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Articulo de referencia

experimento T2K

T2K (" Tokai to 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 media...

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T2K (" Tokai to 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 mediante 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 reconocido por el CERN (RE13). [ 2 ] [ 3 ] T2K recopiló datos durante su primera fase de operación desde 2010 hasta 2021. Se espera que la segunda fase de toma de datos ( T2K-II ) comience en 2023 y dure hasta el inicio del sucesor de T2K, el experimento Hyper-Kamiokande, en 2027. [ 4 ] : ​​12, 20

T2K fue el primer experimento que observó la aparición de neutrinos electrónicos en un haz de neutrinos muónicos . [ 5 ] También proporcionó la mejor medición mundial del parámetro de oscilación θ 23 [ 6 ] y un indicio de una asimetría materia-antimateria significativa en las oscilaciones de neutrinos. [ 7 ] [ 8 ] La medición de la asimetría de oscilación neutrino-antineutrino puede acercarnos a la explicación de la existencia de nuestro Universo dominado por la materia . [ 9 ] [ 10 ]

El intenso haz de neutrinos muónicos se produce en las instalaciones del J-PARC (Japan Proton Accelerator Research Complex) en Tokai, en la costa este de Japón. El haz se dirige hacia el detector lejano Super-Kamiokande, situado a 295 kilómetros (183 millas) 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 metros (920 pies) del lugar de producción del haz en el J-PARC, y luego de nuevo 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 trayecto entre los detectores cercanos y lejanos. El Super-Kamiokande es capaz de detectar interacciones tanto de neutrinos muónicos como electrónicos, y por lo tanto medir la desaparición del flujo de neutrinos muónicos, así como la aparición de neutrinos electrónicos en el haz. [ 11 ]  

programa de física

El experimento T2K se propuso en 2003 con los siguientes objetivos de medición: [ 11 ]

  • El descubrimiento de la νμ →νe oscilaciones, y por lo tanto la confirmación de que el último ángulo de mezcla desconocidoθ13no es cero.
  • Medición precisa de los parámetros de oscilación Δ m 2 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 diversas secciones transversales de interacción para diferentes tipos de neutrinos y blancos en un rango de energía de unos pocos GeV.

Desde que comenzó la recopilación de datos en 2010, el experimento T2K logró proporcionar una lista de resultados de primer nivel mundial:

δ CP toma valores de - π a π (es decir, de −180° a 180°) y puede medirse comparando las oscilaciones de neutrinos con las de antineutrinos. La simetría CP se conservaría, y por lo tanto las probabilidades de oscilación serían las mismas para neutrinos y antineutrinos, para δ CP igual a 0 o ± π . T2K proporcionó la primera y más fuerte restricción hasta ahora sobre δ CP , rechazando al nivel de significancia de 3σ (99,7%) casi la mitad de los valores posibles, descartando ambos puntos de conservación de CP al nivel de significancia del 95% y dando una fuerte sugerencia de que la violación de CP puede ser grande en el sector de los neutrinos. La violación de CP es una de las condiciones propuestas por el físico ruso Andrei Sakharov , necesaria para producir el exceso de materia con respecto a la antimateria en el universo temprano , que forma ahora nuestro Universo construido de materia . La violación de CP en la sección de quarks se confirmó ya en 1964, [ 25 ] pero es demasiado pequeña para explicar el desequilibrio materia-antimateria observado. La fuerte violación de CP en el sector de los neutrinos podría conducir a la producción de exceso de materia a través del proceso llamado leptogénesis y, por lo tanto, dicha medición sería un paso importante para comprender cómo se formó el Universo. [ 8 ] [ 26 ] [ 27 ]

El experimento NOvA es el otro experimento de oscilación de neutrinos capaz de medir δ CP a través de la comparación entre νμ →νe y νμ →νcanales de oscilación e . NOvA se lleva a cabo en Estados Unidos y mide la oscilación de neutrinos del acelerador a una distancia de 810 km en el trayecto entre el lugar de producción del haz enFermilaby el detector lejano enAsh River,Minnesota. NOvA proporcionó una medición menos precisa deδCP, que presenta una ligera discrepancia con el resultado de T2K. El punto de mejor ajuste de T2K se encuentra en la región desfavorecida por NOvA con un nivel de confianza del 90 %. Se están realizando trabajos para obtener un ajuste conjunto de los datos de ambos experimentos con el fin de cuantificar la consistencia entre ellos. [ 28 ] [ 29 ]

Se espera que las futuras actualizaciones de T2K proporcionen mediciones más precisas de los parámetros Δ m 2 23 y θ 23 , mediciones de sección transversal que extenderán nuestra comprensión de las interacciones de neutrinos y, por lo tanto, mejorarán los modelos teóricos utilizados en los generadores de neutrinos, así como una mayor restricción de la fase CP de δ y la confirmación de si la simetría CP se conserva o se viola en la oscilación de neutrinos al nivel de significancia de 3σ en el experimento T2K-II y de 5σ en el experimento Hyper-Kamiokande . [ 30 ] [ 31 ]

haz de neutrinos

Vista panorámica de toda la instalación.
Imanes superconductores en construcción en 2008 para desviar el haz de protones hacia Kamioka.
Esquema de producción de haces de neutrinos

T2K utiliza un haz de neutrinos muónicos o antineutrinos muónicos producido en la instalación J-PARC mediante un haz de protones acelerado gradualmente hasta 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 colisionan con un blanco de grafito , produciendo mesones , principalmente piones y kaones , que luego son enfocados por un conjunto de tres bocinas magnéticas y dirigidos a un túnel llamado volumen de desintegración. Dependiendo de la polaridad de las bocinas, se enfocan partículas positivas o negativas. Los piones y kaones positivos se desintegran principalmente en μ +y νμ , formando un haz de neutrinos muónicos, mientras que los piones y kaones negativos se desintegran principalmente enμ −y νμ , formando un haz de antineutrinos muónicos. Todoslos hadronesyleptonesson detenidos por un bloque de grafito de 75 toneladas (el llamado absorbedor de haz) y en el suelo, mientras que los neutrinos viajan bajo tierra hacia el detector lejano. [ 11 ]

haz fuera del eje

T2K es el primer experimento en el que se implementó el concepto de haz de neutrinos fuera del eje . El haz de neutrinos en J-PARC está diseñado para dirigirse de 2 a 3 grados fuera del detector lejano Super-Kamiokande y de 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 kilómetros (183 millas) es máxima para neutrinos de alrededor de 600 MeV. En este rango de energía de neutrinos, el tipo dominante de interacciones de neutrinos son las interacciones cuasielásticas de corriente cargada , para las cuales es posible reconstruir la energía del neutrino interactuante basándose únicamente en el momento y la dirección del leptón cargado producido. Las energías más altas de los neutrinos se suprimen por la configuración fuera del eje, lo que disminuye el número de interacciones con la producción de mesones, que son ruido de fondo en el análisis de oscilaciones en el experimento T2K. [ 11 ] [ 32 ]  

Detectores cercanos

El complejo detector cercano [ 11 ] está ubicado a una distancia de 280 metros (920 pies) del blanco de grafito. Su propósito es medir el flujo de neutrinos antes de las oscilaciones y estudiar las interacciones de neutrinos. El sistema consta de tres detectores principales: 

  • Detector INGRID (Red Interactiva de Neutrinos) ubicado en el eje del haz de neutrinos,
  • El detector ND280 está situado a 2,5° del eje del haz, es decir, al mismo ángulo que el detector más alejado.
  • WAGASCI-BabyMIND (WAter Grid SCIntillator Detector – prototipo Magnetized Iron Neutrino Detector) 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 a energías promedio de neutrinos más altas. [ 33 ] [ 34 ]

Lectura de señal

Principio de funcionamiento de un centelleador en los detectores cercanos T2K.

Excepto por las cámaras de proyección temporal en ND280, todo el material activo (que permite el seguimiento de partículas) de los detectores cercanos es centelleador plástico . La luz producida por las partículas cargadas que atraviesan las barras y planos de centelleador plástico se recoge mediante fibras de desplazamiento de longitud de onda y se detecta mediante contadores de fotones multipíxel Hamamatsu ubicados en uno o ambos extremos de las fibras. Las barras de centelleador están organizadas en capas, donde las barras de dos capas vecinas son perpendiculares entre sí, proporcionando conjuntamente información 3D sobre las partículas que las atraviesan. [ 11 ]

Detector INGRID

El objetivo principal del detector INGRID es monitorizar diariamente la dirección e 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 un brazo vertical y 7 en uno horizontal, además de 2 módulos fuera de la cruz. La altura y anchura de los brazos son de 10 metros (33 pies) . Cada módulo consta de capas alternas de hierro y centelleador plástico. Cuatro capas adicionales de centelleador rodean el módulo por los lados para distinguir las partículas que entran 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 centro de la cruz entre el brazo vertical y el horizontal, hay un módulo adicional construido únicamente con capas de centelleador 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. [ 11 ] 

Detector ND280

ND280 en construcción
Vista explosionada del detector ND280

El detector ND280 se utiliza para medir el flujo, el espectro de energía y la contaminación del haz de neutrinos electrónicos para el mismo ángulo fuera del eje que para el detector lejano. El ND280 también investiga varios tipos de interacciones de neutrinos y antineutrinos muónicos y electrónicos. Todo esto permite estimar el número y tipo de interacciones esperadas en el detector lejano, reduciendo el error sistemático en el análisis de oscilaciones de neutrinos asociado con los modelos de interacciones y flujo de neutrinos. [ 11 ]

ND280 se compone de un conjunto de subdetectores internos: un detector Pi-Zero y un rastreador con dos detectores de grano fino intercalados con tres cámaras de proyección temporal, ubicados dentro de un marco metálico llamado cesta. La cesta está rodeada por el calorímetro electromagnético y un imán reciclado del experimento UA1 que produce un campo magnético horizontal uniforme de 0,2 T y está instrumentada con planos centelleadores que constituyen el detector de alcance de muones laterales. [ 11 ]

Detector Pi-Zero

Esquema del detector Pi-Cero.

El Pi-Cero ( π 0El detector (P0D) contiene 40 planos de módulos de centelleo 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. Al comparar la cantidad de interacción entre modos con y sin agua en las bolsas, es posible extraer el número de interacciones de neutrinos que ocurren en el agua, el material objetivo dentro del detector lejano Super-Kamiokande. El tamaño de todo el volumen activo del P0D es de aproximadamente 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 neutros en las interacciones de neutrinos de corriente neutra sobre agua:

νμ + N →νμ + N' +π 0

Esta reacción puede imitar las interacciones de los neutrinos electrónicos porque los fotones de π 0La desintegración puede reconstruirse erróneamente como un electrón en el detector Super-Kamiokande, por lo que esta reacción puede imitar las interacciones de neutrinos electrónicos y constituir un fondo importante en la medición de la aparición de neutrinos electrónicos. [ 11 ] [ 35 ]

cámaras de proyección temporal

Las cámaras de proyección de tres tiempos (TPC) son cajas rectangulares herméticas, con un plano catódico en el centro y módulos MicroMegas de lectura a ambos lados, paralelos al cátodo. Las TPC están llenas de gas de deriva a base de argón a presión atmosférica. Las partículas cargadas que atraviesan la TPC ionizan el gas a lo largo de su trayectoria. Los electrones de ionización se desplazan desde el cátodo hacia los lados de la TPC, donde son detectados por el MicroMegas, que proporciona una imagen 3D de la trayectoria de la partícula cargada. 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 esta trayectoria permite determinar la carga y el momento de la partícula, y la cantidad de electrones de ionización por unidad de distancia se utiliza para identificar partículas según la fórmula de Bethe-Bloch . [ 11 ] [ 36 ]

Detectores de grano fino

Dos detectores de grano fino (FGD) se ubican después de los TPC primero y segundo. Juntos, los FGD y los TPC conforman el detector de seguimiento de ND280. Los FGD proporcionan la masa del blanco activo para las interacciones de neutrinos y son capaces de medir las trayectorias cortas del retroceso de protones. El primer FGD está compuesto únicamente por capas de centelleador, mientras que el segundo FGD está compuesto por capas alternas de centelleador y agua. El segundo FGD está compuesto parcialmente de agua porque el detector Super-Kamiokande se basa en agua. Las secciones transversales en carbono y en agua se pueden determinar a partir de una comparación de las interacciones de neutrinos en los dos FGD. [ 11 ] [ 37 ]

Calorímetro electromagnético

El calorímetro electromagnético (ECal) rodea los detectores internos (P0D, TPC, FGD) y consta de capas centelleadoras intercaladas con láminas absorbentes de plomo. Su función es detectar partículas neutras, especialmente fotones, y medir su energía y dirección, así como detectar partículas cargadas, proporcionando información adicional relevante para su identificación. [ 11 ] [ 38 ]

Detector de rango de muones laterales

El detector de rango de muones laterales (SMRD) consta de módulos centelleadores insertados en los huecos del imán. El SMRD registra los muones que escapan de las partes internas del detector en ángulos amplios con respecto a la dirección del haz. Los demás tipos de partículas (excepto los neutrinos) se detienen principalmente en el calorímetro. El SMRD también puede funcionar como disparador de rayos cósmicos . Finalmente, puede ayudar a identificar interacciones del haz en las paredes circundantes y en el propio imán. [ 11 ] [ 39 ]

WAGASCI-BabyMIND

El flujo de neutrinos T2K previsto en la ubicación de los detectores WAGASCI-BabyMIND (línea roja) y ND280 (línea negra).

WAGASCI-BabyMIND es un nuevo detector ubicado junto a los detectores INGRID y ND280, dedicado al estudio de la interacción de neutrinos . Proporcionó los primeros datos de haces de neutrinos utilizando una configuración completa del detector durante la campaña de invierno de 2019/2020. [ 33 ] [ 34 ]

El WAGASCI-BabyMIND consta de varios subdetectores:

  • Dos nuevos detectores de centelleo de agua (WAGASCI, WAter-Grid-SCIntillator-Detector) que actúan como principales blancos de agua y rastreadores de partículas. La estructura tridimensional en forma de cuadrícula de las barras centelleadoras crea cavidades huecas llenas de agua.

Gracias a dicha estructura, se obtuvo una alta relación de masa de agua a centelleador (80 % H₂O + 20 % CH) y la aceptación es alta y aproximadamente constante en todas las direcciones. [ 33 ] [ 34 ]

  • Un módulo de protones, igual que en el detector INGRID , hecho de barras de centelleador plástico simple (CH), que actúa como objetivo principal de CH y rastreador de partículas. [ 33 ] [ 34 ]
  • Dos detectores WallMRD (Wall Muon Range Detector) son espectrómetros de muones no magnetizados para detectar muones que se desplazan lateralmente. Están hechos de planos de hierro pasivos entrelazados con planos de centelleo activos. [ 33 ] [ 34 ]
  • BabyMIND (prototipo de detector de neutrinos de hierro magnetizado) es un espectrómetro de muones magnetizado para detectar muones que se propagan hacia adelante. BabyMIND presenta una configuración original de módulos de centelleo entrelazados con módulos de ferrita magnetizada , como un sándwich. Los módulos se pueden reorganizar fácilmente para adaptar el campo magnético a las necesidades específicas del experimento. El campo magnético se crea únicamente dentro de la ferrita, por lo que resulta muy eficiente energéticamente en comparación con los imanes que deben magnetizar espacios vacíos a su alrededor, como el ND280. Sin embargo, el campo magnético no es homogéneo en todo el volumen de viaje de los muones, lo que plantea un desafío aún abierto para la reconstrucción del momento. [ 33 ]

Todo el material activo de los detectores está compuesto de centelleador plástico y se lee como se explica en la sección Lectura de señal . [ 33 ] [ 34 ]

El objetivo principal del detector WAGASCI-BabyMIND es la reducción del error sistemático en el análisis de oscilaciones T2K , lo cual se logrará gracias a su complementariedad con respecto al detector ND280:

  • La diferencia en el material objetivo entre ND280 (80 % CH + 20 % H₂O ) y SK (H₂O puro ) nos obliga a recurrir a modelos de sección transversal para separar la estimación de la sección transversal de H₂O de la de CH. La fracción de agua en los módulos centelleadores de agua de WAGASCI es del 80 %, lo que permite medir la relación de la sección transversal de neutrinos de corriente cargada entre agua (H₂O ) y plástico (CH) con una precisión del 3 %. [ 33 ] [ 34 ]
  • El nuevo detector proporcionará mediciones de diversos canales de interacción de neutrinos de corriente cargada con alta precisión, un umbral de momento más bajo y aceptación angular completa. Esto limitará las incertidumbres de los modelos de flujo y sección transversal para las partículas producidas en ángulos elevados. Estas características también facilitarán la detección de hadrones de bajo momento producidos en la interacción del neutrino con estados ligados de 2 nucleones o mediante reinteracciones dentro del núcleo objetivo de partículas producidas por el neutrino, y por lo tanto, un mejor modelado de dichas interacciones en el detector lejano. [ 33 ] [ 34 ]
  • La ubicación a la misma distancia de 280 metros del blanco de grafito que los detectores ND280 e INGRID, pero con un ángulo fuera del eje diferente de 1,5 grados, provoca que el espectro de energía del haz de neutrinos presente picos alrededor de diferentes energías para cada uno de los ángulos fuera del eje correspondientes a los detectores. La combinación de las mediciones de estos detectores proporcionará una restricción mejorada sobre las secciones transversales de los neutrinos en función de su energía. [ 33 ] [ 34 ]

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, bajo el monte Ikeno en el área de Kamioka de la ciudad de Hida. Es un tanque cilíndrico de acero inoxidable de aproximadamente 40 m de altura y diámetro, lleno con 50.000 toneladas de agua e instrumentado 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 muones y electrones producidos en interacciones cuasielásticas de corriente cargada (CCQE) de νμ yνe , respectivamente. Debido a su masa relativamente grande, los muones generalmente no cambian de dirección y, por lo tanto, producen un cono bien definido de luz Cherenkov observado por los PMT como un anillo claro y nítido. En contraste, los electrones, debido a su menor masa, son más susceptibles a la dispersión y casi siempre producencascadas, observadas por los PMT como un anillo con bordes difusos. La energía del neutrino se calcula en función de la dirección y la energía de unleptónproducido en la interacción CCQE. De esta manera,νμ yνSe determinan los espectros, lo que lleva a la medición de los parámetros de oscilaciónrelevantes para la desaparición del neutrino muónico y la aparición del neutrino electrónico. [ 11 ] [ 40 ]

Historia

T2K es el sucesor del experimento KEK a Kamioka ( K2K ), que se llevó a cabo entre 1999 y 2004. En el experimento K2K , se produjo un haz acelerador de neutrinos muónicos en las instalaciones de KEK en Tsukuba ( Japón ) y se envió hacia el detector Super-Kamiokande , ubicado a 250  km de distancia. Los resultados del experimento K2K confirmaron, con un nivel de confianza del 99,9985 % (4,3 σ ), la desaparición de los neutrinos muónicos y fueron consistentes con las mediciones previas de los parámetros de oscilación medidos por el detector Super-Kamiokande para los neutrinos atmosféricos . [ 41 ] [ 42 ]

La construcción de la línea de haces de neutrinos comenzó en 2004 y se puso en marcha con éxito en 2009. La construcción del detector INGRID completo y la mayor parte del detector ND280 (sin la parte cilíndrica del calorímetro electromagnético) se completó en 2009. La parte faltante del calorímetro se instaló en otoño de 2010. El detector lejano T2K es el gran detector Super-Kamiokande, que ha estado en funcionamiento desde 1996 y estudia la vida media de los protones y las oscilaciones de los neutrinos atmosféricos , solares y de aceleradores . [ 11 ]

El experimento T2K comenzó a tomar datos de neutrinos para un análisis físico en enero de 2010, inicialmente con un detector ND280 incompleto, y a partir de noviembre de 2010 con la configuración completa. La toma de datos se interrumpió durante un año debido al Gran Terremoto de Tohoku en marzo de 2011. La potencia del haz de protones, y por lo tanto la intensidad del haz de neutrinos, fue aumentando constantemente, alcanzando en febrero de 2020 una potencia de 515  kW y un número total de protones acumulados en el blanco de 3,6 × 10²¹ protones [ 43 ] con el 55% de los datos en modo neutrino y el 45% en modo antineutrino. [ 4 ] : ​​12

Planes futuros

El experimento T2K operó en su forma actual hasta 2020. En 2021 se tomó la primera ejecución de datos con gadolinio cargado en el detector lejano Super-Kamiokande. [ 4 ] : 12 En 2021–2022 se realizará una actualización importante de la línea de haz de neutrinos y del detector cercano ND280. De 2023 a 2026 se tomarán datos de neutrinos dentro de la segunda fase del experimento T2K (T2K-II). [ 44 ] [ 30 ] En 2027, el sucesor del experimento T2K – el experimento Hyper-Kamiokande (HK) – se lanzará con el nuevo detector lejano Cherenkov de agua de 250 000 toneladas – el detector Hyper-Kamiokande . [ 4 ] : 20 [ 45 ] [ 46 ] También se considera la construcción de un detector Cherenkov de agua intermedio adicional a una distancia de aproximadamente 2 kilómetros (1,2 millas) para el experimento HK. [ 46 ] 

T2K-II

Se espera que la Fase II del experimento T2K comience a principios de 2023 y dure hasta 2026, seguida del inicio del experimento HK. La toma de datos comenzó en diciembre  de 2023. [ 47 ] Los objetivos físicos de T2K-II son una medición de los parámetros de oscilación θ 23 y Δ m 2 23 con 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 de neutrinos en un amplio rango de posibles valores reales de δ CP – el parámetro responsable de la asimetría CP (materia-antimateria). El logro de estos objetivos requiere la reducción de errores estadísticos y sistemáticos. Por lo tanto, se realizará una mejora significativa de la línea de haz y del detector ND280, el dopaje del agua SK con gadolinio para permitir la discriminación ν  / ν en el detector lejano, así como mejoras en el software y los métodos de análisis. [ 30 ] 

Actualización del haz

El plan de mejora del haz requiere un cierre de un año del acelerador del anillo principal de J-PARC en 2021, seguido de un aumento gradual y constante de la potencia del haz de protones hasta el inicio del experimento HK. La potencia del haz debería alcanzar los 750 kW en 2022 y luego aumentar a 1,3 MW para 2029. [ 48 ] 

En febrero de 2020, la potencia del haz de protones alcanzó los 515  kW con 2,7 × 10¹⁴ protones por pulso y con 2,48 segundos entre pulsos (el llamado ciclo de repetición). Para alcanzar los 750  kW, el ciclo de repetición se reducirá a 1,32 s con 2,0 × 10¹⁴ protones por pulso, mientras que para 1,3 MW el ciclo de repetición debe disminuirse aún más a 1,16 s y el número de protones por pulso debe aumentar a 3,2 × 10¹⁴ . Además de aumentar la potencia del haz de protones primario, la corriente en los bocinas que enfocan las partículas secundarias ( piones , kaones , etc.) con una carga eléctrica elegida también se incrementará de 250 kA a 320 kA. Esto aumentará la cantidad de neutrinos de signo correcto (neutrinos en el haz en modo neutrino y antineutrinos en el haz en modo antineutrino) en un 10%, y reducirá la cantidad de neutrinos de signo incorrecto (antineutrinos en el haz en modo neutrino y neutrinos en el haz en modo antineutrino) en aproximadamente un 5-10  %  . [ 48 ] [ 49 ]

La reducción del ciclo de repetición requerirá una serie de actualizaciones de hardware, incluyendo 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, las cuales se instalarán durante la parada prolongada en 2021. El aumento de la corriente de la bocina requerirá el uso de una fuente de alimentación adicional (tercera) para la bocina. Mientras tanto, la mayor potencia del haz de protones exige una mejora de la capacidad de refrigeración de los componentes de la línea de haz secundaria, como el blanco de grafito , las bocinas magnéticas y el absorbedor de haz, así como la eliminación de una mayor cantidad de agua de refrigeración irradiada. [ 48 ] [ 49 ]

Actualización ND280

Esquema de la parte interna del detector ND280 tras la actualización prevista.

El diseño actual del detector ND280 está optimizado para la detección y reconstrucción de leptones que se propagan hacia adelante ( muones y electrones ), pero también presenta varias limitaciones, como una baja eficiencia de reconstrucción de partículas producidas casi perpendicularmente y hacia atrás con respecto a la dirección del neutrino interactuante , así como un umbral de momento demasiado alto para reconstruir una gran parte de los piones producidos y los nucleones expulsados ​​(protones y neutrones). En las interacciones cuasielásticas de corriente cargada (CCQE), la interacción dominante en el detector cercano ND280, la cinemática del leptón producido es suficiente para la reconstrucción de la energía del neutrino incidente. Sin embargo, otros tipos de interacciones de neutrinos en las que se pierden partículas adicionales ( piones , kaones , nucleones ) pueden reconstruirse erróneamente como CCQE e introducir un sesgo en el espectro de energía del neutrino reconstruido. Por lo tanto, es esencial optimizar el detector para que sea sensible a partículas adicionales y efectos nucleares .

Para abordar estos problemas, es necesario adoptar tres medidas principales:

  • El detector debe detectar eficazmente los nucleones en el estado final de las interacciones de neutrinos. Para ello, es necesario reducir los umbrales de detección.
  • Las trayectorias con ángulos pronunciados y en sentido contrario deben reconstruirse correctamente. Esto se logra aumentando la aceptación angular y la eficiencia de la discriminación entre trayectorias en sentido contrario y en sentido contrario, utilizando información de temporización.
  • Finalmente, es necesario ampliar el volumen fiducial total (la masa disponible para las interacciones de neutrinos) de la parte del detector de trazas del detector ND280, que se caracteriza por una mejor capacidad de reconstrucción, para aumentar la tasa de interacciones de neutrinos.

La actualización del detector ND280 (ND280 Upgrade) satisface estos requisitos mediante la sustitución de una parte del subdetector P0D por tres nuevos subdetectores. La parte descendente existente, compuesta por dos detectores de centelleo de grano fino (FGD) y tres cámaras de proyección de tiempo (TPC), mantendrá su estructura tipo sándwich y seguirá detectando leptones y hadrones de alto momento que se propagan hacia adelante. La parte ascendente, que actualmente alberga el subdetector P0D, será sustituida por tres nuevos subdetectores: un blanco centelleante 3D (detector de grano superfino o SuperFGD), dos nuevas TPC situadas encima 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. [ 50 ] La instalación de los nuevos subdetectores en el ND280 se realizará en 2022. [ 44 ] [ 51 ] : 18

SuperFGD

El SuperFGD [ 52 ] es un detector de 2 x 2 x 0,5 metros (6 pies 7 pulgadas × 6 pies 7 pulgadas × 1 pie 8 pulgadas) que consta de aproximadamente 2 millones de cubos centelleantes de poliestireno de 1 cm³ . 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 blanco. 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 trazas cortas de forma casi uniforme en todas las direcciones. Debido a su geometría y acoplado 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 del antineutrino . [ 50 ]         

HATPC
TPC para la actualización ND280 del experimento T2K en Japón

Las cámaras de proyección temporal de alto ángulo (HATPC) rodearán el SuperFGD en el plano perpendicular al haz de neutrinos incidente. Su diseño es similar al de las TPC existentes, ya que ambas utilizan la tecnología de módulos MicroMegas para la reconstrucción de trazas. La principal novedad de las HATPC, además de su cobertura de alto ángulo, es el uso de la tecnología resistiva MicroMegas. [ 53 ] Esta consiste en aplicar una capa de material resistivo para aumentar la capacidad de compartición de carga de los módulos MicroMegas. Esto reduce el número de canales de lectura y permite una resolución espacial tan buena como la de las TPC actuales. [ 50 ]

TOF

Los seis detectores de tiempo de vuelo (TOF) que rodean los HATPC y SuperFGD son una serie de capas de centelleador plástico diseñadas para identificar el sentido de la dirección de las partículas mediante la medición del tiempo de vuelo de cada trayectoria que se cruza, con una resolución temporal del orden de 140 ps. [ 54 ] Se ha demostrado en el ND280 real que la capacidad de determinar el sentido de la dirección de la trayectoria es fundamental para reducir el ruido de fondo generado fuera de los detectores internos activos. [ 50 ]

Impacto en la física de la oscilación de neutrinos

El impacto de la actualización del ND280 en los análisis del T2K es doble. En primer lugar, un aumento en la estadística gracias al blanco SuperFGD de 2 toneladas permitirá casi duplicar la cantidad de datos en ciertas muestras. En segundo lugar, y más relevante, la nueva configuración permitirá una mejor detección de partículas adicionales del estado final: 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 fases disponible en el detector lejano (SK). Además, las partículas del estado final permitirán investigar efectos nucleares que son esenciales para restringir los efectos sistemáticos del análisis de oscilación. También es un paso importante en la transición al uso de modelos semiinclusivos o exclusivos en la física de oscilación de neutrinos, en contraposición a los modelos inclusivos actuales que solo utilizan el leptón del estado final en sus predicciones. [ 50 ]

SK-Gd

El tercer elemento a mejorar dentro de la fase II de T2K es la introducción de gadolinio en el Super-Kamiokande , que hasta ahora estaba lleno de agua ultrapura. SK no puede medir la carga de la partícula registrada. Eso significa que no es posible distinguir la interacción de neutrino de la de antineutrino basándose en la carga del leptón producido (por ejemplo, μ −es producido por νμ mientrasμ +por νμ ). En las interacciones (anti)neutrinos-núcleo, además de la producción de un leptón cargado, generalmente se obtiene unnucleóndelnúcleo. Debido ala conservación de la carga, para los neutrinos se obtiene principalmente un protón y para los antineutrinos, un neutrón:

νl +n→ℓ −+ p
νl +p→ℓ ++ n . [ 55 ] : 23

El umbral de energía Cherenkov (energía total mínima de una partícula cargada para producir luz Cherenkov ) es proporcional a la masa de la partícula, y en el agua es igual a 0,8 MeV para electrones, 160 MeV para muones y 1400 MeV para protones. [ 56 ] Por lo tanto, los protones liberados en interacciones de neutrinos a menudo caen por debajo del umbral y permanecen sin ser detectados. El neutrón, como partícula neutra, no produce luz Cherenkov. Sin embargo, puede ser absorbido por otro núcleo, que pasa a un estado excitado y durante la desexcitación produce rayos gamma . Los fotones de alta energía (para el gadolinio su energía total es de aproximadamente 8 MeV) dispersan electrones de un átomo y/o producen pares electrón-positrón , que luego producen luz Cherenkov. El gadolinio es un elemento que se encuentra en la naturaleza con la sección transversal más alta en la captura de neutrones a energía térmica . Para neutrones de 25 meV, la sección transversal para el gadolinio es aproximadamente 10⁵ veces mayor que para el hidrógeno . La fracción de neutrones que serán capturados en SK es del 50 % para una concentración de Gd del 0,01 % y del 90 % para una concentración del 0,1 %, la concentración final de Gd planificada en SK. La señal de captura de neutrones se retrasa una fracción de milisegundo (el tiempo que el neutrón viaja a través del agua antes de la captura más el tiempo en que el Gd permanece en estado excitado) con respecto a la señal del leptón cargado y generalmente aparece dentro de una distancia de 50  cm (la distancia recorrida por el neutrón antes de la captura) del punto de interacción del neutrino. Este evento de doble destello (el primer destello del leptón cargado, el segundo destello de los fotones de desexcitación del Gd) es una señal de una interacción de antineutrino. [ 57 ] [ 58 ]

La primera carga de 13 toneladas de Gd 2 (SO 4 ) 3 ·8 H 2 O ( sulfato de gadolinio(III) octahidratado ) en agua SK se realizó en julio-agosto de 2020 y dio como resultado una concentración de Gd del 0,011%. T2K recopiló sus primeros datos con Gd en SK en marzo-abril de 2021. El uso de agua dopada con gadolinio permitirá estudiar los neutrinos de supernovas remotas , para los cuales νLos e son los más reactivos en SK, pero aún eran indistinguibles de los neutrinos de otras fuentes. También mejorará el rendimiento del detector paraexplosionesde supernovasnuestra galaxiay permitirá estudiar mejor las diferencias materia-antimateria ende neutrinos de aceleradores. [ 57 ] [ 58 ]

Experimento hiper-Kamiokande

El sucesor del experimento T2K, el experimento Hyper-Kamiokande (HK), utilizará el sistema mejorado del acelerador y la línea de haz de neutrinos actualmente en uso, así como un conjunto mejorado del detector cercano. Además, se construirá un nuevo detector lejano, el detector Hyper-Kamiokande , y posiblemente también un nuevo detector intermedio . Parte de los trabajos de mejora relacionados con el haz y la mejora del detector ND280 se realizarán antes del inicio de la fase II del experimento T2K. Se espera que el experimento HK comience a operar alrededor del año 2027. [ 4 ] : 20 [ 46 ] [ 59 ] [ 60 ]

Véase también

Notas

  1. ↑ El veto es una parte del detector donde no se debe registrar ninguna actividad para aceptar un evento. Este requisito permite limitar la cantidad de eventos de fondo en una muestra seleccionada; en este caso, el fondo proveniente de partículas producidas fuera del detector.

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  • Sitio web oficial del experimento T2K
  • Sitio web oficial de Super-Kamiokande archivado el 18 de marzo de 2021 en Wayback Machine .
  • 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
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