Hyper-Kamiokande

Descrición xeral do experimento Hyper-Kamiokande

Hyper-Kamiokande (tamén chamado Hyper-K o HK) é un observatorio e experimento de neutrinos en construción, que se leva a cabo en Xapón pola colaboración de institutos de uns 20 países de seis continentes. Como sucesor dos experimentos Super-Kamiokande (tamén Super-K ou SK) e T2K, está deseñado para buscar desintegración de protóns e detectar neutrinos procedentes de fontes naturais como a Terra, a atmosfera, o Sol e o cosmos, así como para estudar oscilacións de neutrinos do feixe de neutrinos de acelerador artificial. O inicio da toma de datos está previsto para 2027.

As instalacións do experimento Hyper-Kamiokande estarán localizadas en dous lugares:

• O feixe de neutrinos producirase no complexo acelerador J-PARC (36°26′42″N 140°36′22″L) e estudado polo conxunto de detectores próximos e intermedios situados na localidade de Tokai, prefectura de Ibaraki, na costa Leste de Xapón.
• O detector principal, tamén chamado Hyper-Kamiokande (HK), estase construíndo baixo terra na cima da Montaña Nijuugo, na cidade Hida, Prefectura de Gifu, nos Alpes Xaponeses (36°21′20.105″N 137°18′49.137″L). O detector HK utilizarase para buscas de desintegracións de protóns, estudos de neutrinos provenientes de fontes naturais e servirá como detector afastado para a medida das oscilacións dun feixe de neutrinos de acelerador á distancia correspondente ao primeiro máximo de oscilación.

Desafortunadamente, ambos o experimento en conxunto e o Detector Afastado comparten o mesmo nome.

Programa de Física

Oscilacións de neutrinos de acelerador e atmosféricos

As oscilacións de neutrinos son un fenómeno de mecánica cuántica no cal os neutrinos cambian o seu sabor (estados de sabores de neutrinos:
ν
e,
ν
μ,
ν
τ) mentres se moven, causado polo feito de que os estados de sabor dos neutrinos son unha mistura dos estados de masa (ν₁, ν₂, ν₃ estados de masa con masas m₁ , m₂, m₃, respectivamente). As probabilidades de oscilación dependen de seis parámetros teóricos:

• tres ángulos de mistura (θ₁₂, θ₂₃ e θ₁₃) que rexen a mistura entre os estados de masa e sabor,
• dúas diferenzas cadradas de masa (∆m²₂₁ e ∆m²₃₂, onde ∆m² _ij = m²_i - m²_j)
• e unha fase δ_CP responsable da asimetría materia-antimateria nas oscilacións de neutrinos,

e dous parámetros que se elixen para un experimento en particular:

• enerxía dos neutrinos
• lonxitude percorrida: a distancia percorrida polos neutrinos nas oscilacións que estuda o experimento.

Continuando cos estudos realizados polo experimento T2K, o Detector Afastado de HK medirá os espectros de enerxía dos neutrinos de tipo electrón e muón co feixe producido en J-PARC (un feixe de neutrinos muónicos case puro), este espectro compararase co agardado no caso de que non haxa oscilacións, que se calcula inicialmente en base aos modelos de interacción e fluxo de neutrinos e se mellora mediante medicións realizadas polos detectores próximos e intermedios. Para a enerxía máxima do feixe de neutrinos HK/T2K (600 MeV) e a distancia do detector J-PARC - HK/SK (295 km), correspondente ao primeiro máximo de oscilación, para oscilacións levadas a cabo por ∆m²₃₂. O feixe de neutrinos de J-PARC proporcionará modos tanto neutrinos como antineutrinos por separado, o que significa que as medidas de neutrinos en cada modo proporcionarán información sobre a probabilidade de supervivencia dos antineutrinos muónicos P
_{ν
μ →
ν
μ}, P
_{ν
μ →
ν
μ}, e a probabilidade de aparición de antineutrino electrónico P
_{ν
μ →
ν
e}, P
_{ν
μ →
ν
e}, onde P_να → P_νβ é a probabilidade de que un neutrino, orixinalmente de sabor α, sexa observado máis tarde con sabor β.

A capacidade de Hyper-K para excluír a conservación de CP en función do verdadeiro valor de δ_CP

A comparación das probabilidades de aparición de neutrinos e antineutrinos (P
_{ν
μ →
ν
e} respecto de P
_{ν
μ →
ν
e}), permite medir a fase δ_CP. A fase δ_CP varía de −π a π (de −180° a 180°), e 0 e ±π corresponden á conservación da simetría CP. Despois de 10 anos de toma de datos, agárdase que HK confirme cun nivel de confianza de 5σ se a simetría CP se viola nas oscilacións de neutrinos para o 57% dos valores posibles de δ_CP. A violación CP é unha das condicións necesarias para acadar o exceso de materia sobre antimateria no universo primixenio, que forma agora o noso Universo construído con materia. Os neutrinos do acelerador tamén se utilizarán para mellorar a precisión dos outros parámetros de oscilación, |∆m²₃₂|, θ₂₃ e θ₁₃, como para os estudos de interacción de neutrinos.

Para poder determinar o ordeamento das masas dos neutrinos (é dicir, saber se o autoestado ν₃ é o máis lixeiro ou ben ou pola contra máis pesado que ambos autoestados ν₁ e ν₂), ou equivalentemente o signo (descoñecido por agora) do parámetro ∆m²₃₂, debemos observar oscilacións de neutrinos en materia. Cos feixes de neutrinos que utilizará HK (295 km, 600 MeV), o efecto de materia é pequeno. No entanto a maiores de neutrinos de feixes artificiais, HK estuda neutrinos atmosféricos, creados polos raios cósmicos que impactan contra a atmosfera da Terra. Estes neutrinos son producidos en todos os puntos do globo, o que implica que HK ten acceso a neutrinos que percorreron un rango moi amplo de distancias a través de materia (dende uns poucos centos de metros ao propio radio da Terra. Estas mostras de neutrinos poden utilizarse para determinar o ordeamento das masas dos neutrinos.

Finalmente, unha análise combinada de neutrinos de feixes e atmosféricos proporcionará a maior sensibilidade aos parámetros de oscilación δ_CP, |∆m²₃₂|, sgn ∆m²₃₂, θ₂₃ e θ₁₃.

Astronomía de neutrinos e xeoneutrinos

As explosións de supernova producen grandes cantidades de neutrinos. Para unha supernova na galaxia de Andrómeda, agardánse entre 10 e 16 eventos de neutrinos no Detector Afastado de HK. Para unha supernova galáctica a unha distancia de 10 kpc agárdanse entre 50.000 e 94.000 interaccións de neutrinos no detector HK durante unhas poucas decenas de segundos. Para Betelgeuse, a unha distancia de 0,2 kpc, esta velocidade podería alcanzar ata 10⁸ interaccións por segundo, este rateo tan elevado tívose en conta no deseño do sistema electrónico e de adquisición de datos do detector (DAQ), asegurándose así que non se perden datos. Os perfís temporais do número de eventos rexistrados en HK e a súa enerxía media permitirían probar modelos de explosión. A información direccional de neutrinos no Detector Afastado de HK pode proporcionar información anticipada para a observación de supernovas electromagnéticas, así como tamén se pode usar noutras observaciones de multimensaxeiro.

Os neutrinos producidos acumulativamente por explosións de supernovas ao longo da historia do universo denomínanse (en inglés) Supernova Relic Neutrinos (SRN) ou fondo difuso de neutrinos de supernova (DSNB) e conteñen información sobre a historia da formación estelar. Debido a un baixo fluxo (unhas poucas decenas/(cm² × s)), aínda non foron descubertos. Con dez anos de toma de datos, agárdase que HK detecte arredor de 40 eventos SRN no rango de enerxía de 16 a 30 MeV.

Para os ν solares, os obxectivos de HK son, entre outros:

• Busca dunha asimetría día-note no fluxo de neutrinos, resultante das diferentes distancias percorridas na materia (durante a noite, os neutrinos tamén cruzan a Terra antes de pasar polo detector) e, polo tanto, das diferentes probabilidades de oscilación causadas polo ou efecto materia.
• Medida da probabilidade de supervivencia de ν_e para enerxías entre 2 e 7 MeV, é dicir, entre rexións dominadas por oscilacións no baleiro e oscilacións na materia respectivamente, que é sensible aos novos modelos de física, como neutrinos estériles ou interaccións non estándar.
• A primeira observación de neutrinos da canle hep: ${^{3}}{\text{He}}+{\text{p}}\to {^{4}}{\text{He}}+{\text{e}}^{+}+\operatorname {\nu } _{\text{e}}$ predita polo modelo solar estándar.
• Comparación do fluxo de neutrinos coa actividade solar (por exemplo, o ciclo solar de 11 anos).

Os xeoneutrinos prodúcense na desintegración de radionucleidos dentro da Terra. Os estudos de xeoneutrinos Hyper-Kamiokande axudarán a avaliar a composición química do núcleo da Terra, que está relacionada coa xeneración do campo xeomagnético.

Desintegración de protóns

A desintegración do protón dun protón libre en partículas subatómicas máis lixeiras nunca foi observada, pero está predita por algunhas grandes teorías unificadas (GUT) e foi proposta por primeira vez como unha das condicións necesarias para explicar a asimetría bariónica da materia sobre a antimateria no universo. As principais canles estudadas por HK son
p+
→
e+
+
π0
, sendo este o preferido por moitos modelos GUT e
p+
→
ν
+
K+
predito polas teorías que inclúen supersimetría. Despois de dez anos de toma de datos (no caso de que non se observe desintegración), agárdase que HK aumente o límite inferior da vida media do protón de 1,6x10³⁴ a 6,3x10 ³⁴ anos para a súa canle de desintegración máis sensible (
p+
→
e+
+
π0
) e de 0,7x10³⁴ a 2,0 x10³⁴ anos para a canle
p+
→
ν
+
K+
.

Materia Escura

A Materia escura é unha forma hipotética de materia non luminosa proposta para explicar numerosas observacións astronómicas que suxiren a existencia de masa invisible adicional nas galaxias. Se as partículas de materia escura interactúan feblemente, poden producir neutrinos a través de aniquilación ou desintegración. Eses neutrinos poderían ser visibles no detector HK como un exceso de neutrinos desde a dirección de grandes potenciais gravitacionais como o centro galáctico, o Sol ou a Terra. Sobre un fondo isotrópico neutrino atmosférico.

Descrición do experimento

O experimento Hyper-Kamiokande consiste nunha liña de luz de neutrino acelerador, un conxunto de detectores próximos, o detector intermedio e el detector afastado (tamén chamado Hyper-Kamiokande). O detector afastado por si mesmo utilizarase para pesquisas e estudos de desintegración de protóns de neutrinos de fontes naturales. Todos os elementos anteriores servirán para os estudos do acelerador oscilación de neutrinos. Antes de operar o experimento HK, o experimento T2K finalizará a toma de datos e HK farase cargo do seu feixe de neutrinos e o seu conxunto de detectores próximos, mentres que os detectores intermedio e afastado deberanse construír de novo.

O fluxo de neutrinos muónicos no detector IWCD para distintos ángulos fóra de eixo

O fluxo de neutrinos electrónicos no detector IWCD para distintos ángulos fóra de eixo

Detector de Cherenkov de Auga Intermedio

O detector intermedio Cherenkov de auga (IWCD) ubicarase a unha distancia de 0,7 kilometres (0,43 mi)-2,0 kilometres (1,2 mi) do lugar de produción de neutrinos. Será un cilindro cheo de auga de 10 metres (33 ft) de diámetro e 50 metres (160 ft) de altura cunha estrutura de 10 metres (33 ft) de altura instrumentada con arredor de 400 módulos multi-PMT (Tubos multifotomultiplicadores ou mPMTs polas súas siglas en inglés), os cales consisten de dazanove Tubos Fotomultiplicadores (PMTs polas súas siglas en inglés) dun diámetro de 8 centimetres (3,1 in) encapsulados nunha cuberta estanca. A estrutura moverase en dirección vertical mediante un sistema de grúa, isto proporcionará medidas das interaccións de neutrinos en diferentes ángulos de produción (ángulos con respecto ao centro do feixe de neutrinos), que van desde 1° na parte inferior ata 4° na superior, e así para diferentes espectros de enerxía de neutrinos. Combinando os resultados desde diferentes ángulos de produción é posíbel extraer os resultados do espectro de neutrinos case monoenerxético sen depender de modelos teóricos de interaccións de neutrinos para reconstruír a enerxía dos neutrinos. O uso do mesmo tipo de detector que no Detector Afastado, con case a mesma aceptación angular e de momento, permite a comparación dos resultados de estes dous detectores sen depender de simulacións de resposta do detector. Estes dous feitos, independentes dos modelos de interacción de neutrinos e de respuesta dos detectores, permitirán minimizar o erro sistemático na análise de oscilacións. As vantaxes adicionais deste deseño do detector é a posibilidade de buscar patróns de oscilacións estériles para diferentes ángulos de produción e obter unha mostra máis limpa da interacción dos
ν
e, onde a súa fracción é maior ángulo fóra de eixo máis elevados.

Detector afastado Hyper-Kamiokande

Esquema do Detector Afastado de Hyper-Kamiokande, un detector de Cherenkov de auga

O detector Hyper-Kamiokande construirase 650 metres (2 130 ft) baixo a cima da montaña Nijuugo na mina de Tochibora, 8 kilometres (5,0 mi) ao sur do detector Super-Kamiokande (SK). Ambos detectores estarán situados co mesmo ángulo (2,5°) respecto do feixe de neutrinos e á mesma distancia (295 kilometres (183 mi)) do lugar de produción do feixe.

Estrutura cos PMTs R12860 para o Detector Interior do Detector Afastado de Hyper-Kamiokande.

Prototipo dun mPMT para o Detector Interior do Detector Afastado de Hyper-Kamiokande

Esquema dun mPMT para o Detector Interior do Detector Afastado de Hyper-Kamiokande

Fotomultiplicador (PMT) de 3 pulgadas e placa WLS (Wavelength-Shifter polas súas siglas en inglés) para o Detector Externo de Detector Afastado de Hyper-Kamiokande

HK será un detector de auga Cherenkov, 5 veces máis grande (258 kton de auga) que o detector SK. Será un tanque cilíndrico de 68 metres (223 ft) de diámetro e 71 metres (233 ft) de altura. O volume do tanque dividirase no detector interior (ID) e no detector exterior (OD) mediante unha estrutura cilíndrica inactiva de 60 cm de ancho, co seu bordo exterior colocado a 1 m da vertical e a 2 m das paredes horizontais do tanque. A estrutura separará ópticamente o ID do OD e conterá Tubos Fotomultiplicadores (PMT polas súas siglas en inglés) mirando tanto cara o interior do ID como cara o exterior do OD. No ID, haberá polo menos 20 000 tubos PMT de 50 centimetres (20 in) de diámetro de tipo R12860 de Hamamatsu Photonics e aproximadamente 800 módulos multi-PMT (mPMT).). Cada módulo mPMT consta de dezanove tubos fotomultiplicadores de 8 centimetres (3,1 in) de diámetro encapsulados nun recipiente impermeable. O OD instrumentarase con alo menos 3600 PMT de 8 centimetres (3,1 in) de diámetro xunto con placas de 0,6x30x30 cm³ modificadoras de lonxitude de onda (wavelength shifting, WLS, en inglés) (as placas recollerán os fotóns incidentes e transportaraos ao PMT que teñen asociado) e servirá como veto para distinguir as interaccións que ocorren no interior do detector das partículas que proceden do exterior do detector (principalmente muóns de raios cósmicos).

Feixe de neutrinos de J-PARC a Korea

A construción do detector HK comezou en 2020 e agárdase que a toma de datos comece en 2027. Tamén se realizaron estudos sobre a factibilidade e beneficios físicos de construír un segundo tanque de auga Cherenkov idéntico en Korea do Sur a uns 1100 km del J-PARC, que estaría operativo 6 anos despois do primeiro tanque.

Historia e cronograma

Cronograma de construción do detector Hyper-Kamiokande

Un histórico de grandes detectores Cherenkov de auga en Xapón, e experimentos de longa distancia de oscilacións de neutrinos asociados a eles, excluíndo HK.

• 1983-1996: O experimento Kamiokande (Kamioka Nucleon Decay Experiment), co obxectivo principal de atopar que o protón se desintegra. Kamiokande foi o predecesor de Super-Kamiokande.

• 1996-present: O experimento Super-Kamiokande, predecesor de Hyper-Kamiokande, estuda neutrinos de fontes naturais e busca tamén desintegración do protón.

• 1999–2004: O experimento K2K, predecesor do experimento T2K.

• 2010–present: Experimento T2K, predecesor de Hyper-Kamiokande, que estuda neutrinos provenientes dun acelerador.

Historia do experimento Hyper-Kamiokande

• Setembro de 1999: Presentación das primeiras ideas.

• 2000: O nome "Hyper-Kamiokande" utilízase por primeira vez.

• Setembro de 2011: Envío da carta de intencións, ou Letter Of Intent (LOI) en inglés.

• Xaneiro de 2015: MoU para a cooperación no proxecto Hyper-Kamiokande firmado por dúas institucións anfitrioas: ICRR (Instituto de Investigación de Raios Cósmicos) e KEK. Formación da protocolaboración Hyper-Kamiokande.

• Maio de 2018: Informe de deseño Hyper-Kamiokande

• Setembro 2018: Fondos do Ministerio de Educación, Cultura, Deportes e Ciencia (Seed funding from MEXT en inglés) recibidos en 2019.

• Febreiro 2020: O proxecto é aprobado oficialmente polo Japanese Diet.

• Xuño de 2020: Formación da colaboración Hyper-Kamiokande.

• Maio de 2021: Inicio da excavación do túnel de acceso ao detector HK

• 2021: Inicio da produción en masa dos tubos fotomultiplicadors.

• Febreiro 2022: Finalización da construción do túnel de acceso.

• Outubro de 2023: Finalización da sección da cúpula da caverna principal do detector HK.

Notas

Referencias

Véxase tamén

Bibliografía

• Normile, D (2015). "Particle physics. Japanese neutrino physicists think really big". Science 347 (6222): 598. PMID 25657225. doi:10.1126/science.347.6222.598. 

Outros artigos

• Super-Kamiokande

Ligazóns externas

• Páxina Web de Hyper-Kamiokande