T2K эксперимент - T2K experiment

T2K ("Токай к Камиока ") это физика элементарных частиц эксперимент по изучению колебания из ускоритель нейтрино. Эксперимент проводится в Япония благодаря международному сотрудничеству около 500 физиков и инженеров с более чем 60 исследовательскими институтами из нескольких стран из Европа, Азия и Северная Америка [1] и это признанный ЦЕРН эксперимент (RE13).[2][3]

T2K был первым экспериментом, в котором наблюдалось появление электронные нейтрино в мюонное нейтрино луч,[4] он также обеспечил лучшее в мире измерение параметра колебаний θ23 [5] и намек на значительный асимметрия вещества-антивещества в нейтринных осцилляциях.[6][7] Измерение асимметрии осцилляций нейтрино-антинейтрино может приблизить нас к объяснению существования нашего материальный Вселенная.[8][9]

Прохождение пучка мюонных нейтрино от J-PARC к Super K

Интенсивный пучок мюонных нейтрино создается в J-PARC объект (Японский исследовательский комплекс протонных ускорителей) в Токай на восточном побережье Японии. Луч направлен в сторону Супер-Камиоканде дальний детектор, расположенный в 295 км в г. Хида, Префектура Гифу. Свойства и состав нейтринного потока сначала измеряются системой ближних детекторов, расположенных в 280 м от места генерации пучка на площадке J-PARC, а затем снова в детекторе Super-Kamiokande. Сравнение содержания разных ароматов нейтрино в этих двух местах позволяет измерить вероятность осцилляций на пути между ближним и дальним детекторами. Супер-Камиоканде может обнаруживать взаимодействия как мюонных, так и электронных нейтрино и, таким образом, измерять исчезновение потока мюонных нейтрино, а также появление электронного нейтрино в пучке.[10]

Программа по физике

Эксперимент T2K был предложен в 2003 году со следующими измерительными целями:[10]

  • Открытие
    ν
    μ     →
    ν
    е     колебания, и тем самым подтверждение того, что последний неизвестный угол смешивания θ13 не равно нулю.
  • Точное измерение параметров колебаний Δм2
    23     и θ23 через исследования исчезновения мюонных нейтрино.
  • Ищи стерильное нейтрино колебания, которые можно было наблюдать как дефицит нейтральный ток нейтринные взаимодействия.
  • Измерения различного взаимодействия поперечные сечения для различных типов нейтрино и мишеней в диапазоне энергий несколько ГэВ.

С момента начала сбора данных в 2010 году эксперимент T2K смог предоставить список результатов мирового уровня:

  • Подтверждение появления электронного нейтрино в пучке мюонных нейтрино (
    ν
    μ    →
    ν
    е    ), что было первым случаем, когда нейтрино, рожденные в одном аромате, явно наблюдались в другом аромате.[4][11]
  • Самое точное измерение θ23 параметр.[5]
  • Первое существенное ограничение на δCP параметр, отвечающий за асимметрия вещества-антивещества в нейтринном секторе.[7]
  • Ограничения на стерильное нейтрино параметры колебаний на основе исследований в ближнем ND280 [12] и далеко Супер-Камиоканде [13] детекторы.
  • Разные поперечное сечение измерения электрона[14][15] и мюонное нейтрино и антинейтрино, в том числе включительно заряженный ток (CC) взаимодействия,[16] CC взаимодействия без пионов [17][18][19] и с одним пионом в конечном состоянии,[20] когерентное рождение пионов,[21] нейтральный ток взаимодействия,[22] и т. д. по разным целям, таким как углерод, воды и утюг.[23]

Ожидается, что будущие обновления T2K еще больше ограничат δCP фазы путем сравнения осцилляций нейтрино с колебаниями антинейтрино, а также более точных измерений Δм2
23 и θ23 параметры и измерения поперечного сечения, которые расширят наше понимание нейтринных взаимодействий и, таким образом, улучшат теоретические модели, используемые в генераторах нейтрино.[24][25]

Луч нейтрино

Вид на весь объект с высоты птичьего полета
Сверхпроводящие магниты строятся в 2008 году, чтобы направить пучок протонов в направлении Камиоки.
Заключительный этап линии протонного пучка перед мишенью для генерации пучка нейтрино

T2K использует мюонное нейтрино или мюонное антинейтрино луч произведено на J-PARC установка на протонном пучке, постепенно ускоряемая до 30 ГэВ системой из трех ускорители: сначала до энергии 400 МэВ с помощью линейного ускорителя Linac, затем до 3 ГэВ с помощью RCS (Rapid Cycle Synchrotron) и, наконец, до 30 ГэВ с помощью MR. синхротрон (Главное кольцо). Протоны столкнуться с графит цель, производящая мезоны, в основном пионы и каоны, которые затем фокусируются набором из трех магнитные рожки и направлен в туннель, называемый объемом распада. В зависимости от полярности рогов фокусируются либо положительные, либо отрицательные частицы. Положительные пионы и каоны распадаются в основном на
μ+
 и
ν
μ, образуя пучок мюонных нейтрино, а отрицательные пионы и каоны распадаются в основном на
μ−
 и
ν
μ, формируя пучок мюонных антинейтрино. Все остальное адроны и заряжен лептоны останавливаются 75-тонным блоком графита (так называемый отвал пучка) и в земле, в то время как нейтрино движутся под землей к дальнему детектору.[10]

Внеосевой луч

T2K - это первый эксперимент, в котором концепция внеосевого пучок нейтрино было реализовано. Пучок нейтрино в J-PARC спроектирован так, чтобы его можно было направить от 2 до 3 градусы подальше от Супер-Камиоканде дальний детектор и один из ближних детекторов, ND280. Внеосевой угол был выбран равным 2,5 °, чтобы максимизировать вероятность колебаний на расстоянии, соответствующем дальнему детектору, которое для 295 км является максимальным для нейтрино с энергией около 600 МэВ. В этом диапазоне энергий нейтрино преобладающим типом нейтринных взаимодействий являются заряженный ток квазиупругие взаимодействия, для которых можно восстановить энергию взаимодействующего нейтрино только на основе импульса и направления образовавшегося заряженного лептона. Более высокие энергии нейтрино подавляются внеосевой конфигурацией, уменьшая количество взаимодействий с образованием мезонов, которые являются фоном в осцилляционном анализе в эксперименте T2K.[10][26]

Рядом с детекторами

Комплекс ближнего детектора[10] находится на расстоянии 280 метров от графитовой мишени. Его цель - измерить поток нейтрино до осцилляций и изучить нейтринные взаимодействия. Система состоит из трех основных детекторов:

  • Детектор INGRID (Interactive Neutrino GRID), расположенный на оси нейтринного пучка,
  • Детектор ND280 расположен на расстоянии 2,5 ° от оси пучка, т.е. под тем же углом, что и дальний детектор.
  • Wagasci-BabyMIND (WAter Grid SCIntillator Detector - прототип детектора нейтрино намагниченного железа) представляет собой намагниченный детектор нейтрино, расположенный под углом 1,5 ° вне оси, созданный для исследования изменения энергетического спектра с углом вне оси и сечений при более высоком среднем нейтрино энергия.[27][28]

Считывание сигнала

За исключением Камеры временной проекции в ND280 весь активный материал (позволяющий отслеживать частицы) ближних детекторов пластик сцинтиллятор. Свет, образующийся при прохождении частиц в пластиковых сцинтилляционных стержнях и плоскостях, собирается смещение длины волны волокна и обнаружен Хамамацу Многопиксельные счетчики фотонов расположены на одном или обоих концах волокон. Полосы сцинтиллятора организованы в слои, где полосы в двух соседних слоях перпендикулярны друг другу, обеспечивая вместе трехмерную информацию о пересекающих частицах.[10]

Детектор INGRID

Основное назначение детектора INGRID - ежедневный мониторинг направления и интенсивности пучка путем прямого обнаружения нейтринных взаимодействий. Детектор INGRID состоит из 16 идентичных модулей, расположенных в форме креста, 7 в вертикальном и 7 в горизонтальном плече, плюс 2 модуля вне креста. Высота и ширина оружия 10 метров. Единый модуль состоит из чередующихся слоев железа и пластикового сцинтиллятора. Дополнительные 4 вето-слоя сцинтиллятора окружают модуль по бокам, чтобы отличать частицы, поступающие извне, от частиц, образующихся при взаимодействии внутри модуля. Общая масса чугуна в одном модуле составляет 7,1 тонны и составляет 96% от веса модуля. На оси нейтринного пучка, посередине пересечения вертикального и горизонтального плеч, расположен дополнительный модуль, построенный только из слоев пластикового сцинтиллятора (Proton Module) массой 0,55 тонны. Его цель - регистрировать квазиупругие взаимодействия и сравнивать полученные результаты с расчетами.[10]

Детектор ND280

НД280 в стадии строительства.
Детектор ND280 в разобранном виде.

Детектор ND280 используется для измерения потока, энергетического спектра и загрязнения пучка электронных нейтрино для того же угла отклонения от оси, что и для дальнего детектора. ND280 также исследует различные типы взаимодействий мюонов и электронных нейтрино и антинейтрино. Все это позволяет оценить ожидаемое количество и тип взаимодействий в дальнем детекторе, уменьшая систематическую ошибку в анализе осцилляций нейтрино, связанную с моделями нейтринных взаимодействий и потоков.[10]

ND280 состоит из набора внутренних субдетекторов: детектора Pi-Zero и трекера с двумя мелкозернистыми детекторами, чередующимися с тремя проекционными камерами, размещенными внутри металлического каркаса, называемого корзиной. Корзина окружена электромагнитным калориметром и магнитом, возвращаемым из UA1 эксперимент создает однородное горизонтальное поле 0,2 Тл и оснащено сцинтилляционными плоскостями, составляющими детектор бокового мюонного диапазона.[10]

Детектор Pi-Zero

Схема детектора Pi-Zero.

Пи-Зеро (
π0
Детектор (P0D) содержит 40 пластиковых плоскостей сцинтилляционных модулей, которые в центральной части перемежаются мешками толщиной 2,8 см, заполняемыми водой, и толстыми латунными листами, а в двух периферийных областях сцинтилляционные модули зажаты между собой свинцовыми листами. Сравнивая количество взаимодействий между модами с водой и без воды в мешках, можно определить количество взаимодействий нейтрино, происходящих с водой - материалом мишени внутри дальнего детектора Супер-Камиоканде. Размер всего активного P0D. объем составляет около 2,1 м × 2,2 м × 2,4 м (X × Y × Z), а его масса с водой и без воды составляет 15,8 и 12,9 тонны соответственно.

Основная цель детектора Pi-Zero - нейтральное измерение. пионы производство в нейтральный ток нейтринные взаимодействия с водой:


ν
μ + N →
ν
μ + N ’+
π0

Эта реакция может имитировать взаимодействие электронного нейтрино, потому что фотоны от
π0
 распад может быть неверно реконструирован как электрон в детекторе Супер-Камиоканде, таким образом, эта реакция может имитировать взаимодействия электронов с нейтрино и составляет важную основу для измерения появления электронных нейтрино.[10][29]

Камеры временной проекции

Три временные проекционные камеры (ТПК) представляют собой газонепроницаемые прямоугольные боксы с катодной плоскостью в центре и считывающим устройством. MicroMegas модули с обеих сторон параллельно катоду. TPC заполнены аргон дрейфовый газ при атмосферном давлении. Заряженные частицы, пересекающие TPC ионизировать газ по их следу. Электроны ионизации дрейфуют от катода к сторонам TPC, где они обнаруживаются MicroMegas, обеспечивая трехмерное изображение пути прохождения заряженной частицы. Координаты Y и Z основаны на положении обнаруженных ионизационных электронов на модулях MicroMegas, а координата X основана на времени дрейфа электронов. В магнитном поле кривизна этого пути позволяет определить обвинять и импульс частицы, а количество ионизационных электронов на единицу расстояния используется для идентификации частиц на основе Формула Бете-Блоха.[10][30]

Мелкозернистые детекторы

Два мелкозернистых детектора (ФГД) размещаются после первого и второго ТПК. Вместе FGD и TPC составляют трекер ND280. FGD обеспечивают активную массу мишени для нейтринных взаимодействий и могут измерять короткие треки отдачи протонов. Первая FGD состоит только из слоев сцинтиллятора, а вторая FGD состоит из чередующихся слоев сцинтиллятора и воды. Вторая FGD частично состоит из воды, поскольку детектор в Супер-Камиоканде основан на воде. Сечения на углероде и на воде могут быть определены путем сравнения нейтринных взаимодействий в двух FGD.[10][31]

Электромагнитный калориметр

Электромагнитный калориметр (ECAL) окружает внутренние детекторы (P0D, TPC, FGD) и состоит из слоев сцинтиллятора, зажатых листами свинцового поглотителя. Его роль - обнаруживать нейтральные частицы, особенно фотоны, и измерять их энергию и направление, а также обнаруживать заряженные частицы, предоставляя дополнительную информацию, необходимую для их идентификации.[10][32]

Детектор бокового мюонного диапазона

Детектор бокового мюонного диапазона (SMRD) состоит из сцинтилляционных модулей, которые вставляются в зазоры в магните. SMRD регистрирует мюоны, вылетающие из внутренних частей детектора под большими углами по отношению к направлению луча. Он также может действовать как спусковой крючок за космические лучи. Наконец, это может помочь идентифицировать взаимодействия пучков в окружающих стенках и в самом магните.[10][33]

WAGASCI-Baby MIND

WAGASCI-Baby MIND[27][28] это новый детектор, расположенный рядом с детекторами INGRID и ND280, посвященный нейтрино исследования взаимодействия. Он предоставил первые данные нейтринного пучка с использованием полной настройки детектора во время зимнего сеанса 2019/2020.

WAGASCI-Baby MIND состоит из нескольких субдетекторов:

  • Два новых воды -сцинтиллятор детекторы (WAGASCI, WAter-Grid-SCIntillator-Detector), которые действуют как основные водные цели и трекеры частиц. Трехмерная сетчатая структура сцинтилляционных стержней создает полые полости, заполненные водой (80% H2О + 20% СН). Принятие примерно постоянное по всем направлениям.
  • Один протонный модуль, такой же, как в INGRID детектор, простой пластик сцинтиллятор (CH) полоски, которые действуют как основная цель CH и трекер частиц.
  • Два WallMRD (Wall Muon Range Detector), которые представляют собой немагнитные мюонные спектрометры для обнаружения боковых мюонов. Они сделаны из пассивных утюг плоскости переплетаются с плоскостями активных сцинтилляторов.
  • One Baby MIND (прототип детектора намагниченных железных нейтрино), который представляет собой намагниченный мюонный спектрометр для обнаружения движущихся вперед мюонов. Baby MIND обладает оригинальной конфигурацией сцинтилляционных модулей, переплетенных с намагниченными феррит модули как бутерброд. Модули можно легко переставлять для адаптации магнитного поля к конкретным потребностям эксперимента. Магнитное поле создается только внутри феррита, поэтому он очень энергоэффективен по сравнению с магнитами, которые должны намагничивать пустые пространства вокруг себя, как магнит ND280. Однако магнитное поле неоднородно по объему пробега мюонов, и это представляет собой все еще открытую проблему для восстановления импульса.

Весь активный материал в детекторах состоит из пластикового сцинтиллятора и считается, как описано в разделе Считывание сигнала.

Основная цель извещателя WAGASCI-Baby MIND - уменьшение систематической ошибки в T2K. колебание анализ, который будет достигнут благодаря его дополнительности по отношению к детектору ND280:

  • Различный целевой материал от ND280 (80% CH + 20% H2O) и SK (чистый H2O) заставляет нас полагаться на модели поперечного сечения, чтобы распутать H2Оценка поперечного сечения O по CH. Доля воды в водо-сцинтилляторных модулях WAGASCI составляет 80%, что позволяет измерить отношение поперечных сечений нейтрино заряженного тока между водой (H2O) и пластмассы (CH) с точностью 3%.
  • Новый детектор будет обеспечивать измерения различных каналов взаимодействия нейтрино с заряженным током с высокой точностью, более низким порогом импульса и полным угловым аксептансом. Это ограничит неопределенности моделей потока и поперечного сечения для частиц, образующихся под большими углами. Эти средства также будут способствовать обнаружению адронов с низким импульсом, образующихся при взаимодействии нейтрино с ограниченными состояниями двух нуклонов или посредством повторных взаимодействий внутри ядра-мишени частиц, произведенных нейтрино, и, таким образом, более качественное моделирование таких взаимодействий в дальнем детекторе.
  • Расположение на том же расстоянии 280 метров от графитовой мишени, что и детекторы ND280 и INGRID, но под другим углом отклонения от оси, равным 1,5 градуса, приводит к тому, что энергетический спектр нейтринного пучка имеет пик около разных энергий для каждого из выключенных. углы осей, соответствующие детекторам. Комбинация измерений с помощью этих детекторов обеспечит улучшенное ограничение на нейтринные сечения как функцию их энергии.

Супер-Камиоканде

Основная статья: Супер-Камиоканде
Обнаружение электроны и мюоны в Супер-Камиоканде детектор.

Детектор Супер-Камиоканде расположен на глубине 1000 м под землей в шахте Мозуми, под горой Икено в районе Камиока города Хида. Это нержавеющая сталь цилиндрический резервуар высотой и диаметром около 40 м, заполненный 50 000 тонн воды и оснащено инструментами около 13000 фотоумножители (ФУП). Он обнаруживает конус из Черенков свет испускается заряженными частицами, движущимися в воде со скоростью, превышающей скорость света в этой среде. Его цель - измерить мюоны и электроны произведено в заряженный ток квазиупругие взаимодействия (CCQE)
ν
μ и
ν
е, соответственно. Из-за относительно большой массы мюоны обычно не меняют своего направления и, таким образом, образуют четко очерченный конус черенковского света, наблюдаемый ФЭУ в виде четкого острого кольца. Напротив, электроны из-за меньшей массы более восприимчивы к рассеянию и почти всегда производят электромагнитное поле. душ, наблюдаемые ФЭУ в виде кольца с нечеткими краями. Энергия нейтрино рассчитывается на основе направления и энергии заряженного лептон производится во взаимодействии CCQE. Таким образом,
ν
μ и
ν
е спектры определены, что приводит к измерению колебание параметры, соответствующие исчезновению мюонного нейтрино и появлению электронного нейтрино.[10][34]

История

T2K является преемником KEK Kamioka (K2K ), который проводился с 1999 по 2004 год. K2K эксперимент, пучок ускорителя мюонных нейтрино образовалось на KEK объект в Цукуба (Япония ) и отправлен в Супер-Камиоканде детектор, расположенный в 250 км. Результаты эксперимента K2K подтверждены на уровне достоверности 99,9985% (4,3 σ ) исчезновение из мюонные нейтрино и согласуются с предыдущими измерениями параметров колебаний, измеренными детектором Super-Kamiokande для атмосферные нейтрино.[35][36]

Строительство нейтринного пучка началось в 2004 году, и он был успешно введен в эксплуатацию в 2009 году. Строительство всего детектора INGRID и большей части детектора ND280 (без ствольной части электромагнитного калориметра) было завершено в 2009 году. Недостающая часть калориметра была установлен осенью 2010 года. Дальний детектор Т2К - это большой детектор Супер-Камиоканде, который работает с 1996 года и изучает время жизни протона и колебания атмосферный, солнечный и ускоритель нейтрино.[10]

Эксперимент T2K начал собирать нейтринные данные для физического анализа в январе 2010 года, сначала с неполным детектором ND280, а с ноября 2010 года с полной настройкой. Сбор данных был прерван на год из-за Великое землетрясение Тохоку в марте 2011 года. Мощность протонного пучка и, следовательно, интенсивность нейтринного пучка постоянно росла, достигнув к февралю 2020 года мощности 515 кВт и общего количества накопленных протонов на мишени 3,64 × 1021 протоны [37] с 55% данных в нейтринном режиме и 45% в антинейтрино-режиме.

В апреле 2020 года коллаборация T2K опубликовала результаты, сильно ограничивающие δCP фаза. Результаты отвергают гипотезу об отсутствии CP-нарушения (включая возможность δCP равно π).[7][38] Результаты также отвергают на уровне значимости 3σ (99,7%) почти половину возможных значений этого параметра и дают сильный намек на то, что CP-нарушение может быть большим в нейтринном секторе.[7][39]

Планы на будущее

Ожидается, что эксперимент T2K будет работать в нынешнем виде до конца 2020 года. В 2021 году будет проведена серьезная модернизация нейтринного пучка и ближнего детектора ND280. С 2022 по 2026 год нейтринные данные будут сниматься в рамках второй фазы эксперимента T2K (T2K-II).[24] В 2025 году будет запущен преемник эксперимента T2K, эксперимент Hyper-Kamiokande (HK), с новым объемом воды 250 000 тонн. Черенков дальний детектор - Гипер-Камиоканде детектор.[40][41] Строительство дополнительного промежуточного водного черенковского детектора на расстоянии около 2 км также рассматривается для эксперимента HK.[41]

Т2К-II

Ожидается, что фаза II эксперимента T2K начнется в 2022 году и продлится до 2025 или 2026 года, после чего начнется эксперимент HK. Физические цели T2K-II - это измерение колебание параметры θ23 и Δм2
23 с точностью 1,7 ° и 1% соответственно, а также подтверждением на уровне 3 σ или более асимметрии вещества-антивещества в нейтринном секторе в широком диапазоне возможных истинных значений δCP - параметр, отвечающий за CP (материя-антивещество) асимметрия. Достижение этих целей требует уменьшения статистических и систематических ошибок и, следовательно, значительного обновления канала луча и детектора ND280, а также усовершенствований программного обеспечения и методов анализа.[24]

Улучшение луча

План модернизации балки требует остановки завода на один год. J-PARC Главное кольцо ускоритель в 2021 г. с последующим постоянным постепенным увеличением протон луч мощность до начала эксперимента HK. Мощность пучка должна достичь 750 кВт в 2022 году, а к 2029 году вырастет до 1,3 МВт.[42]

В феврале 2020 года мощность протонного пучка достигла 515 кВт при 2.7х1014 протонов на импульс и с интервалом 2,48 секунды между импульсами (так называемый цикл повторения). Для достижения 750 кВт цикл повторения будет сокращен до 1,32 с с 2,0х1014 протонов на импульс, тогда как для 1,3 МВт цикл повторения должен быть дополнительно уменьшен до 1,16 с, а количество протонов в импульсе должно увеличиться до 3,2х1014. Помимо увеличения мощности первичного пучка протонов, ток в рога фокусируя вторичные частицы (пионы, каоны и т. д.) с выбранным электрический заряд также будет увеличена с 250 кА до 320 кА. Это увеличит количество нейтрино правильного знака (нейтрино в пучке нейтринной моды и антинейтрино в пучке антинейтрино) на 10% и уменьшит количество нейтрино неправильного знака (антинейтрино в нейтринно-нейтринном пучке). пучка мод и нейтрино в пучке антинейтрино) примерно на 5-10%.[42][43]

Сокращение цикла повторения потребует ряда обновлений оборудования, включая серьезную модернизацию главного кольца. Источники питания и небольшая модернизация источников питания фокусирующего рупора, все из которых будут установлены во время длительного останова в 2021 году. Для увеличения тока рупора потребуется использование дополнительного (третьего) источника питания рупора. Между тем, более высокая мощность протонного пучка требует улучшения охлаждение мощность компонентов вторичного пучка, таких как графит мишень, магнитные рупоры и сброс пучка, а также удаление большего количества облученной охлаждающей воды.[42][43]

Обновление ND280

Схема внутренней части детектора ND280 после плановой модернизации.

Текущая конструкция детектора ND280 оптимизирована для обнаружения и восстановления прямого лептоны (мюоны и электроны ), но он также имеет ряд ограничений, таких как низкая эффективность восстановления частиц, созданных почти перпендикулярно и назад относительно. направление взаимодействующих нейтрино, а также слишком высокий порог импульса для восстановления большой части образовавшихся пионов и выбитых нуклонов (протонов и нейтронов). В квазиупругих взаимодействиях с заряженным током (CCQE) доминирующего взаимодействия в ND280 вблизи детектора, кинематики образовавшегося лептона достаточно для восстановления энергии падающего нейтрино. Однако другие типы нейтринных взаимодействий, в которых дополнительные частицы (пионы, каоны, нуклоны ) были потеряны, может быть неправильно реконструирован как CCQE и ввести предвзятость в восстановленном энергетическом спектре нейтрино. Таким образом, важно оптимизировать детектор, чтобы он был чувствителен к дополнительным частицам и ядерные эффекты.

Для решения этих проблем необходимо принять три основных меры:

  • Детектор должен эффективно обнаруживать нуклоны в конечном состоянии нейтринных взаимодействий. Для этого необходимо снизить пороги обнаружения.
  • Крутые и обратные пути должны быть хорошо реконструированы. Это достигается за счет увеличения углового допуска и эффективности различения дорожек, идущих назад и вперед, с использованием временной информации.
  • Наконец, общий реперный объем (масса, доступная для нейтринных взаимодействий) отслеживающей части детектора ND280, характеризующейся лучшей способностью к реконструкции, необходимо увеличить, чтобы увеличить скорость нейтринных взаимодействий.

Обновление детектора ND280 (Обновление ND280) отвечает этим требованиям, заменяя часть субдетектора P0D тремя типами новых субдетекторов. Существующая нисходящая часть, состоящая из двух мелкозернистых сцинтилляционных детекторов (FGD) и трех временных проекционных камер (TPC), сохранит свою многослойную структуру и продолжит обнаруживать идущие вперед лептоны и хардоны с высоким импульсом. Верхняя часть, в которой теперь размещается субдетектор P0D, будет заменена тремя новыми субдетекторами: мерцающей трехмерной мишенью (сверхмелкозернистый детектор или SuperFGD), двумя новыми TPC сверху и снизу SuperFGD (High-Angle TPC или HATPCs) и шесть детекторов времени пролета (TOF), окружающих новую структуру. Каждый из этих субдетекторов кратко описан ниже.[44]

SuperFGD

SuperFGD - это детектор размером 2 x 2 x 0,5 м, состоящий примерно из 2 миллионов 1 см3 сверкающий полистирол кубики. Кубики сплетены серией оптические волокна предназначен для обнаружения света, излучаемого частицами, образующимися при взаимодействии с целью. В отличие от современных FGD, SuperFGD имеет трехкратное проекционное двухмерное считывание, обеспечивающее квази-трехмерное считывание. Эта конфигурация считывания увеличивает обнаружение коротких дорожек почти равномерно во всех направлениях. Благодаря своей геометрии и в сочетании с TOF и HATPC, SuperFGD может обнаруживать быстрые нейтроны, что может быть полезно при реконструкции антинейтрино энергия.[44]

HATPC

Высокий угол Камеры временной проекции (HATPC) будут окружать SuperFGD в плоскости, перпендикулярной входящему пучку нейтрино. Их конструкция аналогична существующим TPC, поскольку они оба используют MicroMegas Модульная технология для реконструкции пути. Главная новинка HATPC, помимо их большого угла обзора, - это использование резистивной технологии MicroMegas. Последний состоит в нанесении слоя резистивный материал для увеличения возможностей разделения заряда модулей MicroMegas. Это уменьшает количество каналов считывания и обеспечивает пространственное разрешение, такое же хорошее, как у текущих TPC.[44]

TOF

Шесть детекторов времени пролета (TOF), окружающие HATPC и SuperFGD, представляют собой серию пластик сцинтиллятор слои, предназначенные для определения направления частиц путем измерения время полета для каждого пересекающего пути с временным разрешением порядка 600 пс.В ND280 было доказано, что способность определять направление пути имеет решающее значение для уменьшения фона, генерируемого за пределами активных внутренних детекторов.[44]

Влияние на физику колебаний нейтрино

Обновление ND280 повлияет на анализ на T2K двояко. Во-первых, увеличение статистики за счет 2-тонной мишени SuperFGD позволит почти вдвое увеличить объем данных в определенных выборках. Во-вторых, что более актуально, новая конфигурация позволит лучше обнаруживать дополнительные частицы в конечном состоянии: частицы с большим углом благодаря увеличенному угловому восприятию и частицы с меньшей энергией из-за более низких порогов обнаружения. Это улучшение приемки детектора важно для покрытия почти того же фазового пространства, которое доступно на дальнем детекторе (SK). Кроме того, частицы в конечном состоянии позволят исследовать ядерные эффекты, которые необходимы для ограничения систематических эффектов анализа колебаний. Это также важный шаг в переходе к использованию полуинклюзивных или эксклюзивных моделей в физике осцилляций нейтрино, в отличие от текущих инклюзивных моделей, которые используют только лептон в конечном состоянии в своих предсказаниях.[44]

Гипер-Камиоканде эксперимент

Основная статья: Гипер-Камиоканде

Преемник эксперимента T2K, Гипер-Камиоканде (HK) в эксперименте будет использоваться модернизированная система используемого в настоящее время ускорителя и нейтринного пучка, а также модернизированный комплект ближнего детектора. Кроме того, будет построен новый дальний детектор, детектор Hyper-Kamiokande, а также, возможно, новый промежуточный детектор. Часть работ по модернизации луча и модернизация детектора ND280 будут выполнены еще до начала фазы II эксперимента T2K. Ожидается, что эксперимент с HK начнется примерно в 2027 году.[41][45][46]

Детектор Hyper-Kamiokande

Детектор Hyper-Kamiokande будет воды Черенков детектор, в 5 раз больше (258 кт воды), чем Супер-Камиоканде детектор. Это будет цилиндр диаметром 74 метра и высотой 60 метров с 40000 фотоумножитель трубки диаметром 50 см и 6700 фотоумножителей диаметром 20 см. Он будет расположен в 8 км к югу от детектора Супер-Камиоканде в шахте Точибора, в 650 метрах под вершиной горы Ниджууго, под тем же внеосевым углом (2,5 °) к центру нейтринного пучка и на таком же расстоянии (295 °). км) от места изготовления балки на J-PARC. Начало строительства детектора HK запланировано на 2020 год, а начало сбора данных - в 2027 году.[41][45]

Промежуточная вода Черенкова

Промежуточный водный черенковский детектор (IWCD) будет расположен на расстоянии 0,7–2 км от места генерации нейтрино. Это будет цилиндр, наполненный водой, диаметром 10 м и высотой 50 м, со структурой высотой 10 м, оснащенной приблизительно 3000 фотоумножителями диаметром 20 см. Конструкция будет перемещаться в вертикальном направлении с помощью крановой системы, обеспечивая измерения нейтринных взаимодействий под разными внеосевыми углами, в диапазоне от 1 ° до 4 °, и, таким образом, для разных энергетических спектров. можно получить результаты для почти монохроматического спектра нейтрино, не полагаясь на теоретические модели нейтринных взаимодействий для восстановления энергии нейтрино. Использование детектора того же типа, что и дальний детектор, с почти одинаковым угловым и моментальным приемом, позволяет сравнивать результаты этих двух детекторов, не полагаясь на моделирование отклика детекторов. Эти два факта, независимость от моделей взаимодействия нейтрино и отклика детектора, позволят минимизировать систематическую ошибку в осцилляционном анализе. Дополнительным преимуществом такой конструкции детектора является возможность поиска стерильный колебание шаблон для различных углов вне оси и для получения более чистого образца электронное нейтрино взаимодействие, доля которого тем больше, чем больше внеосевой угол.[41]:47–50[47][48]

Планируется, что IWCD будет завершен в 2024 году и начнет принимать данные с 2025 года, но еще до запуска эксперимента HK.[49]

Смотрите также

Примечания

  1. ^ "Официальная страница эксперимента T2K - коллаборация T2K".
  2. ^ «Признанные эксперименты в ЦЕРНе». Научные комитеты ЦЕРН. ЦЕРН. Получено 20 января 2020.
  3. ^ "RE13 / T2K: нейтринный эксперимент с длинной базой". Экспериментальная программа ЦЕРН. ЦЕРН. Получено 20 января 2020.
  4. ^ а б T2K Collaboration (2011). "Индикация появления электронного нейтрино от внеосевого пучка мюонных нейтрино, произведенного ускорителем". Письма с физическими проверками. 107 (4): 041801. arXiv:1106.2822. Bibcode:2011PhRvL.107d1801A. Дои:10.1103 / PhysRevLett.107.041801. PMID  21866992.
  5. ^ а б Сотрудничество T2K (2014). "Точное измерение параметра смешения нейтрино heta_ {23} по исчезновению мюонного нейтрино во внеосевом пучке". Phys. Rev. Lett. 112 (18): 181801. arXiv:1403.1532. Дои:10.1103 / PhysRevLett.112.181801. PMID  24856687.
  6. ^ Сотрудничество T2K (2015). «Измерения каналов появления и исчезновения осцилляций нейтрино с помощью эксперимента T2K с 6.6 × 10 $ ^ {20} $ протонами на мишени». Phys. Rev. D91: 072010. arXiv:1502.01550. Дои:10.1103 / PhysRevD.91.072010.
  7. ^ а б c d «Ограничение на фазу нарушения симметрии вещество – антивещество в нейтринных осцилляциях». Природа. 580: 339–344. 15 апреля 2020. arXiv:1910.03887. Дои:10.1038 / s41586-020-2177-0.
  8. ^ Fukugita, M .; Янагида, Т. (июнь 1986 г.). «Баригенезис без великого объединения». Письма по физике B. 174 (1): 45–47. Bibcode:1986ФЛБ..174 ... 45Ф. Дои:10.1016/0370-2693(86)91126-3.
  9. ^ Мохапатра, РН; и другие. (1 ноября 2007 г.). «Теория нейтрино: белая книга». Отчеты о достижениях физики. 70 (11): 1757–1867. arXiv:hep-ph / 0510213. Bibcode:2007об / ч ... 70,1757M. Дои:10.1088 / 0034-4885 / 70/11 / R02.
  10. ^ а б c d е ж грамм час я j k л м п о п T2K Collaboration (2011). «Эксперимент T2K». Ядерные инструменты и методы в физических исследованиях Секция A: ускорители, спектрометры, детекторы и связанное с ними оборудование. 659 (1): 106–135. arXiv:1106.1238. Bibcode:2011NIMPA.659..106A. Дои:10.1016 / j.nima.2011.06.067.
  11. ^ T2K Collaboration (5 августа 2013 г.). «Свидетельства появления электронного нейтрино в пучке мюонных нейтрино». Физический обзор D. 88 (3): 032002. arXiv:1304.0841. Bibcode:2013PhRvD..88c2002A. Дои:10.1103 / PhysRevD.88.032002.
  12. ^ T2K Collaboration (16 марта 2015 г.). «Поиск исчезновения ядер с короткой базовой линией с помощью детектора T2K near». Физический обзор D. 91 (5): 051102. arXiv:1410.8811. Bibcode:2015ПхРвД..91э1102А. Дои:10.1103 / PhysRevD.91.051102.
  13. ^ T2K Collaboration (30 апреля 2019 г.). «Поиск легких стерильных нейтрино с помощью дальнего детектора Т2К Супер-Камиоканде на базе 295 км». Физический обзор D. 99 (7): 071103. arXiv:1902.06529. Bibcode:2019ПхРвД..99г1103А. Дои:10.1103 / PhysRevD.99.071103.
  14. ^ T2K Collaboration (27 февраля 2020 г.). «Измерение инклюзивных сечений электронов (анти) нейтрино заряженного тока на внеосевой точке T2K вблизи детектора ND280». arXiv:2002.11986 [hep-ex ].
  15. ^ T2K Collaboration (19 июня 2015 г.). «Измерение скорости взаимодействия электронного нейтрино с заряженным током на воде с помощью детектора T2K ND280 pi0». Физический обзор D. 91 (11): 112010. Bibcode:2015ПхРвД..91к2010А. Дои:10.1103 / PhysRevD.91.112010.
  16. ^ T2K Collaboration (7 мая 2013 г.). «Измерение полного сечения заряженного тока на углероде в ближнем детекторе эксперимента T2K». Физический обзор D. 87 (9). arXiv:1302.4908. Дои:10.1103 / PhysRevD.87.092003.
  17. ^ T2K Collaboration (21 июня 2016 г.). «Измерение двойных дифференциальных взаимодействий мюонного нейтрино с заряженным током на C8H8 без пионов в конечном состоянии с использованием внеосевого пучка T2K». Физический обзор D. 93 (11): 112012. arXiv:1602.03652. Bibcode:2016ПхРвД..93к2012А. Дои:10.1103 / PhysRevD.93.112012.
  18. ^ T2K Collaboration (11 декабря 2015 г.). «Измерение квазиупругого сечения numu заряженного тока на углероде детектором ND280 на T2K». Физический обзор D. 92 (11). arXiv:1411.6264. Дои:10.1103 / PhysRevD.92.112003.
  19. ^ T2K Collaboration (21 февраля 2020 г.). «Первое совместное измерение сечения заряженного тока мюонного нейтрино и антинейтрино без пионов в конечном состоянии при T2K». arXiv:2002.09323 [hep-ex ].
  20. ^ T2K Collaboration (26 января 2017 г.). «Первое измерение сечения образования одиночного пиона мюонного нейтрино заряженного тока на воде с помощью ближнего детектора T2K». Физический обзор D. 95 (1): 012010. arXiv:1605.07964. Bibcode:2017ПхРвД..95а2010А. Дои:10.1103 / PhysRevD.95.012010.
  21. ^ T2K Collaboration (4 ноября 2016 г.). «Измерение когерентного образования пи + при низкоэнергетическом нейтрино-углеродном рассеянии». Письма с физическими проверками. 117 (19): 192501. arXiv:1604.04406. Bibcode:2016ПхРвЛ.117с2501А. Дои:10.1103 / PhysRevLett.117.192501. PMID  27858422.
  22. ^ T2K Collaboration (31 октября 2014 г.). «Измерение сечения взаимодействия нейтрино с кислородом с нейтральным током путем наблюдения гамма-излучения ядерного девозбуждения». Физический обзор D. 90 (7): 072012. arXiv:1403.3140. Bibcode:2014ПхРвД..90г2012А. Дои:10.1103 / PhysRevD.90.072012.
  23. ^ T2K Collaboration (сентябрь 2019 г.). «Измерение сечений заряженного тока мюонных нейтрино на воде, углеводородах и железе и их соотношений с помощью осевых детекторов T2K». Успехи теоретической и экспериментальной физики. 2019 (9): 093C02. arXiv:1904.09611. Bibcode:2019PTEP.2019i3C02A. Дои:10.1093 / ptep / ptz070.
  24. ^ а б c T2K Collaboration (13 сентября 2016 г.). «Предложение о расширенном пробеге T2K до 20 мес10 ^ {21} $ POT». arXiv:1609.04111 [hep-ex ].
  25. ^ Hyper-Kamiokande Collaboration (28 ноября 2018 г.). «Отчет о дизайне Hyper-Kamiokande». arXiv:1805.04163 [Physics.ins-det ].
  26. ^ T2K Collaboration (2 января 2013 г.). «Прогноз потока нейтрино Т2К». Физический обзор D. 87 (1): 012001. arXiv:1211.0469. Bibcode:2013ПхРвД..87а2001А. Дои:10.1103 / Physrevd.87.012001.
  27. ^ а б Антонова, М .; и другие. (2017). «Baby MIND: намагниченный спектрометр для эксперимента WAGASCI». arXiv:1704.08079. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  28. ^ а б Овсянникова, Т; и другие. (5 февраля 2016 г.). «Новый эксперимент WAGASCI по измерению сечения нейтрино из воды в углеводород с использованием пучка J-PARC». Journal of Physics: Серия конференций. 675 (1): 012030. Дои:10.1088/1742-6596/675/1/012030.
  29. ^ Асылбеков, С; и другие. (Сентябрь 2012 г.). «Внеосевой датчик пи – нуля T2K ND280». Ядерные инструменты и методы в физических исследованиях Секция A: ускорители, спектрометры, детекторы и связанное с ними оборудование. 686: 48–63. arXiv:1111.5030. Bibcode:2012NIMPA.686 ... 48A. Дои:10.1016 / j.nima.2012.05.028.
  30. ^ T2K ND280 TPC сотрудничество (май 2011 г.). «Временные проекционные камеры для ближних детекторов Т2К». Ядерные инструменты и методы в физических исследованиях Секция A: ускорители, спектрометры, детекторы и связанное с ними оборудование. 637 (1): 25–46. arXiv:1012.0865. Bibcode:2011НИМПА.637 ... 25А. Дои:10.1016 / j.nima.2011.02.036.
  31. ^ T2K ND280 FGD Collaboration (декабрь 2012 г.). «Мелкозернистые детекторы Т2К». Ядерные инструменты и методы в физических исследованиях Секция A: ускорители, спектрометры, детекторы и связанное с ними оборудование. 696: 1–31. arXiv:1204.3666. Bibcode:2012НИМПА.696 .... 1А. Дои:10.1016 / j.nima.2012.08.020.
  32. ^ T2K UK Collaboration (17 октября 2013 г.). «Электромагнитный калориметр для ближнего детектора Т2К НД280». Журнал приборостроения. 8 (10): P10019. arXiv:1308.3445. Bibcode:2013JInst ... 8P0019A. Дои:10.1088 / 1748-0221 / 8/10 / P10019.
  33. ^ Аоки, S; и другие. (Январь 2013). "Боковой мюонный дальномер (SMRD) T2K". Ядерные инструменты и методы в физических исследованиях Секция A: ускорители, спектрометры, детекторы и связанное с ними оборудование. 698: 135–146. arXiv:1206.3553. Bibcode:2013NIMPA.698..135A. Дои:10.1016 / j.nima.2012.10.001.
  34. ^ Сотрудничество Супер-Камиоканде (апрель 2003 г.). «Детектор Супер-Камиоканде». Ядерные инструменты и методы в физических исследованиях Секция A: ускорители, спектрометры, детекторы и связанное с ними оборудование. 501 (2–3): 418–462. Bibcode:2003NIMPA.501..418F. Дои:10.1016 / S0168-9002 (03) 00425-X.
  35. ^ Ояма, Юичи (2006). «Результаты K2K и статус T2K». Ядерная наука и безопасность в Европе. Безопасность НАТО через научную серию. С. 113–124. arXiv:hep-ex / 0512041. Дои:10.1007/978-1-4020-4965-1_9. ISBN  978-1-4020-4963-7.
  36. ^ K2K Collaboration (12 октября 2006 г.). «Измерение осцилляции нейтрино в эксперименте К2К». Физический обзор D. 74 (7): 072003. arXiv:hep-ex / 0606032. Bibcode:2006ПхРвД..74г2003А. Дои:10.1103 / PhysRevD.74.072003.
  37. ^ "Официальная страница эксперимента T2K - T2K Run 10".
  38. ^ Чо, Адриан (15 апреля 2020 г.). «Искривленное поведение нейтрино может помочь объяснить господство вещества над антивеществом». Наука | AAAS. Получено 19 апреля 2020.
  39. ^ https://www.bbc.com/news/science-environment-52297058
  40. ^ Протоколлаборация Hyper-Kamiokande (19 мая 2015 г.). "Физический потенциал эксперимента по осцилляции нейтрино с длинной базой с использованием пучка нейтрино J-PARC и гипер-Камиоканде". Успехи теоретической и экспериментальной физики. 2015 (5): 53C02–0. arXiv:1502.05199. Bibcode:2015PTEP.2015e3C02A. Дои:10.1093 / ptep / ptv061. ISSN  2050-3911.
  41. ^ а б c d е Протоколлаборация Hyper-Kamiokande (28 ноября 2018 г.). «Отчет о дизайне Hyper-Kamiokande». arXiv:1805.04163 [Physics.ins-det ].
  42. ^ а б c T2K Collaboration и J-PARC Neutrino Facility Group (14 августа 2019 г.). «Отчет о техническом проектировании J-PARC Neutrino Beamline Upgrade». arXiv:1908.05141 [Physics.ins-det ].
  43. ^ а б Друг, М. (сентябрь 2017 г.). «Программа модернизации ускорителя J-PARC и нейтринного пучка». Journal of Physics: Серия конференций. 888 (1): 012042. Bibcode:2017JPhCS.888a2042F. Дои:10.1088/1742-6596/888/1/012042. ISSN  1742-6588.
  44. ^ а б c d е T2K Collaboration (11 января 2019 г.). «Модернизация Т2К НД280 - Технический отчет». arXiv:1901.03750 [Physics.ins-det ].
  45. ^ а б «Проект Гипер-Камиоканде официально одобрен». 12 февраля 2020.
  46. ^ Протоколлаборация Hyper-Kamiokande (19 мая 2015 г.). «Физический потенциал эксперимента по осцилляциям нейтрино с длинной базой с использованием нейтринного пучка J-PARC и Hyper-Kamiokande». Успехи теоретической и экспериментальной физики. 2015 (5): 53C02–0. arXiv:1502.05199. Bibcode:2015PTEP.2015e3C02A. Дои:10.1093 / ptep / ptv061.
  47. ^ nuPRISM Collaboration (13 декабря 2014 г.). «Письмо о намерении создать детектор nuPRISM на линии нейтринного луча J-PARC». arXiv:1412.3086 [Physics.ins-det ].
  48. ^ nuPRISM Collaboration (7 июля 2016 г.). "Предложение по эксперименту NuPRISM на линии нейтринного луча J-PARC" (PDF).
  49. ^ Ёсида, Томойо (21 февраля 2018 г.). «Эксперимент J-PARC E61» (PDF). Зимний институт озера Луиза.

внешняя ссылка