Hyper-Kamiokande (también llamado Hyper-K o HK ) es un observatorio y experimento de neutrinos en construcción en Hida , Gifu y en Tokai , Ibaraki en Japón . Lo llevan a cabo la Universidad de Tokio y la Organización de Investigación de Aceleradores de Alta Energía (KEK), en colaboración con institutos de más de 20 países en seis continentes. [1] [2] Como sucesor de los experimentos Super-Kamiokande (también Super-K o SK) y T2K , está diseñado para buscar la desintegración de protones y detectar neutrinos de fuentes naturales como la Tierra , la atmósfera, el Sol y el cosmos, así como para estudiar las oscilaciones de neutrinos del haz de neutrinos del acelerador artificial . [3] : 6, 20–28 El comienzo de la toma de datos está previsto para 2027. [4]
La instalación experimental Hyper-Kamiokande estará ubicada en dos lugares:
Las oscilaciones de neutrinos son un fenómeno mecánico cuántico en el que los neutrinos cambian su sabor (los sabores de los neutrinos establecen lo siguiente:nomi,
no
micras,noτ) mientras se mueve, debido a que los estados de sabor de los neutrinos son una mezcla de los estados de masa de los neutrinos (estados de masa ν 1 , ν 2 , ν 3 con masas m 1 , m 2 , m 3 , respectivamente). Las probabilidades de oscilación dependen de seis parámetros teóricos:
y dos parámetros que se eligen para un experimento particular:
Continuando con los estudios realizados por el experimento T2K , el detector lejano HK medirá los espectros de energía de los neutrinos electrónicos y muónicos en el haz (producido en J-PARC como un haz de neutrinos muónicos casi puros) y lo comparará con la expectativa en caso de que no haya oscilaciones, que se calcula inicialmente en base a modelos de flujo e interacción de neutrinos y se mejora con mediciones realizadas por los detectores cercano e intermedio. Para la energía pico del haz de neutrinos HK/T2K (600 MeV) y la distancia del detector J-PARC – HK/SK (295 km), esto corresponde al primer máximo de oscilación, para oscilaciones impulsadas por ∆m 2 32 . El haz de neutrinos J-PARC funcionará en modos mejorados de neutrinos y antineutrinos por separado, lo que significa que las mediciones de neutrinos en cada modo de haz proporcionarán información sobre la probabilidad de supervivencia de los (anti)neutrinos muónicos P
no
micras→
no
micras, PAG
no
micras→
no
micras, y probabilidad de aparición de (anti)neutrino electrónico P
no
micras→
no
mi, PAG
no
micras→
no
mi, donde P ν α → P ν β es la probabilidad de que un neutrino originalmente de sabor α sea observado más tarde como de sabor β. [3] : 202–224
Comparación de las probabilidades de aparición de neutrinos y antineutrinos (P
no
micras→
no
miversus P
no
micras→
no
mi) permite la medición de la fase δ CP . δ CP varía de −π a +π (de −180° a +180° ), y 0 y ±π corresponden a la conservación de la simetría CP. Después de 10 años de recopilación de datos, se espera que HK confirme con un nivel de confianza de 5σ o mejor si se viola la simetría CP en las oscilaciones de neutrinos para el 57% de los posibles valores de δ CP . La violación de CP es una de las condiciones necesarias para producir el exceso de materia sobre antimateria en el universo temprano, que forma ahora nuestro universo construido de materia. Los neutrinos del acelerador también se utilizarán para mejorar la precisión de los otros parámetros de oscilación, |∆m 2 32 |, θ 23 y θ 13 , así como para estudios de interacción de neutrinos. [3] : 202–224
Para determinar el orden de masa de los neutrinos (si el estado propio de masa ν 3 es más ligero o más pesado que ν 1 y ν 2 ), o equivalentemente el signo desconocido del parámetro ∆m 2 32 , se deben observar las oscilaciones de neutrinos en la materia. Con los neutrinos de haz HK (295 km, 600 MeV), el efecto de la materia es pequeño. Además de los neutrinos de haz, el experimento HK estudia los neutrinos atmosféricos , creados por los rayos cósmicos que chocan con la atmósfera de la Tierra, produciendo neutrinos y otros subproductos. Estos neutrinos se producen en todos los puntos del globo, lo que significa que HK tiene acceso a neutrinos que han viajado a través de un amplio rango de distancias a través de la materia (desde unos pocos cientos de metros hasta el diámetro de la Tierra ). Estas muestras de neutrinos se pueden utilizar para determinar el orden de masa de los neutrinos. [3] : 225–237
En última instancia, un análisis combinado de neutrinos atmosféricos y de haz de neutrinos proporcionará la mayor sensibilidad a los parámetros de oscilación δ CP , |∆m 2 32 |, sgn ∆m 2 32 , θ 23 y θ 13 . [3] : 228–233
Las explosiones de supernovas por colapso de núcleo producen grandes cantidades de neutrinos . En el caso de una supernova en la galaxia de Andrómeda , se esperan entre 10 y 16 eventos de neutrinos en el detector lejano HK. En el caso de una supernova galáctica a una distancia de 10 kpc , se esperan entre 50 000 y 94 000 interacciones de neutrinos durante unas pocas decenas de segundos. En el caso de Betelgeuse, a una distancia de 0,2 kpc, esta tasa podría alcanzar hasta 10 8 interacciones por segundo y se tuvo en cuenta una tasa de eventos tan alta en el diseño de la electrónica del detector y del sistema de adquisición de datos (DAQ), lo que significa que no se perderían datos. Los perfiles temporales del número de eventos registrados en HK y su energía media permitirían probar modelos de la explosión. La información direccional de los neutrinos en el detector lejano HK puede proporcionar una alerta temprana para la observación de supernovas electromagnéticas y puede utilizarse en otras observaciones de mensajeros múltiples . [3] : 263–280 [7]
Los neutrinos producidos de forma acumulativa por las explosiones de supernovas a lo largo de la historia del universo se denominan neutrinos reliquia de supernova (SRN) o fondo difuso de neutrinos de supernova (DSNB) y contienen información sobre la historia de la formación estelar. Debido a su bajo flujo (unas pocas decenas/cm2 / seg), aún no han sido descubiertos. Con diez años de recopilación de datos, se espera que HK detecte unos 40 eventos SRN en el rango de energía de 16 a 30 MeV. [3] : 276–280 [8]
Para la energía solar
no
miLos objetivos del experimento de Hong Kong son:
Los geoneutrinos se producen en la desintegración de radionucleidos en el interior de la Tierra. Los estudios de geoneutrinos de hiperkamiokande ayudarán a evaluar la composición química del núcleo de la Tierra , que está relacionada con la generación del campo geomagnético . [3] : 292–293
La desintegración de un protón libre en partículas subatómicas más ligeras nunca ha sido observada, pero algunas teorías de gran unificación (GUT) la predicen y es resultado de la violación del número bariónico (B). La violación de B es una de las condiciones necesarias para explicar el predominio de la materia sobre la antimateria en el universo . Los principales canales estudiados por HK son
pag+
→mi++π0que es favorecido por muchos modelos GUT y
pag+
→no+K+predicho por teorías que incluyen la supersimetría . [11]
Después de diez años de toma de datos (en caso de que no se observe desintegración), se espera que HK aumente el límite inferior de la vida media del protón de 1,6 · 10 34 a 6,3 · 10 34 años para su canal de desintegración más sensible (
pag+
→
mi+
+
π0
) y de 0,7 · 10 34 a 2,0 · 10 34 años para el
pag+
→
no
+
K+
canal. [3] [12]
La materia oscura es una forma hipotética y no luminosa de materia propuesta para explicar numerosas observaciones astronómicas que sugieren la existencia de masa invisible adicional en las galaxias. Si las partículas de materia oscura interactúan débilmente , pueden producir neutrinos a través de la aniquilación o la desintegración. Esos neutrinos podrían ser visibles en el detector HK como un exceso de neutrinos provenientes de la dirección de grandes potenciales gravitacionales como el centro galáctico , el Sol o la Tierra , sobre un fondo atmosférico isótropo de neutrinos. [3] : 281–286
El experimento Hyper-Kamiokande consta de una línea de luz de neutrinos del acelerador , un conjunto de detectores cercanos, el detector intermedio y el detector lejano (también llamado Hyper-Kamiokande). El detector lejano por sí mismo se utilizará para buscar la desintegración de protones y estudiar los neutrinos de fuentes naturales. Todos los elementos anteriores servirán para los estudios de oscilación de neutrinos del acelerador . Antes de lanzar el experimento HK, el experimento T2K terminará de tomar datos y HK se hará cargo de su línea de luz de neutrinos y del conjunto de detectores cercanos, mientras que los detectores intermedio y lejano tienen que construirse de nuevo. [13]
El detector Cherenkov de agua intermedio (IWCD) se ubicará a una distancia de unos 750 metros (2.460 pies) del lugar de producción de neutrinos. Será un cilindro lleno de agua de 10 metros (33 pies) de diámetro y 50 metros (160 pies) de altura con una estructura de 10 metros (33 pies) de altura instrumentada con alrededor de 400 módulos multi-PMT (mPMT), cada uno de los cuales consta de diecinueve tubos fotomultiplicadores (PMT) de 8 centímetros (3,1 pulgadas) de diámetro encapsulados en un recipiente impermeable. La estructura se moverá en dirección vertical mediante un sistema de grúa, lo que proporcionará mediciones de interacciones de neutrinos en diferentes ángulos fuera del eje (ángulos con respecto al centro del haz de neutrinos), que abarcan desde 1° en la parte inferior hasta 4° en la parte superior, y por lo tanto para diferentes espectros de energía de neutrinos. [nota 1]
Combinando los resultados de diferentes ángulos fuera del eje, es posible extraer los resultados para espectros de neutrinos casi monoenergéticos sin depender de modelos teóricos de interacciones de neutrinos para reconstruir la energía de los neutrinos. El uso del mismo tipo de detector que el detector lejano con casi la misma aceptación angular y de momento permite la comparación de los resultados de estos dos detectores sin depender de simulaciones de respuesta del detector. Estos dos hechos, independencia de los modelos de interacción de neutrinos y respuesta del detector, permitirán a HK minimizar el error sistemático en el análisis de oscilaciones. Las ventajas adicionales de este diseño del detector son la posibilidad de buscar patrones de oscilación estériles para diferentes ángulos fuera del eje y obtener una muestra más limpia de interacciones de neutrinos electrónicos , cuya fracción es mayor para ángulos fuera del eje mayores. [3] : 47–50 [14] [15] [16] [17]
El detector Hyper-Kamiokande se construirá a 650 metros (2.130 pies) bajo la cima de la montaña Nijuugo en la mina Tochibora, a 8 kilómetros (5,0 millas) al sur del detector Super-Kamiokande (SK). Ambos detectores estarán en el mismo ángulo fuera del eje (2,5°) con respecto al centro del haz de neutrinos y a la misma distancia (295 kilómetros (183 millas)) del lugar de producción del haz en J-PARC . [nota 2] [3] : 35 [18]
El detector de agua HK será un detector Cherenkov , cinco veces más grande (258 kton de agua) que el detector SK. Será un tanque cilíndrico de 68 metros (223 ft) de diámetro y 71 metros (233 ft) de altura. El volumen del tanque estará dividido en el detector interno (ID) y el detector externo (OD) por una estructura cilíndrica inactiva de 60 cm de ancho, con su borde exterior ubicado a 1 metro de la vertical y a 2 metros de las paredes horizontales del tanque. La estructura separará ópticamente el ID del OD y contendrá tubos fotomultiplicadores (PMT) que miran tanto hacia adentro, hacia el ID, como hacia afuera, hacia el OD. [18] [19]
En el ID, habrá al menos 20.000 tubos fotomultiplicadores (PMT) de 50 centímetros (20 pulgadas) de diámetro del tipo R12860 de Hamamatsu Photonics y aproximadamente 800 módulos multi-PMT (mPMT). Cada módulo mPMT consta de diecinueve tubos fotomultiplicadores de 8 centímetros (3,1 pulgadas) de diámetro encapsulados en un recipiente impermeable. El OD estará instrumentado con al menos 3.600 PMT de 8 centímetros (3,1 pulgadas) de diámetro acoplados con placas de desplazamiento de longitud de onda (WLS) de 0,6 × 30 × 30 cm 3 (las placas recogerán los fotones incidentes y los transportarán a su PMT acoplado) y servirán como un veto [nota 3] para distinguir las interacciones que ocurren en el interior de las partículas que entran desde el exterior del detector (principalmente muones de rayos cósmicos ). [18] [19] [17]
La construcción del detector HK comenzó en 2020 y se espera que la recopilación de datos comience en 2027. [3] [4] [13] : 24 También se han realizado estudios sobre la viabilidad y los beneficios físicos de construir un segundo tanque Cherenkov de agua idéntico en Corea del Sur a unos 1100 km de J-PARC, que estaría operativo 6 años después del primer tanque. [5] [20]
Historia de los grandes detectores Cherenkov de agua en Japón y de los experimentos de oscilación de neutrinos de base larga asociados a ellos, excluyendo Hong Kong:
Una historia del experimento Hyper-Kamiokande:
{{cite journal}}: CS1 maint: varios nombres: lista de autores ( enlace )