro experimento de oscilación de neutrinos capaz de medir δ CP a través de la comparación entre
ν
μ→
ν
mi y
ν
μ→
ν
micanales de oscilación. NOvA se lleva a cabo en los EE. UU. Y mide la oscilación del neutrino del acelerador a una distancia de 810 km en el camino entre el lugar de producción del haz en Fermilab y el detector lejano en Ash River , Minnesota . NOvA proporcionó una medición menos precisa de δ CP , que está en ligera tensión con el resultado de T2K. El punto de mejor ajuste de T2K se encuentra en la región desfavorecida por NOvA en el nivel de confianza del 90%. Hay trabajos en curso para obtener un ajuste conjunto a los datos de ambos experimentos para cuantificar la coherencia entre ellos. [28] [29]
Se espera que las futuras actualizaciones de T2K proporcionen mediciones más precisas de Δ m2
23y θ 23 parámetros, mediciones de sección transversal que ampliarán nuestra comprensión de las interacciones de neutrinos y, por lo tanto, mejorarán los modelos teóricos utilizados en los generadores de neutrinos, así como también restringirán aún más la fase δ CP y confirmarán si la simetría CP se conserva o se viola en el neutrino. oscilación en el nivel de significancia de 3σ en el T2K-II y 5σ en el experimento Hyper-Kamiokande . [30] [31]
T2K utiliza un haz de neutrino muónico o antineutrino muónico producido en la instalación J-PARC utilizando un haz de protones acelerado gradualmente a 30 GeV por un sistema de tres aceleradores : primero a 400 MeV de energía por el acelerador lineal Linac, luego hasta 3 GeV por el RCS (Sincrotrón de ciclo rápido), y finalmente hasta 30 GeV por el sincrotrón MR (Anillo principal). Los protones chocan con un objetivo de grafito , produciendo mesones , principalmente piones y kaones , que luego son enfocados por un conjunto de tres cuernos magnéticos.y dirigido a un túnel llamado volumen de descomposición. Dependiendo de la polaridad de los cuernos, se enfocan partículas positivas o negativas. Los piones y kaones positivos decaen principalmente en
μ+
y
ν
μ, formando un haz de neutrinos muón, mientras que los piones y kaones negativos se desintegran principalmente en
μ-
y
ν
μ, formando un haz de muón antineutrino. Todos los hadrones y leptones cargados restantes son detenidos por un bloque de grafito de 75 toneladas (el llamado volcado de haz) y en el suelo, mientras que los neutrinos viajan bajo tierra hacia el detector lejano. [11]
T2K es el primer experimento en el que se realizó el concepto de haz de neutrinos fuera del eje . El haz de neutrinos en J-PARC está diseñado para que se pueda dirigir de 2 a 3 grados lejos del detector lejano Super-Kamiokande y uno de los detectores cercanos, ND280. La energía promedio de los neutrinos disminuye con la desviación del eje del haz. El ángulo fuera del eje se eligió en 2,5 ° para maximizar la probabilidad de oscilación a una distancia correspondiente al detector lejano, que para 295 km es el máximo para neutrinos de alrededor de 600 MeV. En este rango de energía de neutrinos, el tipo dominante de interacciones de neutrinos son la corriente cargadainteracciones cuasielásticas, para las cuales es posible reconstruir la energía del neutrino que interactúa solo sobre la base del impulso y la dirección del leptón cargado producido. Las energías de neutrinos más altas son suprimidas por la configuración fuera del eje, disminuyendo el número de interacciones con la producción de mesones, que son antecedentes en el análisis de oscilación en el experimento T2K. [11] [32]
El complejo de detectores cercanos [11] se encuentra a una distancia de 280 metros del objetivo de grafito. Su propósito es medir el flujo de neutrinos antes de las oscilaciones y estudiar las interacciones de los neutrinos. El sistema consta de tres detectores principales:
A excepción de las cámaras de proyección de tiempo en ND280, todo el material activo (que permite el seguimiento de partículas) de los detectores cercanos es un centelleador de plástico . La luz producida al atravesar partículas en los planos y barras de centelleo de plástico es recogida por fibras que cambian de longitud de onda y detectada por contadores de fotones Hamamatsu Multi-pixel ubicados en uno o ambos extremos de las fibras. Las barras de centelleo están organizadas en capas, donde las barras de dos capas vecinas son perpendiculares entre sí, proporcionando juntas información 3D sobre las partículas que atraviesan. [11]
El objetivo principal del detector INGRID es el seguimiento diario de la dirección y la intensidad del haz mediante la detección directa de interacciones de neutrinos. El detector INGRID consta de 16 módulos idénticos dispuestos en forma de cruz, 7 en brazo vertical y 7 en horizontal, más 2 módulos en el exterior de la cruz. La altura y el ancho de los brazos son de 10 metros. Un solo módulo consta de capas alternas de hierro y un centelleador de plástico. Unas 4 capas de veto adicionales del centelleador rodean el módulo en los lados para distinguir las partículas que ingresan desde el exterior de las producidas por interacciones dentro del módulo. Veto es una parte de un detector donde no se debe registrar ninguna actividad para aceptar un evento. Tal requisito permite restringir el número de eventos de fondo en una muestra seleccionada;aquí el fondo de las partículas producidas fuera del detector. La masa total de hierro en un módulo es de 7,1 toneladas y constituye el 96% del peso del módulo. En el eje del haz de neutrinos, en el medio de la cruz entre el brazo vertical y el horizontal, hay un módulo adicional construido solo a partir de capas del centelleador de plástico (módulo de protones) con una masa de 0,55 toneladas. Su propósito es registrar interacciones cuasielásticas y comparar los resultados obtenidos con las simulaciones.Su propósito es registrar interacciones cuasielásticas y comparar los resultados obtenidos con las simulaciones.Su propósito es registrar interacciones cuasielásticas y comparar los resultados obtenidos con las simulaciones.[11]
El detector ND280 se utiliza para medir el flujo, el espectro de energía y la contaminación del haz de neutrinos de electrones para el mismo ángulo fuera del eje que para el detector lejano. ND280 también investiga varios tipos de interacciones entre neutrinos y antineutrinos de muones y electrones. Todo esto permite estimar el número esperado y el tipo de interacciones en el detector lejano, reduciendo el error sistemático en el análisis de oscilaciones de neutrinos asociado a modelos de interacciones y flujo de neutrinos. [11]
ND280 está compuesto por el conjunto de subdetectores internos: detector Pi-Zero y un rastreador con 2 detectores de grano fino intercalados con 3 cámaras de proyección de tiempo, colocados dentro de un marco metálico llamado canasta. La canasta está rodeada por el calorímetro electromagnético y un imán reciclado del experimento UA1 que produce un campo horizontal uniforme de 0,2 T y está equipado con planos de centelleo que constituyen el detector de rango de muones laterales. [11]
El Pi-Zero (
π0
) El detector (P0D) contiene 40 planos de módulo de centelleo de plástico, que en la parte central están intercalados con bolsas de 2,8 cm de espesor rellenables con agua y láminas gruesas de latón, y en dos regiones periféricas los módulos de centelleo están intercalados con láminas de plomo. Comparando la cantidad de interacción entre modos con y sin agua en las bolsas, es posible extraer la cantidad de interacciones de neutrinos que ocurren en el agua, el material objetivo dentro del detector lejano Super-Kamiokande. El tamaño de todo el volumen de P0D activo es de alrededor de 2,1 m × 2,2 m × 2,4 m (X × Y × Z) y su masa con y sin agua es de 15,8 y 12,9 toneladas, respectivamente.
El objetivo principal del detector Pi-Zero es medir la producción de piones neutrales en interacciones de neutrinos de corriente neutra en el agua:
Esta reacción puede imitar las interacciones entre electrones y neutrinos porque los fotones de
π0
La desintegración se puede reconstruir erróneamente como un electrón en el detector Super-Kamiokande, por lo que esta reacción puede imitar las interacciones de los neutrinos electrónicos y constituir un trasfondo importante en la medición de la apariencia de los neutrinos electrónicos. [11] [35]
Las cámaras de proyección de tres tiempos (TPC) son cajas rectangulares herméticas a los gases, con un plano de cátodo en el centro y módulos de lectura MicroMegas en ambos lados paralelos al cátodo. Los TPC se llenan con gas de deriva a base de argón a presión atmosférica. Las partículas cargadas que cruzan el TPC ionizan el gas a lo largo de su trayectoria. Los electrones de ionización se desplazan desde el cátodo a los lados del TPC, donde son detectados por MicroMegas, lo que proporciona una imagen en 3D de la trayectoria de la partícula cargada que atraviesa. Las coordenadas Y y Z se basan en la posición de los electrones de ionización detectados en los módulos MicroMegas, y la coordenada X se basa en el tiempo de deriva de los electrones. En el campo magnético, la curvatura de este camino permite determinarcarga y momento de la partícula, y la cantidad de electrones de ionización por unidad de distancia se utiliza para identificar partículas según la fórmula de Bethe-Bloch . [11] [36]
Se colocan dos detectores de grano fino (FGD) después del primer y segundo TPC. Juntos, los FGD y los TPC forman el rastreador de ND280. Los FGD proporcionan la masa objetivo activa para las interacciones de neutrinos y son capaces de medir las pistas cortas de retroceso de protones. El primer FGD está compuesto únicamente por capas de centelleo, mientras que el segundo FGD está compuesto por capas alternas de centelleador y agua. El segundo FGD está parcialmente compuesto de agua porque el detector en Super-Kamiokande es a base de agua. Las secciones transversales del carbono y del agua se pueden determinar a partir de una comparación de las interacciones de los neutrinos en los dos FGD. [11] [37]
El calorímetro electromagnético (ECAL) rodea los detectores internos (P0D, TPC, FGD) y consta de capas de centelleo intercaladas con láminas absorbentes de plomo. Su función es detectar partículas neutras, especialmente fotones, y medir su energía y dirección, así como detectar partículas cargadas proporcionando información adicional relevante para su identificación. [11] [38]
El detector de rango de muones laterales (SMRD) consta de módulos de centelleo que se insertan en los huecos del imán. El SMRD registra los muones que escapan de las partes internas del detector en ángulos grandes con respecto a la dirección del haz. Los tipos restantes de partículas (excepto los neutrinos) se detienen en su mayoría en el calorímetro. SMRD también puede actuar como un disparador de rayos cósmicos . Finalmente, puede ayudar a identificar las interacciones del haz en las paredes circundantes y en el propio imán. [11] [39]
WAGASCI-Baby MIND es un nuevo detector ubicado junto a los detectores INGRID y ND280, dedicado a estudios de interacción de neutrinos . Proporcionó los primeros datos del haz de neutrinos utilizando una configuración de detector completa durante la carrera de invierno 2019/2020. [33] [34]
El WAGASCI-Baby MIND consta de varios subdetectores:
Gracias a dicha estructura, se obtuvo una alta relación de masa de agua a centelleador (80% H 2 O + 20% CH) y la aceptación es alta y aproximadamente constante en todas las direcciones. [33] [34]
Todo el material activo de los detectores está compuesto por un centelleador de plástico y se lee como se explica en la sección Lectura de señales . [33] [34]
El principal objetivo del detector WAGASCI-Baby MIND es la reducción del error sistemático en el análisis de oscilación T2K , que se logrará gracias a su complementariedad con respecto al detector ND280:
El detector Super-Kamiokande está ubicado a 1000 m bajo tierra en la mina Mozumi, debajo del monte Ikeno en el área de Kamioka de la ciudad de Hida. Se trata de un tanque cilíndrico de acero inoxidable de unos 40 m de altura y diámetro, lleno de 50.000 toneladas de agua y equipado con alrededor de 13.000 tubos fotomultiplicadores (PMT). Detecta un cono de luz Cherenkov emitido por partículas cargadas que se mueven en el agua más rápido que la luz en este medio. Su objetivo es medir los muones y electrones producidos en interacciones cuasielásticas de corriente cargadas (CCQE) de
ν
μ y
ν
mi, respectivamente. Debido a su masa relativamente grande, los muones generalmente no cambian su dirección y, por lo tanto, producen un cono bien definido de luz de Cherenkov observado por los PMT como un anillo claro y nítido. Por el contrario, los electrones, debido a su masa más pequeña, son más susceptibles a la dispersión y casi siempre producen lluvias electromagnéticas , observadas por los PMT como un anillo con bordes difusos. La energía de los neutrinos se calcula en función de la dirección y la energía de un leptón cargado producido en la interacción CCQE. De este modo,
ν
μ y
ν
miSe determinan los espectros, lo que lleva a la medición de los parámetros de oscilación relevantes para la desaparición de neutrinos muónicos y la aparición de neutrinos electrónicos. [11] [40]
T2K es un sucesor del experimento KEK to Kamioka ( K2K ), que se desarrolló entre 1999 y 2004. En el experimento K2K , se produjo un rayo acelerador de neutrinos muónicos en las instalaciones de KEK en Tsukuba ( Japón ) y se envió al detector Super-Kamiokande . , ubicado a 250 km. Los resultados del experimento K2K confirmaron en el nivel de confianza del 99,9985% (4,3 σ ) la desaparición de los neutrinos muónicos y fueron consistentes con las mediciones anteriores de los parámetros de oscilación medidos por el detector Super-Kamiokande para neutrinos atmosféricos . [41][42]
La construcción de la línea de luz de neutrinos comenzó en 2004 y se puso en marcha con éxito en 2009. La construcción de todo el detector INGRID y la mayor parte del detector ND280 (sin la parte cilíndrica del calorímetro electromagnético) se completó en 2009. La parte faltante del calorímetro fue instalado en el otoño de 2010. El detector lejano T2K es el gran detector Super-Kamiokande, que ha estado funcionando desde 1996 y estudia la vida útil de los protones y las oscilaciones de los neutrinos atmosféricos , solares y aceleradores . [11]
El experimento T2K comenzó a tomar datos de neutrinos para un análisis físico en enero de 2010, inicialmente con un detector ND280 incompleto y a partir de noviembre de 2010 con la configuración completa. La toma de datos fue interrumpida durante un año por el Gran Terremoto de Tohoku en marzo de 2011. La potencia del haz de protones, y por lo tanto la intensidad del haz de neutrinos, crecía constantemente, alcanzando en febrero de 2020 la potencia de 515 kW y un número total de protones acumulados en objetivo de 3,64 × 10 21 protones [43] con el 55% de los datos en modo neutrino y el 45% en modo antineutrino.
El experimento T2K operó en la forma actual hasta 2020. En 2021 se tomó la primera ejecución de datos con Gadollinium cargado en el detector lejano Super-Kamiokande. [4] : 12 En 2021-2022 se llevará a cabo una importante actualización de la línea de luz de neutrinos y del detector cercano ND280. Desde 2023 hasta 2026, los datos de neutrinos se tomarán dentro de la segunda fase del experimento T2K (T2K-II). [44] [30] En 2027, se lanzará el sucesor del experimento T2K, el experimento Hyper-Kamiokande (HK), con el nuevo detector de lejanía Cherenkov de 250.000 toneladas de agua : el detector Hyper-Kamiokande . [4] : 20 [45] [46]La construcción de un detector Cherenkov de agua intermedia adicional a una distancia de unos 2 km también se considera para el experimento de HK. [46]
Se espera que la fase II del experimento T2K comience a principios de 2023 y dure hasta 2026, seguido del comienzo del experimento de HK. Los objetivos físicos de T2K-II son una medición de los parámetros de oscilación θ 23 y Δ m2
23con una precisión de 1,7 ° y 1%, respectivamente, así como una confirmación al nivel de 3 σ o más de la asimetría materia-antimateria en el sector neutrino en un amplio rango de posibles valores verdaderos de δ CP - el parámetro responsable para la asimetría CP (materia-antimateria). El logro de estos objetivos requiere la reducción de los errores estadísticos y sistemáticos y, por lo tanto, una actualización significativa de la línea de luz y el detector ND280, así como mejoras en el software y los métodos de análisis. [30]
El plan de actualización del haz requiere el apagado durante un año del acelerador de anillo principal J-PARC en 2021, seguido de un aumento gradual constante de la potencia del haz de protones hasta el inicio del experimento de HK. La potencia del haz debería alcanzar los 750 kW en 2022 y luego crecer a 1,3 MW en 2029. [47]
En febrero de 2020, la potencia del haz de protones alcanzó los 515 kW con 2,7x10 14 protones por pulso y con 2,48 segundos entre pulsos (el llamado ciclo de repetición). Para llegar a 750 kW, el ciclo de repetición se reducirá a 1,32 s con 2,0x10 14 protones por pulso, mientras que para 1,3 MW el ciclo de repetición debe reducirse aún más a 1,16 sy el número de protones por pulso tiene que aumentar a 3,2x10 14 . Además de aumentar la potencia del haz de protones primario, la corriente en los cuernos enfoca partículas secundarias ( piones , kaones , etc.) con una carga eléctrica elegidatambién se incrementará de 250 kA a 320 kA. Esto aumentará la cantidad de neutrinos de signo correcto (neutrinos en el haz del modo neutrino y antineutrinos en el haz del modo antineutrino) en un 10% y reducirá la cantidad de neutrinos de signo incorrecto (antineutrinos en el haz de neutrinos). haz de modo y neutrinos en el haz de modo anti-neutrino) en alrededor del 5-10%. [47] [48]
La reducción del ciclo de repetición requerirá una serie de actualizaciones de hardware, incluida una actualización importante de las fuentes de alimentación del anillo principal y una actualización menor de las fuentes de alimentación de la bocina de enfoque, todas las cuales se instalarán durante el apagado prolongado en 2021. Aumento de la bocina La corriente requerirá el uso de una (tercera) fuente de alimentación de bocina adicional. Mientras tanto, la mayor potencia del haz de protones exige una mejora de la capacidad de enfriamiento de los componentes secundarios de la línea de luz, como el objetivo de grafito , los cuernos magnéticos y la descarga del haz, así como la eliminación de una mayor cantidad de agua de refrigeración irradiada. [47] [48]
El diseño actual del detector ND280 está optimizado para la detección y reconstrucción de leptones que avanzan ( muones y electrones ), pero también tiene una serie de limitaciones, como la baja eficiencia de reconstrucción de partículas producidas casi perpendiculares y hacia atrás en la dirección de la neutrinos en interacción , así como un umbral de momento demasiado alto para reconstruir una gran parte de los piones producidos y los nucleones desactivados (protones y neutrones). En las interacciones Charged Current Cuasi-Elastic (CCQE), la interacción dominante en el detector cercano ND280, la cinemática del leptón producido es suficiente en la reconstrucción de la energía del neutrino entrante. Sin embargo, otros tipos de interacciones de neutrinos en las que partículas adicionales (piones , kaones , nucleones ) se perdieron, pueden estar mal reconstruidos como CCQE e introducir un sesgo en el espectro de energía de neutrinos reconstruido. Por lo tanto, es esencial optimizar el detector para que sea sensible a partículas adicionales y efectos nucleares .
Es necesario tomar tres medidas principales para abordar estos problemas:
La actualización del detector ND280 (actualización ND280) aborda estos requisitos al reemplazar una parte del subdetector P0D con tres tipos de nuevos subdetectores. La parte aguas abajo existente, que consta de dos detectores de centelleo de grano fino (FGD) y tres cámaras de proyección de tiempo (TPC), mantendrá su estructura intercalada y continuará detectando leptones que avanzan y hardons de alto impulso. La parte aguas arriba que ahora alberga el subdetector P0D será reemplazada por tres nuevos subdetectores: un objetivo 3D centelleante (Detector de grano súper fino o SuperFGD), dos nuevos TPC en la parte superior y debajo del SuperFGD (TPC de alto ángulo o HATPC) y seis detectores de tiempo de vuelo (TOF) que rodean la nueva estructura. Cada uno de estos subdetectores se describe brevemente a continuación. [49]La instalación de los nuevos subdetectores en ND280 se realizará en 2022. [44] [50] : 18
El SuperFGD es un detector de 2 mx 2 mx 0,5 m que consta de aproximadamente 2 millones de cubos de poliestireno centelleantes de 1 cm 3 . Los cubos están tejidos con una serie de fibras ópticas diseñadas para detectar la luz emitida por las partículas producidas durante las interacciones en el objetivo. A diferencia de los FGD actuales, el SuperFGD tiene lecturas 2D proyectivas triples que proporcionan una lectura cuasi-3D. Esta configuración de lectura aumenta la detección de pistas cortas de forma casi uniforme en todas las direcciones. Debido a su geometría y junto con el TOF y los HATPC, el SuperFGD tiene la capacidad de detectar neutrones rápidos, lo que podría ser útil en la reconstrucción de la energía antineutrino . [49]
Las cámaras de proyección de tiempo de alto ángulo (HATPC) rodearán al SuperFGD en el plano perpendicular al haz de neutrinos entrante. Su diseño es similar al de los TPC existentes, ya que ambos utilizan la tecnología de módulos MicroMegas para la reconstrucción de vías. La principal característica novedosa de los HATPC, además de su alto ángulo de cobertura, es el uso de la tecnología resistiva MicroMegas. Este último consiste en aplicar una capa de material resistivo para aumentar las capacidades de carga compartida de los módulos MicroMegas. Esto reduce el número de canales de lectura y permite una resolución espacial que es tan buena como la de los TPC actuales. [49]
Los seis detectores de tiempo de vuelo (TOF) que rodean los HATPC y SuperFGD son una serie de capas de centelleo de plástico diseñadas para identificar el sentido de la dirección de las partículas a través de la medición del tiempo de vuelo para cada pista de cruce con una resolución de tiempo del orden de 600 ps. Se ha demostrado en el ND280 real que la capacidad para determinar el sentido de la dirección de la pista es fundamental para reducir el fondo generado fuera de los detectores internos activos. [49]
El impacto que tendrá la actualización ND280 en los análisis en T2K es doble. En primer lugar, un aumento de las estadísticas gracias al objetivo SuperFGD de 2 toneladas permitirá casi duplicar la cantidad de datos en determinadas muestras. En segundo lugar y más relevante, la nueva configuración permitirá una mejor detección de partículas de estado final adicionales: partículas de alto ángulo gracias a la mayor aceptación angular y partículas menos energéticas debido a umbrales de detección más bajos. Esta mejora en la aceptación del detector es importante para cubrir casi el mismo espacio de fase disponible en el detector lejano (SK). Además, las partículas en estado final permitirán sondear los efectos nucleares que son esenciales para limitar los efectos sistemáticos del análisis de oscilación.También es un paso importante en la transición hacia el uso de modelos semi-inclusivos o exclusivos en la física de la oscilación de neutrinos, a diferencia de los modelos inclusivos actuales que usan solo el leptón del estado final en sus predicciones.[49]
El sucesor del experimento T2K, el experimento Hyper-Kamiokande (HK), utilizará el sistema mejorado del acelerador y la línea de luz de neutrinos que se utilizan actualmente y el conjunto mejorado del detector cercano. Aparte de eso, se construirá un nuevo detector lejano, el detector Hyper-Kamiokande, y posiblemente también un nuevo detector intermedio. Parte de los trabajos de actualización relacionados con el haz y la actualización del detector ND280 se llevarán a cabo antes del inicio de la fase II del experimento T2K. Se espera que el experimento de Hong Kong comience a funcionar alrededor del año 2027. [4] : 20 [46] [51] [52]
El detector Hyper-Kamiokande será un detector Cherenkov de agua , 5 veces más grande (258 kton de agua) que el detector Super-Kamiokande . Será un cilindro de 74 metros de diámetro y 60 metros de altura con 40000 tubos fotomultiplicadores de 50 cm de diámetro y 6700 tubos fotomultiplicadores de 20 cm de diámetro. Se ubicará a 8 km al sur del detector Super-Kamiokande en la mina Tochibora, 650 metros debajo del pico de la montaña Nijuugo, en el mismo ángulo fuera del eje (2.5 °) al centro del haz de neutrinos y en la misma distancia (295 km) desde el lugar de producción de vigas en J-PARC . La construcción del detector de Hong Kong comenzó en 2020 y se espera que la recopilación de datos comience en 2027. [4] : 24 [46] [51]
El detector Cherenkov de agua intermedio (IWCD) se ubicará a una distancia de 0,7 a 2 km del lugar de producción de neutrinos. Sería un cilindro lleno de agua de 10 m de diámetro y 50 m de altura con una estructura de 10 m de altura equipada con alrededor de 3000 tubos fotomultiplicadores de 20 cm de diámetro. La estructura se moverá en dirección vertical mediante un sistema de grúa, que proporcionará mediciones de las interacciones de los neutrinos en diferentes ángulos fuera del eje, que abarcan de 1 ° a 4 ° y, por lo tanto, para diferentes espectros de energía. Combinando los resultados de diferentes ángulos fuera del eje es posible extraer los resultados para un espectro de neutrinos casi monocromático sin depender de modelos teóricos de interacciones de neutrinos para reconstruir la energía de los neutrinos.El uso del mismo tipo de detector que el detector lejano con casi la misma aceptación angular y de momento permite comparar los resultados de estos dos detectores sin depender de las simulaciones de respuesta de los detectores. Estos dos hechos, la independencia de la interacción de neutrinos y los modelos de respuesta del detector, permitirán minimizar el error sistemático en el análisis de oscilaciones. Las ventajas adicionales de un diseño de este tipo del detector es la posibilidad de buscar patrón de oscilación estéril para diferentes ángulos fuera del eje y para obtener una muestra más limpia de interacción entre electrones y neutrinos , cuya fracción es mayor para el ángulo fuera del eje mayor. [46] : 47–50 [53] [54]
Está previsto que el IWCD se finalice en 2024 y comience a tomar datos a partir de 2025, antes de lanzar el experimento de Hong Kong. [55]
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