36°25′32.6″N 137°18′37.1″E / 36.425722°N 137.310306°E / 36.425722; 137.310306 [1]
Super-Kamiokande (abreviatura de Super-Kamioka NeutrinoDetection Experiment , también abreviado como Super-K o SK ; japonés :スーパーカミオカンデ) es un observatorio de neutrinos ubicado bajo el monte Ikeno cerca de la ciudad de Hida , Prefectura de Gifu , Japón. Es operado por el Instituto de Investigación de Rayos Cósmicos de la Universidad de Tokio con la ayuda de un equipo internacional. [2] [3] Está ubicado a 1.000 m (3.300 pies) bajo tierra en la mina Mozumi en el área de Kamioka de Hida. El observatorio fue diseñado para detectar neutrinos de alta energía, buscar desintegración de protones , estudiar neutrinos solares y atmosféricos y vigilar supernovas en la Vía Láctea .
Super-K está ubicado a 1000 m (3300 pies) bajo tierra en la mina Mozumi en el área de Kamioka de Hida. [4] [5] Consiste en un tanque cilíndrico de acero inoxidable de 41,4 m (136 pies) de alto y 39,3 m (129 pies) de diámetro que contiene 50.220 toneladas métricas (55.360 toneladas estadounidenses) de agua ultrapura . El volumen del tanque está dividido por una superestructura de acero inoxidable en una región de detector interior (ID), que tiene 36,2 m (119 pies) de altura y 33,8 m (111 pies) de diámetro, y un detector exterior (OD), que consta del resto. volumen del tanque. Montados en la superestructura hay 11.146 tubos fotomultiplicadores (PMT) de 50 cm (20 pulgadas) de diámetro que miran hacia el DI y 1.885 PMT de 20 cm (8 pulgadas) que miran hacia el OD. Hay una barrera de Tyvek y una lámina negra unida a la superestructura que separa ópticamente el ID y el OD. [ cita necesaria ]
La interacción de un neutrino con los electrones o núcleos de agua puede producir una partícula cargada que se mueve más rápido que la velocidad de la luz en el agua , que es más lenta que la velocidad de la luz en el vacío . Esto crea un cono de luz conocido como radiación Cherenkov , que es el equivalente óptico de un estallido sónico . La luz de Cherenkov se proyecta como un anillo en la pared del detector y los PMT la registran. Utilizando la información de sincronización y carga registrada por cada PMT, se determina el vértice de interacción, la dirección del anillo y el sabor del neutrino entrante. De la agudeza del borde del anillo se puede deducir el tipo de partícula. La dispersión múltiple de electrones es grande, por lo que las lluvias electromagnéticas producen anillos borrosos. Los muones altamente relativistas , por el contrario, viajan casi en línea recta a través del detector y producen anillos con bordes afilados. [ cita necesaria ]
La construcción del predecesor del actual Observatorio Kamioka , el Instituto para la Investigación de Rayos Cósmicos de la Universidad de Tokio , comenzó en 1982 y se completó en abril de 1983. El objetivo del observatorio era detectar si existe desintegración de protones , una de las cuestiones más fundamentales de la ciencia. Física de partículas elementales. [6] [7] [8] [9] [10]
El detector, llamado KamiokaNDE por Kamioka Nucleon Decay Experiment, era un tanque de 16,0 m (52 pies) de altura y 15,6 m (51,2 pies) de ancho, que contenía 3.058 toneladas métricas (3.400 toneladas estadounidenses) de agua pura y alrededor de 1.000 tubos fotomultiplicadores ( PMT) adheridos a su superficie interior. El detector se actualizó a partir de 1985 para permitirle observar neutrinos solares. Como resultado, el detector (KamiokaNDE-II) se volvió lo suficientemente sensible como para detectar diez neutrinos de SN 1987A , una supernova que se observó en la Gran Nube de Magallanes en febrero de 1987, y para observar neutrinos solares en 1988. La capacidad del Kamiokande El experimento para observar la dirección de los electrones producidos en las interacciones de los neutrinos solares permitió a los experimentadores demostrar directamente por primera vez que el Sol era una fuente de neutrinos.
Mientras hacía descubrimientos en astronomía de neutrinos y astrofísica de neutrinos, Kamiokande nunca detectó una desintegración de protones, el objetivo principal de su construcción. La ausencia de tal observación retrasó la posible vida media de cualquier posible desintegración de protones lo suficiente como para eliminar algunos de los modelos GUT que permiten tal desintegración. Otros modelos predicen una vida media más larga, con desintegraciones más raras. Para aumentar las posibilidades de detectar tales desintegraciones, se necesitaría un detector más grande. También fue necesaria una mayor sensibilidad para obtener una mayor confianza estadística en otras detecciones. Esto llevó al diseño y construcción del Super-Kamiokande, con quince veces el volumen de agua y diez veces más PMT que Kamiokande.
El proyecto Super-Kamiokande fue aprobado por el Ministerio japonés de Educación, Ciencia, Deportes y Cultura en 1991 con una financiación total de aproximadamente 100 millones de dólares. La parte estadounidense de la propuesta, que consistía principalmente en construir el sistema OD, fue aprobada por el Departamento de Energía de Estados Unidos en 1993 por 3 millones de dólares. Además, Estados Unidos también ha aportado alrededor de 2.000 PMT de 20 cm reciclados del experimento IMB . [11]
Super-Kamiokande comenzó a funcionar en 1996 y anunció la primera evidencia de oscilación de neutrinos en 1998. [12] Esta fue la primera observación experimental que respalda la teoría de que el neutrino tiene masa distinta de cero , una posibilidad sobre la que los teóricos habían especulado durante años. El Premio Nobel de Física de 2015 fue otorgado al investigador Super-Kamiokande Takaaki Kajita junto con Arthur McDonald en el Observatorio de Neutrinos de Sudbury por su trabajo que confirma la oscilación de neutrinos.
El 12 de noviembre de 2001, alrededor de 6.600 de los tubos fotomultiplicadores (que costaban alrededor de 3.000 dólares cada uno [13] ) en el detector Super-Kamiokande implosionaron , aparentemente en una reacción en cadena o falla en cascada , cuando la onda de choque de la conmoción cerebral de cada tubo implosionante rompió su vecinos. El detector se restauró parcialmente redistribuyendo los tubos fotomultiplicadores que no implosionaron y agregando carcasas protectoras acrílicas que se espera eviten que se repita otra reacción en cadena (Super-Kamiokande-II).
En julio de 2005, comenzaron los preparativos para restaurar el detector a su forma original mediante la reinstalación de unos 6.000 PMT. El trabajo se completó en junio de 2006, tras lo cual el detector pasó a llamarse Super-Kamiokande-III. Esta fase del experimento recopiló datos desde octubre de 2006 hasta agosto de 2008. En ese momento, se realizaron importantes mejoras en la electrónica. Después de la actualización, la nueva fase del experimento se denominó Super-Kamiokande-IV. SK-IV recopiló datos sobre varias fuentes naturales de neutrinos y actuó como detector lejano para el experimento de oscilación de neutrinos de línea de base larga Tokai-to-Kamioka (T2K).
SK-IV continuó hasta junio de 2018. Después de eso, el detector se sometió a una renovación completa durante el otoño de 2018. El 29 de enero de 2019, el detector reanudó la adquisición de datos. [14]
En 2020, el detector se actualizó para el proyecto SuperKGd agregando una sal de Gd al agua ultrapura para permitir la detección de antineutrinos de explosiones de supernovas. [15]
El Super-Kamiokande (SK) es un detector Cherenkov utilizado para estudiar neutrinos de diferentes fuentes, incluido el Sol, supernovas, la atmósfera y aceleradores. También se utiliza para buscar la desintegración de protones. El experimento comenzó en abril de 1996 y se cerró por mantenimiento en julio de 2001, período conocido como "SK-I". Dado que se produjo un accidente durante el mantenimiento, el experimento se reanudó en octubre de 2002 con sólo la mitad de su número original de ID-PMT. Para evitar más accidentes, todos los ID-PMT estaban cubiertos con plástico reforzado con fibra y ventanas frontales acrílicas. Esta fase desde octubre de 2002 hasta otro cierre para una reconstrucción completa en octubre de 2005 se denomina "SK-II". En julio de 2006, el experimento se reanudó con el número completo de PMT y se detuvo en septiembre de 2008 para realizar actualizaciones electrónicas. Este período se conoció como "SK-III". El período posterior a 2008 se conoce como "SK-IV". Las fases y sus principales características se resumen en la tabla 1. [16]
En las fases anteriores, los ID-PMT procesaban señales mediante módulos electrónicos personalizados llamados módulos de sincronización analógica (ATM). Estos módulos contienen convertidores de carga a analógico (QAC) y convertidores de tiempo a analógico (TAC) que tenían un rango dinámico de 0 a 450 picoculombios (pC) con una resolución de carga de 0,2 pC y de −300 a 1000 ns con Resolución de 0,4 ns por tiempo. Había dos pares de QAC/TAC para cada señal de entrada de PMT, lo que evitó el tiempo muerto y permitió la lectura de múltiples impactos secuenciales que pueden surgir, por ejemplo, de electrones que son productos de la desintegración de los muones de parada. [dieciséis]
El sistema SK se actualizó en septiembre de 2008 para mantener la estabilidad en la próxima década y mejorar el rendimiento de los sistemas de adquisición de datos, electrónica basada en QTC con Ethernet (QBEE). [17] El QBEE proporciona procesamiento de señales de alta velocidad mediante la combinación de componentes canalizados. Estos componentes son un convertidor de carga a tiempo (QTC) personalizado recientemente desarrollado en forma de un circuito integrado de aplicación específica (ASIC), un convertidor de tiempo a digital (TDC) de múltiples hits y una matriz de puertas programables en campo. (FPGA). [18] Cada entrada QTC tiene tres rangos de ganancia: "Pequeño", "Medio" y "Grande"; las resoluciones de cada uno se muestran en la Tabla. [dieciséis]
Para cada rango, la conversión de analógico a digital se realiza por separado, pero el único rango utilizado es el de mayor resolución que no se satura. El rango dinámico de carga general del QTC es de 0,2 a 2500 pC, cinco veces mayor que el anterior. La resolución de carga y temporización del QBEE a nivel de fotoelectrón único es de 0,1 fotoelectrones y 0,3 ns respectivamente, ambos son mejores que la resolución intrínseca del modelo de 20 pulgadas. PMT utilizados en SK. El QBEE logra una buena linealidad de carga en un amplio rango dinámico. La linealidad de carga integrada de la electrónica es mejor que el 1%. Los umbrales de los discriminadores en el QTC se establecen en −0,69 mV (equivalente a 0,25 fotoelectrones, que es lo mismo que para SK-III). Este umbral se eligió para replicar el comportamiento del detector durante sus fases anteriores basadas en ATM. [dieciséis]
El gadolinio se introdujo en el tanque de agua del Super-Kamiokande en 2020 para distinguir los neutrinos de los antineutrinos que surgen de las explosiones de supernovas. [15] [19] Esto se conoce como proyecto SK-Gd (otros nombres incluyen SuperKGd , SUPERK-GD y nombres similares). [20] En la primera fase del proyecto, se agregaron 1,3 toneladas de una sal de Gd (sulfato de gadolinio octahidrato, Gd(SO 4 ) 3 ⋅(H 2 O) 8 ) al agua ultrapura en 2020, dando un 0,02% (por masa) de la sal. Esta cantidad es aproximadamente una décima parte de la concentración objetivo final prevista. [15] [19]
La fusión nuclear en el Sol y otras estrellas convierte los protones en neutrones con la emisión de neutrinos. La desintegración beta en la Tierra y en las supernovas convierte los neutrones en protones con la emisión de antineutrinos. El Super-Kamiokande detecta electrones desprendidos de una molécula de agua que produce un destello de luz azul de Cherenkov, y estos son producidos tanto por neutrinos como por antineutrinos. Un caso más raro es cuando un antineutrino interactúa con un protón en agua para producir un neutrón y un positrón. [21]
El gadolinio tiene afinidad por los neutrones y produce un destello brillante de rayos gamma cuando absorbe uno. Agregar gadolinio al Super-Kamiokande le permite distinguir entre neutrinos y antineutrinos. Los antineutrinos producen un doble destello de luz con aproximadamente 30 microsegundos de diferencia, primero cuando el neutrino golpea un protón y segundo cuando el gadolinio absorbe un neutrón. [19] El brillo del primer destello permite a los físicos distinguir entre antineutrinos de baja energía de la Tierra y antineutrinos de alta energía de las supernovas. Además de observar neutrinos de supernovas distantes, el Super-Kamiokande podrá activar una alarma para informar a los astrónomos de todo el mundo de la presencia de una supernova en la Vía Láctea al segundo de ocurrir.
El mayor desafío era si el agua del detector podía filtrarse continuamente para eliminar las impurezas sin eliminar el gadolinio al mismo tiempo. En la mina Kamioka se instaló un prototipo de 200 toneladas llamado EGADS al que se le añadió sulfato de gadolinio y estuvo en funcionamiento durante años. Terminó su funcionamiento en 2018 y demostró que el nuevo sistema de purificación de agua eliminaría las impurezas manteniendo estable la concentración de gadolinio. También demostró que el sulfato de gadolinio no afectaría significativamente la transparencia del agua, que de otro modo sería ultrapura, ni causaría corrosión o deposición en los equipos existentes o en las nuevas válvulas que luego se instalarán en el Hyper-Kamiokande . [20] [21]
La capa exterior del tanque de agua es un tanque cilíndrico de acero inoxidable de 39 m de diámetro y 42 m de altura. El tanque es autoportante, con un relleno de concreto contra las paredes de piedra tosca para contrarrestar la presión del agua cuando se llena el tanque. La capacidad del tanque supera los 50 kilotones de agua. [11]
La unidad básica para los PMT de ID es un "supermódulo", un marco que admite una matriz de 3 × 4 de PMT. Los marcos supermódulos tienen 2,1 m de altura, 2,8 m de ancho y 0,55 m de espesor. Estos marcos están conectados entre sí tanto en dirección vertical como horizontal. Luego, toda la estructura de soporte se conecta al fondo del tanque y a la estructura superior. Además de servir como elementos estructurales rígidos, los supermódulos simplificaron el montaje inicial del ID. Cada supermódulo se montó en el suelo del tanque y luego se elevó a su posición final. Por lo tanto, el ID está, de hecho, repleto de supermódulos. Durante la instalación, los ID PMT se preensamblaron en unidades de tres para facilitar la instalación. Cada supermódulo tiene dos PMT OD conectados en su parte posterior. La estructura de soporte para los PMT inferiores está unida al fondo del tanque de acero inoxidable mediante una viga vertical por marco de supermódulo. La estructura de soporte para la parte superior del tanque también se utiliza como estructura de soporte para los PMT superiores.
Los cables de cada grupo de 3 PMT están agrupados. Todos los cables suben por la superficie exterior de la estructura de soporte del PMT, es decir, en el plano OD del PMT, pasan a través de puertos para cables en la parte superior del tanque y luego se encaminan hacia las casetas de la electrónica.
El espesor del OD varía ligeramente, pero en promedio es de unos 2,6 m en la parte superior e inferior y de 2,7 m en la pared del cañón, lo que le da al OD una masa total de 18 kilotones. Los PMT de OD se distribuyeron con 302 en la capa superior, 308 en la inferior y 1275 en la pared del cañón.
Para protegerse contra la radiación de fondo de baja energía procedente de los productos de desintegración del radón en el aire, el techo de la cavidad y los túneles de acceso se sellaron con un revestimiento llamado Mineguard. Mineguard es una membrana de poliuretano aplicada por aspersión desarrollada para su uso como sistema de soporte de rocas y barrera de gas radón en la industria minera. [11]
El campo geomagnético promedio es de aproximadamente 450 mG y está inclinado aproximadamente 45° con respecto al horizonte en el sitio del detector. Esto presenta un problema para los PMT grandes y muy sensibles que prefieren un campo ambiental mucho más bajo. La fuerza y la dirección uniforme del campo geomagnético podrían sesgar sistemáticamente las trayectorias de los fotoelectrones y la sincronización en los PMT. Para contrarrestar esto, se disponen 26 juegos de bobinas de Helmholtz horizontales y verticales alrededor de las superficies internas del tanque. Con estos en funcionamiento, el campo promedio en el detector se reduce a aproximadamente 50 mG. Se midió el campo magnético en varios lugares del PMT antes de llenar el tanque con agua. [11]
Un volumen fiduciario estándar de aproximadamente 22,5 kilotones se define como la región dentro de una superficie trazada a 2,00 m de la pared ID para minimizar la respuesta anómala causada por la radiactividad natural en la roca circundante.
Una computadora monitor en línea ubicada en la sala de control lee datos de la computadora host DAQ a través de un enlace FDDI. Proporciona a los operadores de turno una herramienta flexible para seleccionar funciones de visualización de eventos, genera histogramas en línea y de historial reciente para monitorear el rendimiento del detector y realiza una variedad de tareas adicionales necesarias para monitorear de manera eficiente el estado y diagnosticar problemas del detector y DAQ. Los eventos en el flujo de datos se pueden eliminar y se pueden aplicar herramientas de análisis elementales para verificar la calidad de los datos durante las calibraciones o después de cambios en el hardware o el software en línea. [11]
Para detectar e identificar tales explosiones de la manera más eficiente y rápida posible, Super-Kamiokande está equipado con un sistema de monitoreo de supernovas en línea. Se esperan alrededor de 10.000 eventos en total en Super-Kamiokande por una explosión de supernova en el centro de la Vía Láctea. Super-Kamiokande puede medir una ráfaga sin tiempo muerto, hasta 30.000 eventos dentro del primer segundo de una ráfaga. Los cálculos teóricos de las explosiones de supernovas sugieren que los neutrinos se emiten en una escala de tiempo total de decenas de segundos y aproximadamente la mitad de ellos se emiten durante los primeros uno o dos segundos. El Super-K buscará grupos de eventos en ventanas de tiempo específicas de 0,5, 2 y 10 s. [11] Los datos se transmiten al proceso de análisis de vigilancia SN en tiempo real cada 2 minutos y el análisis se completa normalmente en 1 minuto. Cuando se encuentran candidatos a eventos de supernova (SN), se calcula si la multiplicidad del evento es mayor que 16, donde se define como la distancia espacial promedio entre eventos, es decir
Los neutrinos de las supernovas interactúan con los protones libres, produciendo positrones que se distribuyen de manera tan uniforme en el detector que, en el caso de los eventos SN, deberían ser significativamente mayores que en el caso de los grupos espaciales de eventos ordinarios. En el detector Super-Kamiokande, la Rmedia para eventos de Monte Carlo distribuidos uniformemente muestra que no existe cola por debajo de 1000 cm. Para la clase de ráfaga de "alarma", se requiere que los eventos tengan 900 cm para 25 40 o 750 cm para >40. Estos umbrales se determinaron mediante extrapolación de los datos de SN1987A. [11] [22] El sistema ejecutará procesos especiales para verificar si hay muones de espalación cuando los candidatos a explosión cumplan con los criterios de "alarma" y tomarán una decisión primaria para un proceso posterior. Si el candidato a explosión pasa estas comprobaciones, los datos se volverán a analizar mediante un proceso fuera de línea y se tomará una decisión final en unas pocas horas. Durante el Super-Kamiokande I, esto nunca ocurrió. Una de las capacidades importantes del [Super-Kamiokande] es reconstruir la dirección hacia la supernova. Por dispersión de neutrinos y electrones, se esperan un total de 100 a 150 eventos en caso de una supernova en el centro de la Vía Láctea. [11] La dirección de la supernova se puede medir con resolución angular
donde N es el número de eventos producidos por la dispersión ν–e. La resolución angular, por lo tanto, puede ser tan buena como δθ~3° para una supernova en el centro de la Vía Láctea. [11] En este caso, no sólo se puede proporcionar información sobre el perfil temporal y el espectro de energía de una explosión de neutrinos, sino también sobre la dirección de la supernova.
Existe un proceso llamado monitor de "control lento", que como parte del sistema de monitoreo en línea, vigila el estado de los sistemas de alta tensión, las temperaturas de las cajas de electrónica y el estado de las bobinas de compensación utilizadas para cancelar el campo geomagnético. Cuando se detecte cualquier desviación de las normas, alertará a los físicos para que investiguen, tomen las medidas adecuadas o notifiquen a los expertos. [11]
Para monitorear y controlar los procesos fuera de línea que analizan y transfieren datos, se desarrolló un sofisticado conjunto de software. Este monitor permite a los físicos de turnos no expertos identificar y reparar problemas comunes para minimizar el tiempo de inactividad, y el paquete de software fue una contribución significativa al buen funcionamiento del experimento y su alta eficiencia general de vida útil para la toma de datos. [11]
La energía del Sol proviene de la fusión nuclear en su núcleo donde 4 protones generan un átomo de helio y un neutrino electrónico. Estos neutrinos emitidos por esta reacción se denominan neutrinos solares. Los fotones, creados por la fusión nuclear en el centro del Sol, tardan millones de años en llegar a la superficie; en cambio, los neutrinos solares llegan a la Tierra en ocho minutos debido a su falta de interacciones con la materia. Por lo tanto, los neutrinos solares nos permiten observar el Sol interior en "tiempo real", lo que lleva millones de años para la luz visible. [23]
En 1999, el Super-Kamiokande detectó fuertes pruebas de oscilación de neutrinos que explicaban con éxito el problema de los neutrinos solares . El Sol y alrededor del 80% de las estrellas visibles producen su energía mediante la conversión de hidrógeno en helio a través de
MeV
En consecuencia, las estrellas son fuente de neutrinos, incluido el Sol . Estos neutrinos llegan principalmente a través de la cadena pp en masas más bajas, y en el caso de estrellas más frías, principalmente a través del ciclo CNO de masas más pesadas.
A principios de la década de 1990, particularmente con las incertidumbres que acompañaron a los resultados iniciales de los experimentos Kamioka II y Ga, ningún experimento individual requería una solución no astrofísica del problema de los neutrinos solares. Pero en conjunto, los experimentos de Cl, Kamioka II y Ga indicaron un patrón de flujos de neutrinos que no era compatible con ningún ajuste del SSM. Esto, a su vez, ayudó a motivar una nueva generación de detectores activos espectacularmente capaces. Estos experimentos son Super-Kamiokande, el Observatorio de Neutrinos de Sudbury (SNO) y Borexino . Super-Kamiokande pudo detectar eventos de dispersión elástica (ES)
que, debido a la contribución de la corriente cargada a la dispersión, tiene una sensibilidad relativa a s y neutrinos de sabor pesado de ~7:1. [24] Dado que la dirección del electrón en retroceso está obligada a ser muy directa, la dirección de los neutrinos se mantiene en la dirección de los electrones en retroceso. Aquí se proporciona dónde está el ángulo entre la dirección de los electrones en retroceso y la posición del Sol. Esto muestra que se puede calcular que el flujo de neutrinos solares es . En comparación con el SSM, la proporción es . [25] El resultado indica claramente el déficit de neutrinos solares.
Los neutrinos atmosféricos son rayos cósmicos secundarios producidos por la desintegración de partículas resultantes de las interacciones de los rayos cósmicos primarios (principalmente protones ) con la atmósfera terrestre . Los eventos de neutrinos atmosféricos observados se dividen en cuatro categorías. Los eventos completamente contenidos (FC) tienen todas sus pistas en el detector interno, mientras que los eventos parcialmente contenidos (PC) tienen pistas de escape del detector interno. Los muones de paso ascendente (UTM) se producen en la roca debajo del detector y atraviesan el detector interno. Los muones de parada ascendente (USM) también se producen en la roca debajo del detector, pero se detienen en el detector interior.
El número de neutrinos observados se predice de manera uniforme independientemente del ángulo cenital. Sin embargo, Super-Kamiokande descubrió que el número de neutrinos muónicos que suben (generados en el otro lado de la Tierra) es la mitad del número de neutrinos muónicos que bajan en 1998. Esto puede explicarse porque los neutrinos cambian u oscilan hacia algún otro neutrinos que no se detectan. Esto se llama oscilación de neutrinos ; este descubrimiento indica la masa finita de los neutrinos y sugiere una extensión del Modelo Estándar. Los neutrinos oscilan en tres sabores y todos los neutrinos tienen su masa en reposo. Un análisis posterior en 2004 sugirió una dependencia sinusoidal de la tasa de eventos en función de "Longitud/Energía", lo que confirmó las oscilaciones de neutrinos. [26]
El experimento K2K fue un experimento de neutrinos realizado entre junio de 1999 y noviembre de 2004. Este experimento fue diseñado para verificar las oscilaciones observadas por el Super-Kamiokande a través de neutrinos muónicos . Proporciona la primera medición positiva de las oscilaciones de neutrinos en condiciones en las que tanto la fuente como el detector están bajo control. El detector Super-Kamiokande juega un papel importante en el experimento como detector lejano. El experimento posterior T2K continuó como segunda generación del experimento K2K .
El experimento T2K (Tokai to Kamioka) es un experimento de neutrinos en el que colaboran varios países, incluidos Japón , Estados Unidos y otros. El objetivo de T2K es lograr una comprensión más profunda de los parámetros de oscilación de neutrinos . T2K ha buscado oscilaciones desde neutrinos muónicos hasta neutrinos electrónicos y anunció las primeras indicaciones experimentales en junio de 2011. [27] El detector Super-Kamiokande actúa como "detector lejano". El detector Super-K registrará la radiación Cherenkov de muones y electrones creada por las interacciones entre neutrinos de alta energía y agua.
En el modelo estándar se supone que el protón es absolutamente estable . Sin embargo, las Grandes Teorías Unificadas (GUT) predicen que los protones pueden descomponerse en partículas cargadas de energía más ligeras, como electrones, muones, piones u otras que pueden observarse. Kamiokande ayuda a descartar algunas de estas teorías. Super-Kamiokande es actualmente el detector más grande para la observación de la desintegración de protones.
Los 50 kilotones de agua pura se reprocesan continuamente a un ritmo de aproximadamente 30 toneladas/hora en un sistema cerrado desde principios de 2002. Ahora, el agua cruda de la mina se recicla a través del primer paso (filtros de partículas y RO) durante algún tiempo antes de otros procesos, que implican se imponen productos fungibles caros. Inicialmente, el agua del tanque Super-Kamiokande pasa a través de filtros de malla nominal de 1 μm para eliminar el polvo y las partículas, lo que reduce la transparencia del agua para los fotones Cherenkov y proporciona una posible fuente de radón dentro del detector Super-Kamiokande. Se utiliza un intercambiador de calor para enfriar el agua con el fin de reducir el nivel de ruido oscuro del PMT y suprimir el crecimiento de bacterias . Las bacterias supervivientes son eliminadas mediante una etapa de esterilización UV. Un pulidor de cartucho (CP) elimina los iones pesados, que también reducen la transparencia del agua e incluyen especies radiactivas. El módulo CP aumenta la resistividad típica del agua en recirculación de 11 MΩ cm a 18,24 MΩ cm, acercándose al límite químico. [11] Originalmente, se incluía un intercambiador de iones (IE) en el sistema, pero se eliminó cuando se descubrió que la resina IE era una fuente importante de radón. En 1999 se instalaron el paso de ósmosis inversa (RO), que elimina partículas adicionales, y la introducción de aire reducido en Rn en el agua, que aumenta la eficiencia de eliminación de radón, en la siguiente etapa del desgasificador al vacío (VD). Después de eso, un VD elimina las partículas disueltas. gases en el agua. Estos gases disueltos en el agua son una fuente importante de eventos de fondo para los neutrinos solares en el rango de energía MeV y el oxígeno disuelto estimula el crecimiento de bacterias. La eficiencia de eliminación es aproximadamente del 96%. Luego, se introduce el ultrafiltro (UF) para eliminar partículas cuyo tamaño mínimo corresponde a un peso molecular de aproximadamente 10.000 (o unos 10 nm de diámetro) gracias a filtros de membrana de fibra hueca. Finalmente, un desgasificador de membrana (MD) elimina el radón disuelto en agua, y la eficiencia de eliminación medida del radón es aproximadamente del 83%. La concentración de gases radón se miniaturiza mediante detectores en tiempo real. En junio de 2001, las concentraciones típicas de radón en el agua que llegaba al sistema de purificación desde el tanque Super-Kamiokande eran inferiores a 2 mBq m -3 , y en el agua producida por el sistema, 0,4 ± 0,2 mBq m -3 . [11]
El aire purificado se suministra a través del espacio entre la superficie del agua y la parte superior del tanque Super-Kamiokande. El sistema de purificación de aire contiene tres compresores, un tanque de compensación, secadores, filtros y filtros de carbón activado . En total se utilizan 8 m 3 de carbón activado. Los últimos 50 litros de carbón se enfrían a -40 °C para aumentar la eficiencia de eliminación del radón. Los caudales típicos, el punto de rocío y la concentración de radón residual son 18 m 3 /h, −65 °C (@+1 kg/cm 2 ) y unos pocos mBq m −3 , respectivamente. La concentración típica de radón en el aire del domo se mide en 40 Bq m -3 . Los niveles de radón en el aire del túnel de la mina, cerca de la cúpula de la cavidad del tanque, normalmente alcanzan entre 2000 y 3000 Bq m −3 durante la estación cálida, de mayo a octubre, mientras que de noviembre a abril el nivel de radón es de aproximadamente 100 a 300 Bq m −3 . Esta variación se debe al efecto chimenea en el patrón de ventilación del sistema de túneles de la mina; En las estaciones frías, el aire fresco fluye hacia la entrada del túnel de Atotsu, que es un camino relativamente corto a través de la roca expuesta antes de llegar al área experimental, mientras que en el verano, el aire sale del túnel, extrayendo aire rico en radón desde las profundidades de la mina más allá del área experimental. [11]
Para mantener los niveles de radón en el área del domo y el sistema de purificación de agua por debajo de 100 Bq m −3 , se bombea continuamente aire fresco a aproximadamente 10 m 3 /min desde el exterior de la mina, lo que genera una ligera sobrepresión en el experimento Super-Kamiokande. área para minimizar la entrada de aire ambiental de la mina. Se construyó una "cabaña de radón" (cabaña Rn) cerca de la entrada del túnel de Atotsu para albergar el equipo del sistema de aire del domo: una bomba de aire de 40 hp con una capacidad de bomba de 10 m 3 min −1/15 PSI, deshumidificador de aire, tanques con filtro de carbón, y electrónica de control. En otoño de 1997, se instaló una tubería de entrada de aire ampliada en un lugar aproximadamente a 25 m por encima de la entrada del túnel de Atotsu. Este bajo nivel satisface los objetivos de calidad del aire, de modo que ya no serían necesarias operaciones de regeneración de filtros de carbón. [11]
El procesamiento de datos fuera de línea se produce tanto en Kamioka como en Estados Unidos.
El sistema de procesamiento de datos fuera de línea está ubicado en Kenkyuto y está conectado al detector Super-Kamiokande con un enlace de fibra óptica FDDI de 4 km. El flujo de datos desde el sistema en línea es de 450 kbytes s −1 en promedio, lo que corresponde a 40 Gbytes día −1 o 14 Tbytes año −1 . Las cintas magnéticas se utilizan en sistemas fuera de línea para almacenar datos y la mayor parte del análisis se realiza aquí. El sistema de procesamiento fuera de línea está diseñado de forma independiente de la plataforma, ya que para el análisis de datos se utilizan diferentes arquitecturas informáticas. Por este motivo, las estructuras de datos se basan en el sistema bancario ZEBRA desarrollado en el CERN , así como en el sistema de intercambio ZEBRA. [11]
Los datos de eventos del sistema DAQ en línea Super-Kamiokande contienen básicamente una lista del número de conteos de PMT, TDC y ADC, marcas de tiempo de GPS y otros datos de mantenimiento. Para el análisis de neutrinos solares, reducir el umbral de energía es un objetivo constante, por lo que supone un esfuerzo continuo para mejorar la eficiencia de los algoritmos de reducción; sin embargo, los cambios en las calibraciones o los métodos de reducción requieren el reprocesamiento de datos anteriores. Normalmente, cada mes se procesan 10 Tbytes de datos sin procesar, de modo que una gran cantidad de potencia de CPU y E/S de alta velocidad acceden a los datos sin procesar. Además, también es necesario un procesamiento exhaustivo de simulación Monte Carlo . [11]
El sistema fuera de línea fue diseñado para satisfacer la demanda de todo esto: almacenamiento en cinta de una gran base de datos (14 Tbytes año-1), procesamiento estable semi-real, reprocesamiento casi continuo y simulación Monte Carlo. El sistema informático consta de tres subsistemas principales: el servidor de datos, la granja de CPU y la red al final de la ejecución I. [11]
En la Universidad Stony Brook en Stony Brook, Nueva York , se instaló un sistema dedicado al procesamiento de datos fuera de línea para procesar datos sin procesar enviados desde Kamioka. La mayoría de los datos sin procesar reformateados se copian desde las instalaciones del sistema en Kamioka. En Stony Brook se instaló un sistema para el análisis y procesamiento posterior. En Stony Brook, los datos sin procesar se procesaron con una unidad DLT de cintas múltiples. Los procesos de reducción de datos de la primera etapa se realizaron para el análisis de alta energía y para el análisis de baja energía. La reducción de datos para el análisis de alta energía fue principalmente para eventos de neutrinos atmosféricos y búsqueda de desintegración de protones, mientras que el análisis de baja energía fue principalmente para eventos de neutrinos solares. Los datos reducidos para el análisis de alta energía se filtraron adicionalmente mediante otros procesos de reducción y los datos resultantes se almacenaron en discos. Los datos reducidos para la baja energía se almacenaron en cintas DLT y se enviaron a la Universidad de California , Irvine, para su posterior procesamiento.
Este sistema de análisis de compensación continuó durante tres años hasta que se demostró que sus cadenas de análisis producían resultados equivalentes. Por lo tanto, para limitar la mano de obra, las colaboraciones se concentraron en un único análisis combinado [28]
En 1998, Super-K encontró la primera evidencia sólida de oscilación de neutrinos a partir de la observación de neutrinos muónicos transformados en neutrinos tau. [29]
SK ha establecido límites a la vida útil de los protones y otras desintegraciones raras y propiedades de los neutrinos. SK estableció un límite inferior para los protones que se desintegran en kaones de 5,9 × 10 33 años [30]
En enero de 2023, a partir de los datos recopilados durante el período 1996-2018, Super-Kamiokande informó nuevos límites para la materia oscura sub-GeV , excluyendo la sección transversal de dispersión elástica de materia oscura-nucleón entre y con masas de a . [4] [5]
Super-Kamiokande es el tema de la fotografía de Andreas Gursky de 2007, Kamiokande [31] y apareció en un episodio de Cosmos: A Spacetime Odyssey . [32]
En septiembre de 2018, el detector fue drenado para mantenimiento, lo que brindó a un equipo de reporteros de la Australian Broadcasting Corporation la oportunidad de obtener video con resolución 4K desde el interior del tanque de detección. [33]
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