Введение
Длинный базовый эксперимент с нейтрино в Японии T2K ("Tokai to Kamioka") - это эксперимент по физике частиц, изучающий колебания нейтрино ускорителя. Эксперимент проводится в Японии в рамках международного сотрудничества около 500 физиков и инженеров с более чем 60 исследовательскими учреждениями из нескольких стран Европы, Азии и Северной Америки, и это признанный эксперимент CERN (RE13). T2K собирала данные в течение первого этапа работы с 2010 по 2021 год. Ожидается, что второй этап сбора данных (T2K II) начнется в 2023 году и продлится до начала преемника T2K - эксперимента Hyper Kamiokande в 2027 году. T2K был первым экспериментом, в котором наблюдали появление электронных нейтрино в муоновском пульсе нейтрино. Он также предоставил лучшее в мире измерение параметра колебаний θ23 и намек на значительную асимметрию материи и антиматерии в колебаниях нейтрино. Измерение нейтрино-антинейтрино-ассиметрии колебаний может приблизить нас к объяснению существования нашей материей доминирующей Вселенной. Интенсивный луч мюонных нейтрино производится в J PARC (Японский исследовательский комплекс ускорителя протонов) в Токай на восточном побережье Японии. Луч направлен на дальний детектор Супер Камиоканде, расположенный в городе Хида, префектура Гифу. Свойства и состав потока нейтрино сначала измеряются системой близких детекторов, расположенных в месте производства пучка на площадке J PARC, а затем снова в детекторе Super Kamiokande. Сравнение содержания различных ароматов нейтрино в этих двух местах позволяет измерить вероятность колебаний на пути между близкими и дальними детекторами. Супер Камиоканде способен обнаруживать взаимодействия как мюонных, так и электронных нейтрино, и таким образом измерять исчезновение муонного нейтрино, а также появление электронных нейтрино в луче.
T2K ("Tokai to Kamioka") is a particle physics experiment studying the oscillations of the accelerator neutrinos. The experiment is conducted in Japan by the international cooperation of about 500 physicists and engineers with over 60 research institutions from several countries from Europe, Asia and North America and it is a recognized CERN experiment (RE13). T2K collected data within its first phase of operation from 2010 till 2021. The second phase of data taking (T2K II) is expected to start in 2023 and last until commencement of the successor of T2K – the Hyper Kamiokande experiment in 2027. T2K was the first experiment which observed the appearance of electron neutrinos in a muon neutrino beam. It also provided the world best measurement of oscillation parameter θ23 and a hint of a significant matter antimatter asymmetry in neutrino oscillations. The measurement of the neutrino antineutrino oscillation asymmetry may bring us closer to the explanation of the existence of our matter dominated Universe. The intense beam of muon neutrinos is produced in the J PARC facility (Japan Proton Accelerator Research Complex) in Tokai on the east coast of Japan. The beam is directed towards the Super Kamiokande far detector located away in the city of Hida, Gifu prefecture. The properties and composition of the neutrino flux are first measured by a system of near detectors located from the beam production place at the J PARC site, and then again in the Super Kamiokande detector. Comparison of the content of different neutrino flavours in these two locations allows measurement of the oscillations probability on the way between near and far detectors. Super Kamiokande is able to detect interactions of both, muon and electron neutrinos, and thus measure the disappearance of muon neutrino flux, as well as electron neutrino appearance in the beam.
Луч нейтрино
T2K использует муонный нейтрино или муонный антинейтрино пучок, произведенный на объекте J PARC, используя протонный пучок, постепенно ускоряемый до 30 ГеВ системой из трех ускорителей: сначала до 400 МеВ энергии линейным ускорителем Linac, затем до 3 ГеВ RCS (синхротроном быстрого цикла) и, наконец, до 30 ГеВ синхротроном MR (главным кольцом). Протоны сталкиваются с графитовой мишенью, образуя мезоны, в основном пионы и кайоны, которые затем фокусируются на наборе из трех магнитных рогов и направляются в туннель, называемый объемом распада. В зависимости от полярности рогов, фокусируются либо положительные, либо отрицательные частицы. Положительные пионы и каоны распадаются в основном на и , образуя луч мюонных нейтрино, в то время как отрицательные пионы и каоны распадаются в основном на и , образуя луч мюонных антинейтрино. Все остальные адроны и заряженные лептоны остановлены 75-тонным блоком графита (так называемый пучок луча) и в земле, в то время как нейтрино движутся под землей к дальнему детектору.
Читание сигнала
За исключением камер проекции времени в ND280, весь активный материал (позволяющий отслеживать частицы) детекторов близкого расстояния - пластиковый сцинтиллятор. Свет, производимый прохождением заряженных частиц в пластиковых сцинтилляторных прутках и плоскостях, собирается волокнами с перемещением длины волны и обнаруживается многопиксельными фотоновыми счетчиками Hamamatsu, расположенными на одном или обоих концах волокон. Сцинтилляторные стержни организованы в слои, где стержни в двух соседних слоях перпендикулярны друг другу, обеспечивая вместе 3D-информацию о проходящих частицах. слои сцинтиллятора окружают модуль с боковых сторон, чтобы отличить частицы, поступающие извне, от частиц, образующихся в результате взаимодействия внутри модуля. Общая масса железа в одном модуле составляет 7,1 тонны и составляет 96% от массы модуля. На оси пучка нейтрино, в середине перекрестка между вертикальной и горизонтальной рукой, есть дополнительный модуль, построенный только из слоев пластикового сцинтиллятора (протонный модуль) с массой 0,55 тонны. Его цель - регистрировать квазиэластические взаимодействия и сравнивать полученные результаты с симуляциями.
Камеры для проекции времени
Три камер временной проекции (ТТП) представляют собой газонепроницаемые прямоугольные ящики с плоскостью катода в центре и модулями MicroMegas с обеих сторон параллельно катоду. ТПК заполнены дрейфовым газом на основе аргона под атмосферным давлением. Заряженные частицы, пересекающие ТПК, ионизируют газ вдоль их пути. Электроны ионизации дрейфуют от катода к бокам TPC, где они обнаруживаются MicroMegas, обеспечивая 3D-изображение пути проходящей заряженной частицы. Координаты Y и Z основаны на положении обнаруженных ионизирующих электронов на модулях MicroMegas, а координаты X основаны на времени дрейфа электронов. В магнитном поле кривизна этого пути позволяет определить заряд и импульс частицы, а количество ионизирующих электронов на единицу расстояния используется для идентификации частиц на основе формулы Бете Блоха.
Детекторы с мелкозернистым излучением
После первого и второго ТПК устанавливаются два детектора тонкого зерна (ДГК). Вместе FGD и TPC составляют отслеживатель ND280. FGD обеспечивают активную целевую массу для взаимодействия нейтрино и могут измерять короткие трассы отката протонов. Первый FGD состоит только из слоев сцинтиллятора, в то время как второй FGD состоит из чередующихся слоев сцинтиллятора и воды. Второй FGD частично состоит из воды, потому что детектор Super Kamiokande состоит из воды. Поперечные сечения на углероде и на воде могут быть определены на основе сравнения взаимодействий нейтрино в двух FGD.
Электромагнитный калориметр
Электромагнитный калориметр (ECal) окружает внутренние детекторы (P0D, TPC, FGD) и состоит из слоев сцинтиллятора, вставленных в плитки с поглощающими свинцом. Его роль заключается в обнаружении нейтральных частиц, особенно фотонов, и измерении их энергии и направления, а также в обнаружении заряженных частиц, предоставляющих дополнительную информацию, необходимую для их идентификации.
Боковой детектор диапазона мюонов
Боковой детектор диапазона мюонов (SMRD) состоит из сцинтилляторных модулей, которые вставляются в пробелы в магните. SMRD регистрирует мюоны, выходящие из внутренних частей детектора под большим углом по отношению к направлению луча. Остальные типы частиц (кроме нейтрино) в основном остановлены в калориметре. SMRD также может действовать как триггер для космических лучей. Наконец, это может помочь определить взаимодействие пучков в окружающих стенах и в самом магните.
WAGASCI-BabyMIND
WAGASCI BabyMIND - это новый детектор, расположенный рядом с детекторами INGRID и ND280, предназначенный для исследований взаимодействия нейтрино. Он предоставил первые данные о пучках нейтрино с использованием полной настройки детектора во время зимнего запуска 2019/2020 годов.
История
T2K является преемником эксперимента KEK в Камиока (K2K), который проходил с 1999 по 2004 год. В эксперименте K2K ускорительный луч мюонных нейтрино был произведен на объекте KEK в Цукубе (Япония) и отправлен в направлении детектора Super Kamiokande, расположенного в 250 км. Результаты эксперимента K2K подтвердили исчезновение мюонных нейтрино при уровне доверия 99,9985% (4,3 σ) и были согласуются с предыдущими измерениями параметров колебаний, измеренных детектором Super Kamiokande для атмосферных нейтрино. Строительство линии пуска нейтрино началось в 2004 году и было успешно введено в эксплуатацию в 2009 году. Строительство всего детектора INGRID и большинства детекторов ND280 (без трубки электромагнитного калориметра) было завершено в 2009 году. Недостающая часть калориметра была установлена осенью 2010 года. Дальний детектор T2K - это большой детектор Super Kamiokande, который работает с 1996 года и изучает продолжительность жизни протонов и колебания атмосферных, солнечных и ускорителей нейтрино. с 55% данных в режиме нейтрино и 45% в режиме антинейтрино. Для эксперимента HK также рассматривается возможность постройки дополнительного детектора промежуточной воды Черенкова на расстоянии около. В феврале 2020 года мощность протонового пучка достигла 515 кВт с 2,7х1014 протонами на импульс и с 2,48 секунды между импульсами (так называемый цикл повторения). Для достижения 750 кВт цикл повторения будет сокращен до 1,32 с с 2,0х1014 протонами на импульс, в то время как для 1,3 МВт цикл повторения должен быть еще больше уменьшен до 1,16 с, а количество протонов на импульс должно увеличиться до 3,2х1014. В дополнение к увеличению мощности первичного протонного пучка, ток в рогах фокусирует вторичные частицы (пионы, каоны и т. д.) с выбранным электрическим зарядом также будет увеличена с 250 кА до 320 кА. Это увеличит количество нейтрино правильного знака (нейтрино в пульсе нейтрино и антинейтрино в пульсе антинейтрино) на 10% и уменьшит количество нейтрино неправильного знака (антинейтрино в пульсе нейтрино и нейтрино в пульсе антинейтрино) примерно на 5 10%. Сокращение цикла повторения потребует серии обновлений оборудования, включая крупную модернизацию основных источников питания и незначительную модернизацию источников питания фокусного рога, все из которых будут установлены во время длительного отключения в 2021 году. Для увеличения тока трубы необходимо использовать дополнительный (третий) источник питания трубы. Между тем, более высокая мощность протонного пучка требует повышения охлаждающей способности вторичных компонентов линии пучка, таких как графитовая мишень, магнитные рога и пучка пучка, а также утилизации большего количества облученной охлаждающей воды. Установка новых суб-детекторов в ND280 будет сделана в 2022 году.
СуперФГД
SuperFGD - детектор, состоящий примерно из 2 миллионов 1 см3 сцинтилирующих кубиков полистирола. Кубики сплетены из серии оптических волокон, предназначенных для обнаружения света, излучаемого частицами, образующимися во время взаимодействия в мишени. В отличие от современных FGD, SuperFGD имеет трехкратный проективный 2D-счет, обеспечивающий квази-3D-счет. Эта конфигурация считывания увеличивает обнаружение коротких дорожек почти равномерно во всех направлениях. Благодаря своей геометрии и в сочетании с TOF и HATPC, SuperFGD имеет возможность обнаруживать быстрые нейтроны, что может быть полезно в реконструкции энергии антинейтрино. Последнее заключается в нанесении слоя резистивного материала для увеличения возможностей совместного использования заряда модулей MicroMegas. Это уменьшает количество каналов считывания и позволяет получить пространственное разрешение, которое так же хорошо, как и в текущих TPC. Установка направления движения по трассе была доказана в действительном ND280, что имеет решающее значение для уменьшения фонового излучения, генерируемого вне активных внутренних детекторов. Порог энергии Черенкова (минимальная общая энергия заряженной частицы для получения света Черенкова) пропорционален массе частицы, а в воде он равен 0,8 МеВ для электронов, 160 МеВ для мюонов и 1400 МеВ для протонов. Таким образом, протоны, выделяемые в нейтринных взаимодействиях, часто падают ниже порога и остаются незамеченными. Нейтрон, как нейтральная частица, не производит свет Черенкова. Однако он может быть поглощен другим ядром, который переходит в возбужденное состояние и во время деэкцитации производит гамма-лучи. Фотоны высокой энергии (для гадолиния их общая энергия составляет около 8 МеВ) рассеивают электроны из атома и / или производят электронные позитронные пары, которые затем производят свет Черенкова. Гадолиний - природный элемент с наибольшим поперечным сечением по захвату нейтронов при тепловой энергии. Для нейтронов 25 меВ поперечное сечение гадолиния примерно в 105 раз больше, чем для водорода. Доля нейтронов, которые будут захвачены в SK, составляет 50% при концентрации 0,01% Gd и 90% при концентрации 0,1% планируемая конечная концентрация Gd в SK. Сигнал от захвата нейтронов задерживается на долю миллисекунды (время, в течение которого нейтрон пересекает воду до захвата плюс время, в течение которого Gd остается в возбужденном состоянии) по отношению к заряженному лептонному сигналу и обычно появляется на расстоянии 50 см (расстояние, пройденное нейтроном до захвата) от точки взаимодействия нейтрино. Такое двойное вспышное событие (первое вспышка от заряженного лептона, второе вспышка от фотонов деэкцитации Gd) является сигнатурой взаимодействия антинейтрино. Первая загрузка 13 тонн Gd2 ((SO4) 3·8 (гадолиний ((III) сульфат октагидрат) в воду SK была произведена в июле-августе 2020 года и привела к концентрации Gd 0,011%. T2K собрал свои первые данные с Gd в SK в марте-апреле 2021 года. Использование гадолиниевой воды позволит изучать удаленные сверхновые нейтрино, для которых они наиболее реактивны в СК, но еще не отличаются от нейтрино из других источников. Он также улучшит производительность детектора взрывов сверхновых в нашей галактике и изучит лучше различия материи и антиматерии в колебаниях ускорителя нейтрино.