De Wikipedia, la enciclopedia libre
Saltar a navegación Saltar a búsqueda

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 fue el primer experimento que observó la aparición de neutrinos electrónicos en un haz de neutrinos muónicos , [4] también proporcionó la mejor medición mundial del parámetro de oscilación θ 23 [5] y un indicio de una asimetría significativa materia-antimateria en las oscilaciones de neutrinos. [6] [7] 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 . [8] [9]

Paso del haz de neutrinos muónicos de J-PARC a Super K

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. [10]

Programa de física [ editar ]

El experimento T2K se propuso en 2003 con los siguientes objetivos de medición: [10]

  • El descubrimiento de la
    ν
    μ     →
    ν
    mi     oscilaciones y, por tanto, la confirmación de que el último ángulo de mezcla desconocido θ 13 no es cero.
  • Medición precisa de los parámetros de oscilación Δ m2
    23    y θ 23 mediante estudios de desaparición de neutrinos muónicos.
  • Búsqueda de oscilaciones de neutrinos estériles , que podrían observarse como un déficit de interacciones de neutrinos de corriente neutra .
  • Mediciones de varias secciones transversales de interacción para diferentes tipos de neutrinos y objetivos en un rango de energía de pocos GeV.

Desde el inicio de la toma de datos en 2010, el experimento T2K logró proporcionar una lista de resultados de clase mundial:

  • La confirmación de la aparición de neutrinos electrónicos en el haz de neutrinos muónicos (
    ν
    μ    →
    ν
    mi    ), que fue la primera vez que los neutrinos producidos en un sabor se observaron explícitamente en otro sabor. [4] [11]
  • La medida más precisa del parámetro θ 23 . [5]
  • La primera restricción significativa en el parámetro δ CP , responsable de la asimetría materia-antimateria en el sector de neutrinos. [7]
  • Límites en los parámetros de oscilación de un neutrino estériles basados ​​en estudios en los detectores cercanos ND280 [12] y lejanos Super-Kamiokande [13] .
  • Varias mediciones de secciones transversales de electrones [14] [15] y neutrinos y antineutrinos muónicos, incluidas las interacciones de corriente cargada (CC), [16] interacciones CC sin piones [17] [18] [19] y con un solo pión en el estado final, [20] producción coherente de piones, [21] interacciones de corriente neutra , [22] etc. en diferentes objetivos como carbono , agua y hierro . [23]

Se espera que las actualizaciones futuras de T2K proporcionen una mayor restricción en la fase δ CP al comparar las oscilaciones de los neutrinos con las de los antineutrinos, así como mediciones más precisas de Δ m2
23y θ 23 parámetros y mediciones de sección transversal que ampliarán nuestra comprensión de las interacciones de neutrinos y así mejorarán los modelos teóricos utilizados en los generadores de neutrinos. [24] [25]

Haz de neutrinos [ editar ]

Vista de pájaro de toda la instalación
Imanes superconductores en construcción en 2008 para desviar el haz de protones en la dirección de Kamioka.
Etapa final de la línea del haz de protones antes del objetivo para generar un haz de neutrinos

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. [10]

Haz fuera del eje [ editar ]

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. [10] [26]

Detectores cercanos [ editar ]

El complejo de detectores cercanos [10] 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:

  • Detector INGRID (Interactive Neutrino GRID) ubicado en el eje del haz de neutrinos,
  • Detector ND280 ubicado a 2,5 ° del eje del haz, es decir, en el mismo ángulo que el detector lejano.
  • Wagasci-BabyMIND (Detector de SCIntillador de rejilla de agua - prototipo de detector de neutrinos de hierro magnetizado) es un detector de neutrinos magnetizado ubicado en un ángulo fuera del eje de 1,5 °, construido para explorar la variación del espectro de energía con el ángulo fuera del eje y las secciones transversales en un neutrino promedio más alto. energía. [27] [28]

Lectura de señal [ editar ]

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. [10]

Detector INGRID [ editar ]

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. 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 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.[10]

Detector ND280 [ editar ]

ND280 en construcción.
Vista despiezada del detector ND280.

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. [10]

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. [10]

Detector Pi-Zero [ editar ]

Esquema detector Pi-Zero.

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:


ν
μ + N →
ν
μ + N '+
π0

Esta reacción puede imitar las interacciones de los neutrinos electrónicos 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.[10] [29]

Cámaras de proyección de tiempo [ editar ]

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 . [10] [30]

Detectores de grano fino [ editar ]

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. [10] [31]

Calorímetro electromagnético [ editar ]

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. [10] [32]

Detector de rango de muones laterales [ editar ]

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. [10] [33]

WAGASCI-Baby MIND [ editar ]

El flujo de neutrinos T2K predicho en el sitio de los detectores WAGASCI-Baby MIND (línea roja) y ND280 (línea negra).

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. [27] [28]

El WAGASCI-Baby MIND consta de varios subdetectores:

  • Dos nuevos agua - centelleadores detectores (WAGASCI, agua-Grid-centelleador-Detector) que actúan como los principales objetivos de agua y rastreadores de partículas. La estructura en forma de cuadrícula 3D de las barras de centelleo crea cavidades huecas llenas de agua.

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. [27] [28]

  • Un módulo de protones, el mismo que en el detector INGRID , hecho de barras de centelleo (CH) de plástico liso , que actúa como el objetivo principal de CH y el rastreador de partículas. [27] [28]
  • Dos WallMRD (Wall Muon Range Detector) que son espectrómetros de muones no magnetizados para detectar muones laterales. Están hechos de planos de hierro pasivos entrelazados con planos centelleadores activos. [27] [28]
  • One Baby MIND (prototipo de detector de neutrinos de hierro magnetizado) que es un espectrómetro de muones magnetizado para detectar muones que avanzan. Baby MIND luce una configuración original de módulos de centelleo entrelazados con módulos de ferrita magnetizados como un sándwich. Los módulos se pueden reorganizar fácilmente para adaptar el campo magnético a las necesidades particulares del experimento. El campo magnético se crea solo dentro de la ferrita, por lo que es muy eficiente en comparación con los imanes que tienen que magnetizar los espacios vacíos a su alrededor, como el ND280. Sin embargo, el campo magnético no es homogéneo en el volumen de viaje de los muones, y esto plantea un desafío aún abierto para la reconstrucción del impulso. [27]

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 . [27] [28]

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 material objetivo diferente entre ND280 (80% CH + 20% H 2 O) y SK (H 2 O puro ) nos obliga a confiar en modelos de sección transversal para desenredar la estimación de la sección transversal de H 2 O de la de CH. La fracción de agua en los módulos de centelleo de agua WAGASCI es del 80%, lo que permite medir la relación de la sección transversal de neutrinos de corriente cargada entre el agua (H 2 O) y el plástico (CH) con una precisión del 3%. [27] [28]
  • El nuevo detector proporcionará mediciones de varios canales de interacción de neutrinos de corriente cargada con alta precisión, umbral de momento más bajo y aceptación angular total. Esto limitará las incertidumbres de los modelos de flujo y sección transversal para las partículas producidas en ángulos altos. Estos activos también facilitarán la detección de hadrones de bajo momento producidos en la interacción del neutrino con estados acotados de 2 nucleones o mediante reinteracciones dentro del núcleo objetivo de partículas producidas por el neutrino, y por lo tanto un mejor modelado de tales interacciones en el detector lejano. [27] [28]
  • La ubicación a la misma distancia de 280 metros del objetivo de grafito que los detectores ND280 e INGRID, pero en un ángulo fuera del eje diferente de 1,5 grados, hace que el espectro de energía del haz de neutrinos alcance un pico alrededor de diferentes energías para cada uno de los ángulos de eje correspondientes a los detectores. La combinación de mediciones de estos detectores proporcionará una restricción mejorada en las secciones transversales de neutrinos en función de su energía. [27] [28]

Super-Kamiokande [ editar ]

Artículo principal: Super-Kamiokande
Detección de electrones y muones en el detector Super-Kamiokande .

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. [10] [34]

Historia [ editar ]

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 . [35][36]

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 . [10]

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 [37] con el 55% de los datos en modo neutrino y el 45% en modo antineutrino.

En abril de 2020, la colaboración de T2K publicó resultados que limitaban fuertemente la fase de CP δ . Los resultados rechazan al 95% de confianza la hipótesis de que no hay violación de CP (incluida la posibilidad de que δ CP sea igual a π ). [7] [38] Los resultados también rechazan en el nivel de significancia de 3σ (99,7%) casi la mitad de los valores posibles de este parámetro y dan una fuerte pista de que la violación de CP puede ser grande en el sector de neutrinos. [7] [39]

Planes futuros [ editar ]

Se espera que el experimento T2K opere en la forma actual hasta finales de 2020. En 2021 se realizará una importante actualización de la línea de luz de neutrinos y del detector cercano ND280. Desde 2022 hasta 2026, los datos de neutrinos se tomarán dentro de la segunda fase del experimento T2K (T2K-II). [24] En 2025, 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 . [40] [41] La construcción de un detector Cherenkov de agua intermedia adicional a una distancia de alrededor de 2 km también se considera para el experimento de HK. [41]

T2K-II [ editar ]

Se espera que la fase II del experimento T2K comience en 2022 y dure hasta 2025 o 2026, después 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. [24]

Actualización de haz [ editar ]

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. [42]

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%. [42] [43]

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. [42] [43]

Actualización ND280 [ editar ]

Esquema de la parte interior del detector ND280 después de la actualización planificada.

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:

  • El detector necesita detectar de manera eficiente los nucleones en el estado final de las interacciones de neutrinos. Para ello, es necesario reducir los umbrales de detección.
  • Las pistas de alto ángulo y en retroceso deben estar bien reconstruidas. Esto se logra aumentando la aceptación angular y la eficiencia de la discriminación entre las pistas hacia atrás y hacia adelante utilizando información de tiempo.
  • Finalmente, el volumen fiducial total (la masa disponible para las interacciones de neutrinos) de la parte del rastreador del detector ND280, que se caracteriza por una mejor capacidad de reconstrucción, debe ampliarse para aumentar la tasa de interacciones de neutrinos.

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. [44]

SuperFGD [ editar ]

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 . [44]

HATPC [ editar ]

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. [44]

TOF [ editar ]

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. [44]

Impacto en la física de la oscilación de neutrinos [ editar ]

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.[44]

Experimento Hyper-Kamiokande [ editar ]

Artículo principal: Hyper-Kamiokande

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. [41] [45] [46]

Detector de Hyper-Kamiokande [ editar ]

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 . El inicio de la construcción del detector de Hong Kong está previsto para 2020 y el inicio de la recopilación de datos se espera en 2027.[41] [45]

Cherenkov de agua intermedio [ editar ]

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. [41] : 47–50 [47] [48]

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. [49]

Ver también [ editar ]

  • Observatorio Kamioka

Notas [ editar ]

  1. ^ "Página oficial del experimento T2K - colaboración T2K" .
  2. ^ "Experimentos reconocidos en el CERN" . El Programa Experimental del CERN . CERN . Consultado el 9 de marzo de 2021 .
  3. ^ "RE13 / T2K: el experimento de neutrinos de línea de base larga" . El Programa Experimental del CERN . CERN . Consultado el 20 de enero de 2020 .
  4. ^ a b Colaboración T2K (2011). "Indicación de la aparición de neutrinos electrónicos de un haz de neutrinos muón fuera del eje producido por un acelerador". Cartas de revisión física . 107 (4): 041801. arXiv : 1106.2822 . Código Bibliográfico : 2011PhRvL.107d1801A . doi : 10.1103 / PhysRevLett.107.041801 . PMID 21866992 . 
  5. ^ a b Colaboración T2K (2014). "Medición precisa del parámetro de mezcla de neutrinos \ theta_ {23} de la desaparición de neutrinos muón en un haz fuera del eje". Phys. Rev. Lett . 112 (18): 181801. arXiv : 1403.1532 . doi : 10.1103 / PhysRevLett.112.181801 . PMID 24856687 . 
  6. ^ Colaboración T2K (2015). "Medidas de oscilación de neutrinos en los canales de aparición y desaparición por el experimento T2K con 6,6 × 10 $ ^ {20} $ protones en el objetivo". Phys. Rev . D91 : 072010. arXiv : 1502.01550 . doi : 10.1103 / PhysRevD.91.072010 .
  7. ^ a b c d "Restricción en la fase de violación de simetría materia-antimateria en oscilaciones de neutrinos" . Naturaleza . 580 : 339–344. 15 de abril de 2020. arXiv : 1910.03887 . doi : 10.1038 / s41586-020-2177-0 .
  8. ^ Fukugita, M .; Yanagida, T. (junio de 1986). "Barigénesis sin gran unificación". Physics Letters B . 174 (1): 45–47. Código Bibliográfico : 1986PhLB..174 ... 45F . doi : 10.1016 / 0370-2693 (86) 91126-3 .
  9. ^ Mohapatra, RN; et al. (1 de noviembre de 2007). "Teoría de los neutrinos: un libro blanco". Informes sobre avances en física . 70 (11): 1757–1867. arXiv : hep-ph / 0510213 . Código Bibliográfico : 2007RPPh ... 70.1757M . doi : 10.1088 / 0034-4885 / 70/11 / R02 .
  10. ^ a b c d e f g h i j k l m n o p Colaboración T2K (2011). "El Experimento T2K". Instrumentos y métodos nucleares en la investigación de la física Sección A: Aceleradores, espectrómetros, detectores y equipos asociados . 659 (1): 106-135. arXiv : 1106.1238 . Código Bibliográfico : 2011NIMPA.659..106A . doi : 10.1016 / j.nima.2011.06.067 .
  11. ^ Colaboración T2K (5 de agosto de 2013). "Evidencia de aparición de neutrinos electrónicos en un haz de neutrinos muón". Physical Review D . 88 (3): 032002. arXiv : 1304.0841 . Código Bibliográfico : 2013PhRvD..88c2002A . doi : 10.1103 / PhysRevD.88.032002 .
  12. ^ Colaboración T2K (16 de marzo de 2015). "Busque la desaparición de nue de línea base corta con el detector cercano T2K". Physical Review D . 91 (5): 051102. arXiv : 1410.8811 . Código bibliográfico : 2015PhRvD..91e1102A . doi : 10.1103 / PhysRevD.91.051102 .
  13. ^ Colaboración T2K (30 de abril de 2019). "Búsqueda de neutrinos estériles ligeros con el detector de lejos T2K Super-Kamiokande en una línea de base de 295 km". Physical Review D . 99 (7): 071103. arXiv : 1902.06529 . Código bibliográfico : 2019PhRvD..99g1103A . doi : 10.1103 / PhysRevD.99.071103 .
  14. ^ Colaboración T2K (27 de febrero de 2020). "Medición de las secciones transversales que incluyen electrones (anti) neutrinos de corriente cargada en el T2K fuera del eje cerca del detector ND280". arXiv : 2002.11986 [ hep-ex ].
  15. ^ Colaboración T2K (19 de junio de 2015). "Medición de la tasa de interacción de la corriente cargada del neutrino electrónico en el agua con el detector T2K ND280 pi0" . Physical Review D . 91 (11): 112010. Código bibliográfico : 2015PhRvD..91k2010A . doi : 10.1103 / PhysRevD.91.112010 .
  16. ^ Colaboración T2K (7 de mayo de 2013). "Medición de la sección transversal de la corriente cargada numu inclusiva sobre carbono en el detector cercano del experimento T2K". Physical Review D . 87 (9). arXiv : 1302.4908 . doi : 10.1103 / PhysRevD.87.092003 .
  17. ^ Colaboración T2K (21 de junio de 2016). "Medición de interacciones de corriente cargada de neutrino muón diferencial doble en C8H8 sin piones en el estado final utilizando el haz fuera del eje T2K". Physical Review D . 93 (11): 112012. arXiv : 1602.03652 . Código bibliográfico : 2016PhRvD..93k2012A . doi : 10.1103 / PhysRevD.93.112012 .
  18. ^ Colaboración T2K (11 de diciembre de 2015). "Medición de la sección transversal cuasielástica de la corriente cargada numu sobre carbón con el detector ND280 en T2K". Physical Review D . 92 (11). arXiv : 1411.6264 . doi : 10.1103 / PhysRevD.92.112003 .
  19. ^ Colaboración T2K (21 de febrero de 2020). "Primera medición combinada de la sección transversal de corriente cargada de neutrino muón y antineutrino sin piones en el estado final en T2K". arXiv : 2002.09323 [ hep-ex ].
  20. ^ Colaboración T2K (26 de enero de 2017). "Primera medición de la sección transversal de producción de un solo pión de corriente cargada de neutrino muón en agua con el detector cercano T2K". Physical Review D . 95 (1): 012010. arXiv : 1605.07964 . Código bibliográfico : 2017PhRvD..95a2010A . doi : 10.1103 / PhysRevD.95.012010 .
  21. ^ Colaboración T2K (4 de noviembre de 2016). "Medición de la producción coherente de pi + en la dispersión de neutrino-carbono de baja energía". Cartas de revisión física . 117 (19): 192501. arXiv : 1604.04406 . Código bibliográfico : 2016PhRvL.117s2501A . doi : 10.1103 / PhysRevLett.117.192501 . PMID 27858422 . 
  22. ^ Colaboración T2K (31 de octubre de 2014). "Medición de la sección transversal de interacción neutrino-oxígeno corriente neutra mediante la observación de rayos gamma de desexcitación nuclear". Physical Review D . 90 (7): 072012. arXiv : 1403.3140 . Código bibliográfico : 2014PhRvD..90g2012A . doi : 10.1103 / PhysRevD.90.072012 .
  23. ^ Colaboración T2K (septiembre de 2019). "Medición de las secciones transversales de corriente cargada de neutrinos muón en agua, hidrocarburos y hierro, y sus relaciones, con los detectores en el eje T2K". Progreso de la Física Teórica y Experimental . 2019 (9): 093C02. arXiv : 1904.09611 . Código bibliográfico : 2019PTEP.2019i3C02A . doi : 10.1093 / ptep / ptz070 .
  24. ^ a b c Colaboración T2K (13 de septiembre de 2016). "Propuesta para una ejecución extendida de T2K a $ 20 \ times10 ^ {21} $ POT". arXiv : 1609,04111 [ hep-ex ].
  25. ^ Colaboración Hyper-Kamiokande (28 de noviembre de 2018). "Informe de diseño de Hyper-Kamiokande". arXiv : 1805.04163 [ physics.ins-det ].
  26. ^ Colaboración T2K (2 de enero de 2013). "Predicción del flujo de neutrinos T2K". Physical Review D . 87 (1): 012001. arXiv : 1211.0469 . Código Bibliográfico : 2013PhRvD..87a2001A . doi : 10.1103 / physrevd.87.012001 .
  27. ^ a b c d e f g h i j Antonova, M .; et al. (2017). "Baby MIND: un espectrómetro magnetizado para el experimento WAGASCI". arXiv : 1704.08079 . Cite journal requiere |journal=( ayuda )
  28. ^ a b c d e f g h i Ovsiannikova, T; et al. (5 de febrero de 2016). "El nuevo experimento WAGASCI para la medición de la sección transversal de neutrinos de agua a hidrocarburo utilizando el haz J-PARC" . Journal of Physics: Serie de conferencias . 675 (1): 012030. doi : 10.1088 / 1742-6596 / 675/1/012030 .
  29. ↑ Assylbekov, S; et al. (Septiembre 2012). "El detector de cero pi fuera del eje T2K ND280". Instrumentos y métodos nucleares en la investigación de la física Sección A: Aceleradores, espectrómetros, detectores y equipos asociados . 686 : 48–63. arXiv : 1111.5030 . Código bibliográfico : 2012NIMPA.686 ... 48A . doi : 10.1016 / j.nima.2012.05.028 .
  30. ^ Colaboración T2K ND280 TPC (mayo de 2011). "Cámaras de proyección de tiempo para los detectores cercanos T2K". Instrumentos y métodos nucleares en la investigación de la física Sección A: Aceleradores, espectrómetros, detectores y equipos asociados . 637 (1): 25–46. arXiv : 1012.0865 . Código bibliográfico : 2011NIMPA.637 ... 25A . doi : 10.1016 / j.nima.2011.02.036 .
  31. ^ Colaboración T2K ND280 FGD (diciembre de 2012). "Los detectores de grano fino T2K". Instrumentos y métodos nucleares en la investigación de la física Sección A: Aceleradores, espectrómetros, detectores y equipos asociados . 696 : 1–31. arXiv : 1204.3666 . Código bibliográfico : 2012NIMPA.696 .... 1A . doi : 10.1016 / j.nima.2012.08.020 .
  32. ^ T2K UK Collaboration (17 de octubre de 2013). "El calorímetro electromagnético para el detector cercano T2K ND280". Revista de instrumentación . 8 (10): P10019. arXiv : 1308.3445 . Código Bibliográfico : 2013JInst ... 8P0019A . doi : 10.1088 / 1748-0221 / 8/10 / P10019 .
  33. ^ Aoki, S; et al. (Enero 2013). "El detector de rango de muones laterales T2K (SMRD)". Instrumentos y métodos nucleares en la investigación de la física Sección A: Aceleradores, espectrómetros, detectores y equipos asociados . 698 : 135-146. arXiv : 1206.3553 . Código bibliográfico : 2013NIMPA.698..135A . doi : 10.1016 / j.nima.2012.10.001 .
  34. ^ La colaboración de Super-Kamiokande (abril de 2003). "El detector Super-Kamiokande". Instrumentos y métodos nucleares en la investigación de la física Sección A: Aceleradores, espectrómetros, detectores y equipos asociados . 501 (2–3): 418–462. Código Bibliográfico : 2003NIMPA.501..418F . doi : 10.1016 / S0168-9002 (03) 00425-X .
  35. ^ Oyama, Yuichi (2006). "Resultados de K2K y estado de T2K". Ciencia y seguridad nucleares en Europa . Serie de la OTAN sobre seguridad a través de la ciencia. págs. 113-124. arXiv : hep-ex / 0512041 . doi : 10.1007 / 978-1-4020-4965-1_9 . ISBN 978-1-4020-4963-7.
  36. ^ Colaboración K2K (12 de octubre de 2006). "Medición de la oscilación de neutrinos por el experimento K2K". Physical Review D . 74 (7): 072003. arXiv : hep-ex / 0606032 . Código Bibliográfico : 2006PhRvD..74g2003A . doi : 10.1103 / PhysRevD.74.072003 .
  37. ^ "Página oficial del experimento T2K - T2K Run 10" .
  38. ^ Cho, Adrian (15 de abril de 2020). "El comportamiento sesgado de los neutrinos podría ayudar a explicar el dominio de la materia sobre la antimateria" . Ciencia | AAAS . Consultado el 19 de abril de 2020 .
  39. ^ https://www.bbc.com/news/science-environment-52297058
  40. ^ Hyper-Kamiokande Proto-Collaboraion (19 de mayo de 2015). "Potencial de la física de un experimento de oscilación de neutrinos de línea de base larga utilizando haz de neutrinos J-PARC e Hyper-Kamiokande". Progreso de la Física Teórica y Experimental . 2015 (5): 53C02–0. arXiv : 1502.05199 . Código Bibliográfico : 2015PTEP.2015e3C02A . doi : 10.1093 / ptep / ptv061 . ISSN 2050-3911 . 
  41. ↑ a b c d e Hyper-Kamiokande Proto-Collaboration (28 de noviembre de 2018). "Informe de diseño de Hyper-Kamiokande". arXiv : 1805.04163 [ physics.ins-det ].
  42. ^ a b c T2K Collaboration y J-PARC Neutrino Facility Group (14 de agosto de 2019). "Informe de diseño técnico de actualización de J-PARC Neutrino Beamline Upgrade". arXiv : 1908.05141 [ física.ins-det ].
  43. ^ a b Friend, M (septiembre de 2017). "Programa de actualización de línea de luz de neutrinos y acelerador J-PARC" . Journal of Physics: Serie de conferencias . 888 (1): 012042. Código bibliográfico : 2017JPhCS.888a2042F . doi : 10.1088 / 1742-6596 / 888/1/012042 . ISSN 1742-6588 . 
  44. ^ a b c d e Colaboración T2K (11 de enero de 2019). "Actualización T2K ND280 - Informe de diseño técnico". arXiv : 1901.03750 [ physics.ins-det ].
  45. ^ a b "El proyecto Hyper-Kamiokande está oficialmente aprobado" . 12 de febrero de 2020.
  46. ^ Hyper-Kamiokande Proto-Collaboraion (19 de mayo de 2015). "Potencial de la física de un experimento de oscilación de neutrinos de línea de base larga utilizando un haz de neutrinos J-PARC y Hyper-Kamiokande". Progreso de la Física Teórica y Experimental . 2015 (5): 53C02–0. arXiv : 1502.05199 . Código Bibliográfico : 2015PTEP.2015e3C02A . doi : 10.1093 / ptep / ptv061 .
  47. ^ Colaboración nuPRISM (13 de diciembre de 2014). "Carta de intención para construir un detector nuPRISM en la línea de luz de neutrinos J-PARC". arXiv : 1412.3086 [ física.ins-det ].
  48. ^ Colaboración nuPRISM (7 de julio de 2016). "Propuesta para el experimento NuPRISM en el J-PARC Neutrino Beamline" (PDF) .
  49. ^ Yoshida, Tomoyo (21 de febrero de 2018). "Experimento J-PARC E61" (PDF) . Instituto de Invierno de Lake Louise.

Enlaces externos [ editar ]

  • Sitio web oficial del experimento T2K
  • Sitio web oficial de Super-Kamiokande
  • Monitor en tiempo real Super-Kamiokande
  • Física de neutrinos - El experimento T2K - YouTube
  • Dentro de la gran física de Japón | Primera parte: Super Kamiokande - YouTube