Кіріспе

Жапониядағы ұзақ негізді нейтрино эксперименті T2K ("Токайдан Камиокаға дейін") - бұл акселератордағы нейтринолардың тербелістерін зерттейтін бөлшектер физикасының эксперименті. Бұл эксперимент Жапонияда Еуропа, Азия және Солтүстік Американың бірнеше елдерінің 60-тан астам ғылыми-зерттеу мекемелерімен 500-ге жуық физиктер мен инженерлердің халықаралық ынтымақтастығы арқылы жүргізіліп жатыр және ол CERN-тің танылған эксперименті (RE13) болып табылады. T2K 2010 жылдан 2021 жылға дейінгі алғашқы кезеңінде деректер жинады. Деректерді жинаудың екінші кезеңі (T2K II) 2023 жылы басталады және 2027 жылы T2K-ның жалғастырушысы - Гипер Камиоканде эксперименті басталғанға дейін жалғасады деп күтілуде. T2K - бұл мюондық нейтрино сәулесінде электронды нейтриноның пайда болуын байқаған алғашқы тәжірибе. Сонымен қатар, ол θ23 тербеліс параметрін әлемдегі ең жақсы өлшеуді және нейтрино тербелістеріндегі маңызды материялық-антиматериялық асимметрияның белгісін берді. Нейтрино-антинейтрино тербелісі асимметриясын өлшеу бізді материя үстемдік ететін ғаламның бар екендігін түсіндіруге жақындатады. Мюондық нейтриноның күшті сәулесі Жапонияның шығыс жағалауындағы Токайдағы J PARC (Жапонияның протондық жеделдетуші ғылыми кешені) қондырғысында шығарылады. Бұл сәуле Гифу префектурасының Хида қаласында орналасқан супер-Камиоканде алыстағы детекторына бағытталған. Нейтрино ағынының қасиеттері мен құрамы алдымен J PARC-те сәуле шығару орнынан орналасқан жақын детекторлар жүйесімен, содан кейін Super Kamiokande детекторда өлшенеді. Осы екі жердегі әртүрлі нейтрино ароматтарының мазмұнын салыстыру жақын және алыс детекторлар арасындағы жолда тербелістердің ықтималдығын өлшеуге мүмкіндік береді. Супер Камиоканде муондық және электронды нейтринолардың өзара әрекеттесуін байқай алады, осылайша муондық нейтрино ағынының жоғалуын, сондай-ақ сәуледегі электронды нейтриноның пайда болуын өлшей алады.

Нейтрино сәулесі

T2K үш жылдамдатушыдан тұратын жүйе арқылы біртіндеп 30 ГеВ жылдамдатылған протондық сәулелерді пайдалана отырып, J PARC қондырғысында өндірілген мюондық нейтрино немесе мюондық антинейтрино сәулелерін қолданады: алдымен Linac сызықтық жылдамдатушы арқылы 400 МеВ энергияға дейін, содан кейін RCS (тезі циклді синхротрон) арқылы 3 ГеВ-ға дейін, ақырында MR синхротрон (негізгі сақина) арқылы 30 ГеВ-ға дейін. Протондар графит нысанасымен соқтығысып, мезондар, негізінен пиондар мен каондар пайда болады, содан кейін олар үш магниттік мүйіздің жиынтығымен шоғырланады және ыдыраған көлем деп аталатын туннельге бағытталады. Мүйіздер полярлығына байланысты оң немесе теріс бөлшектер шоғырланады. Оң пиондар мен каондар негізінен и , мюондық нейтрино сәулесін қалыптастыра отырып, ал теріс пиондар мен каондар негізінен и и , мюондық антинейтрино сәулесін қалыптастыра отырып ыдырайды. Қалған барлық адрондар мен зарядталған лептондар 75 тонналық графит блогымен (ағылш. сәуле құйылу) және жерде тоқтатылады, ал нейтринолар жер астынан алыс детекторға қарай жүреді.

Сигналды оқу

ND280-дегі Уақытты проекциялау камераларын қоспағанда, жақын детекторлардың барлық белсенді материалы (бөлшектерді қадағалауды қамтамасыз ету) пластикалық сцинтиллятор болып табылады. Пластикалық сцинтилляторлардың сыры мен жазықтықтарындағы зарядталған бөлшектерден өтетін жарық толқын ұзындығы ауысатын талшықтармен жиналады және талшықтардың бір немесе екі шетінде орналасқан Hamamatsu көп пикселді фотондар есептеуіштерімен анықталады. Сцинтилляторлардың сырық сырықтары қабаттарға бөлінген, онда екі көршілес қабаттағы сырықтар бір-біріне перпендикуляр болып, бірге өтетін бөлшектер туралы 3D ақпаратты береді. сцинтиллятор қабаттары модульді сыртқы жағынан енетін бөлшектерді модульдің ішкі әсерлесуінен пайда болған бөлшектерден ажырату үшін қоршап тұрады. Бір модульдегі темірдің жалпы массасы 7,1 тоннаны құрайды және модуль салмағының 96% құрайды. Нейтрино сәулесі осі бойынша, тік және көлденең қол арасындағы қиылыстың ортасында 0,55 тонна массасы бар пластмассадан жасалған сцинтиллятордың қабаттарынан (протон модулі) құралған қосымша модуль бар. Оның мақсаты квазиэластикалық өзара әрекеттесулерді тіркеп, алынған нәтижелерді симуляциямен салыстыру.

Уақытты проекциялау камералары

Үш уақыт проекция камерасы (ТТК) - ортасында катод жазықтығы бар және екі жағында катодқа параллель MicroMegas модульдері бар газ өткізбейтін тікбұрышты қораптар. ТПК-лар атмосфералық қысыммен аргон негізіндегі дрейфтік газбен толтырылады. ТПК арқылы өтетін зарядталған бөлшектер өздерінің жолын бойлай газды иондастырады. Иондау электрондары катодтан TPC-нің жақтарына қарай ағылады, онда оларды MicroMegas байқап, жүкті бөлшектің жүріс жолының 3D бейнесін береді. Y және Z координаттары MicroMegas модульдеріндегі анықталған иондау электрондарының орналасуына негізделген, ал X координаты электрондардың дрейф уақытына негізделген. Магниттік өрісте бұл жолдың қисықтығы бөлшектің заряды мен импульсін анықтауға мүмкіндік береді, ал Бет Блох формуласына негізделген бөлшектерді анықтау үшін бірлік қашықтыққа иондау электрондарының мөлшері қолданылады.

Ұсақ түйірлі детекторлар

Бірінші және екінші TPC-ден кейін екі ұсақ түйірлі детектор (FGD) орналастырылады. ФГД және ТПК бірге ND280 ізденушісін құрайды. FGD-лер нейтрино өзара әрекеттесуінің белсенді нысана массасын қамтамасыз етеді және протон кері қайтуының қысқа жолдарын өлшеуге қабілетті. Бірінші FGD тек сцинтиллятор қабаттарынан, ал екінші FGD сцинтиллятор мен судың кезектесіп қабаттарынан тұрады. Екінші FGD ішінара судан тұрады, өйткені Super Kamiokande детекторы суға негізделген. Көміртегі мен судағы қималарды екі FGD-дегі нейтрино өзара әрекеттесуін салыстыру арқылы анықтауға болады.

Электромагниттік калориметр

Электромагниттік калориметр (ECal) ішкі детекторларды (P0D, TPC, FGD) қоршап тұрады және қорғасын сіңіретін табақтармен сымбатталған сцинтиллятор қабаттарынан тұрады. Оның рөлі бейтарап бөлшектерді, әсіресе фотондарды анықтау және олардың энергиясы мен бағытын өлшеу, сондай-ақ зарядталған бөлшектерді анықтау және оларды анықтау үшін қосымша ақпарат беру болып табылады.

Бүйірлік мюондық қашықтық детекторы

Бүйірлік мюондық диапазонды детектор (SMRD) магниттегі саңылауларға енгізілген сцинтиллятор модульдерінен тұрады. SMRD детектордың ішкі бөліктерінен шығатын мюонды сәуле бағытына қатысты үлкен бұрыштарда тіркейді. Қалған бөлшектер түрлері (нейтринолардан басқа) көбінесе калориметрде тоқтатылады. SMRD сонымен қатар ғарыш сәулелерін де қозғай алады. Соңында, бұл қоршау қабырғалардағы және магниттің өзіндегі сәуле өзара әрекеттесуін анықтауға көмектеседі.

WAGASCI-BabyMIND

WAGASCI BabyMIND - бұл INGRID және ND280 детекторларының жанында орналасқан, нейтриноның өзара әрекеттесуін зерттеуге арналған жаңа детектор. Ол 2019/2020 жылғы қысқы рейд кезінде толық детекторды пайдалану арқылы алғашқы нейтрино сәулесі деректерін ұсынды.

Тарих

T2K 1999 жылдан 2004 жылға дейін жүргізілген KEK-тен Камиокаға (K2K) экспериментінің жалғастырушысы. K2K эксперименті кезінде Цукубадағы (Жапония) KEK қондырғысында мюон нейтриноларының жеделдетуші сәулесі шығарылды және 250 км қашықтықта орналасқан Super Kamiokande детекторына жіберілді. K2K экспериментінің нәтижелері 99,9985% (4.3 σ) сенімділік деңгейінде мюон нейтриноларының жоғалуын растады және атмосфералық нейтринолар үшін Super Kamiokande детекторымен өлшенген тербеліс параметрлерінің алдыңғы өлшемдерімен сәйкес келді. Нейтрино сәуле желісінің құрылысы 2004 жылы басталды және ол 2009 жылы сәтті іске қосылды. INGRID детекторының барлық бөлігі мен ND280 детекторының көпшілігі (электромагниттік калориметрдің баррельді бөлігі жоқ) 2009 жылы аяқталды. Калометрдің жетіспейтін бөлігі 2010 жылдың күзінде орнатылған. T2K алыстағы детекторы - 1996 жылдан бері жұмыс істеп келе жатқан ірі Super Kamiokande детекторы, ол атмосфералық, күн және акселератор нейтриноларының протон өмір сүру мерзімін және тербелістерін зерттейді. 55% мәлімет нейтрино режимінде және 45% антинейтрино режимінде. HK эксперименті үшін шамамен 200 км қашықтықта қосымша аралық суды Cherenkov детекторының құрылысы қарастырылуда. 2020 жылдың ақпан айында протондық сәуле қуаты 515 кВт-қа жетті, бір импульске 2,7x1014 протон және импульстер арасында 2,48 секунд (қайталану циклі деп аталады). 750 кВт-қа жету үшін қайталану циклы 2,0x1014 протонмен 1,32 с-қа дейін азаяды, ал 1,3 МВт-қа қайталану циклы 1,16 с-қа дейін азаяды және импульс бойынша протон саны 3,2x1014-ға дейін өседі. Протондық сәулелердің негізгі қуатын арттырумен қатар, кернеудің мүйіздердегі екіншілік бөлшектерді (пион, каон және т.б.) таңдалған электр зарядымен 250 кА-дан 320 кА-ға дейін көтеріледі. Бұл оң белгідегі нейтринолардың санын (нейтринолық режимдегі сәуледегі нейтринолар мен антинейтринолық режимдегі сәуледегі антинейтринолар) 10% -ға арттырады және дұрыс белгідегі нейтринолардың санын (нейтринолық режимдегі антинейтринолар мен антинейтринолық режимдегі нейтринолар) шамамен 5 10% -ға азайтады. Қайталану циклін азайту үшін жабдықты жаңартулар сериясы қажет болады, соның ішінде негізгі сақинаның қуат көздерін күрделі жаңарту және фокустау мүйізінің қуат көздерін кішігірім жаңарту, олардың барлығы 2021 жылы ұзақ уақыт бойы жабылуы кезінде орнатылады. Мүйіз тоғын арттыру үшін қосымша (үшінші) мүйіз қуат көзін пайдалану қажет. Сонымен қатар, протондық сәуле қуатының жоғары болуы графит нысанасы, магниттік мүйіздер және сәуле шығару сияқты екіншілік сәуле желісінің компоненттерінің салқындату қабілетін арттыруды, сондай-ақ сәулеленген салқындату суын көбірек жоюды талап етеді. ND280-ге жаңа суб-детекторларды орнату 2022 жылы жүзеге асырылады.

SuperFGD

SuperFGD - шамамен 2 миллион 1 см3 сцинтилляциялық полистирол кубтарынан тұратын детектор. Кюбиктер нысанадағы өзара әсерлесу кезінде пайда болған бөлшектердің сәулесін анықтау үшін жасалған оптикалық талшықтар сериясымен тоқылған. Қазіргі FGD-ден айырмашылығы, SuperFGD-де 3 еселенген проективті 2D-оқулар бар, бұл 3D-оқуды қамтамасыз етеді. Бұл конфигурация барлық бағытта қысқа жолдарды біркелкі түрде анықтауға мүмкіндік береді. Геометриясы және TOF және HATPC-мен біріктірілген SuperFGD жылдам нейтрондарды байқай алады, бұл антинейтрино энергиясын қалпына келтіруде пайдалы болуы мүмкін. Соңғысы MicroMegas модульдерінің зарядты бөлісу мүмкіндігін арттыру үшін резистивті материал қабаттарын қолданудан тұрады. Бұл оқу арналарының санын азайтады және қазіргі ТКК-дағыдай жақсы кеңістіктік ажыратылуға мүмкіндік береді. НД280-де жолдың бағытын анықтау мүмкіндігі белсенді ішкі детекторлардан тыс жерде пайда болатын фонды азайту үшін маңызды екені дәлелденді. Черенков энергиясы шегі (зарядталған бөлшектің жарық шығару үшін ең аз жалпы энергиясы) бөлшектің массасына пропорционалды, ал суда ол электрондар үшін 0,8 МеВ, мюондар үшін 160 МеВ және протондар үшін 1400 МеВ тең. Осылайша, нейтриноның өзара әрекеттесуі кезінде бөлінген протондар жиі шектен төмен түсіп, байқалмай қалады. Нейтрон бейтарап бөлшегі ретінде Черенков жарығын шығармайды. Алайда, оны басқа ядро сіңіре алады, ол қозғайды және қоздыру кезінде гамма сәулелерін шығарады. Жоғары энергиялы фотондар (гадолиний үшін олардың жалпы энергиясы шамамен 8 МЕВ) атомнан электронды шашыратады және / немесе электронды позитрон жұптарын шығарады, содан кейін Черенков жарығын шығарады. Гадолиний - жылу энергиясында нейтрондарды ұстауға байланысты ең жоғары көлденең қимасы бар табиғи элемент. 25 меВ нейтрондар үшін гадолинийдің қимасы сутегінен 105 есе жоғары. Нейтрондардың SK-те ұсталатын үлесі 0,01% Gd концентрациясы үшін 50% және 0,1% концентрациясы үшін 90% құрайды. Нейтронды түсіру сигналы зарядталған лептон сигналына қатысты бір миллисекундтың үлесінде (нейтронды түсіру алдында су арқылы өту уақыты, сонымен қатар Gd қоздырғышта қалу уақыты) кешіктіріледі және әдетте нейтриноның өзара әрекеттесу нүктесінен 50 см қашықтықта (нейтрон түсіру алдында жүретін қашықтық) пайда болады. Мұндай қос жарылыс оқиғасы (жүктелген лептоннан шыққан бірінші жарылыс, Gd деэкцитациялық фотондардан шыққан екінші жарылыс) антинейтринолық өзара әрекеттесудің белгісі болып табылады. 13 тонна Gd2 ((SO4) 3·8 (гадолиний ((III) сульфаты октагидраты) SK суына бірінші рет 2020 жылдың шілде-тамыз айларында салынған және Gd концентрациясы 0,011% -ға жеткен. T2K компаниясы Gd-мен бірге алғашқы деректерді 2021 жылдың наурыз-сәуір айларында жинады. Гадолиниймен араластырылған суды қолдану арқылы қашықтағы суперновалық нейтриноларды зерттеуге болады, олар СК-де ең көп реакцияланады, бірақ басқа көздерден келген нейтринолардан айырмашылығы жоқ. Сондай-ақ, ол біздің галактикадағы супернова жарылыстарын анықтау үшін детектордың жұмысын жақсартады және нейтрино тербелістерінің жылдамдауында материя мен антиматерияның айырмашылығын жақсырақ зерттейді.