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 de 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 estudiar las oscilaciones de neutrinos del haz de neutrinos del acelerador artificial . [3] : 6, 20–28 El inicio de la toma de datos está previsto para 2027. [4]
Las instalaciones experimentales Hyper-Kamiokande estarán ubicadas en dos lugares:
Las oscilaciones de neutrinos son un fenómeno de la mecánica cuántica en el que los neutrinos cambian su sabor (los sabores de neutrinos afirman:vmi,vµ,vτ) mientras se mueve, causado por el hecho de que los estados de sabor de los neutrinos son una mezcla de los estados de masa de los neutrinos (ν 1 , ν 2 , ν 3 estados de masa 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 en 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 puro) y lo comparará con lo esperado en caso de que no haya oscilaciones. , que se calcula inicialmente en base a modelos de interacción y flujo de neutrinos y se mejora mediante mediciones realizadas por los detectores cercanos e intermedios. Para la energía máxima 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 (anti)neutrinos muones P
v
µ→
v
µ, PAG
v
µ→
v
µ, y probabilidad de aparición de electrones (anti)neutrinos P
v
µ→
v
mi, PAG
v
µ→
v
mi, donde P ν α → P ν β es la probabilidad de que se observe más tarde que un neutrino originalmente de sabor α tiene sabor β. [3] : 202–224
Comparación de las probabilidades de aparición de neutrinos y antineutrinos (P
v
µ→
v
miversus p
v
µ→
v
mi) permite medir 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 toma 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 valores posibles de δ CP . La violación de CP es una de las condiciones necesarias para producir el exceso de materia sobre antimateria en el universo primitivo, que forma ahora nuestro universo construido con materia. Los neutrinos aceleradores también se utilizarán para mejorar la precisión de 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 del haz HK (295 km, 600 MeV), el efecto de la materia es pequeño. Además de los rayos de neutrinos, 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 planeta, lo que significa que HK tiene acceso a neutrinos que han viajado a través de una amplia gama 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 de haz y neutrinos atmosféricos 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 del núcleo producen grandes cantidades de neutrinos . Para una supernova en la galaxia de Andrómeda , se esperan entre 10 y 16 eventos de neutrinos en el detector lejano HK. Para 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. Para Betelgeuse a una distancia de 0,2 kpc, esta velocidad podría alcanzar hasta 10 8 interacciones por segundo y una tasa de eventos tan alta se tuvo en cuenta en el diseño del sistema electrónico del detector y 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 neutrinos en el detector lejano HK puede proporcionar una advertencia temprana para la observación de supernovas electromagnéticas y puede usarse en otras observaciones de múltiples mensajes . [3] : 263–280 [7]
Los neutrinos producidos acumulativamente por explosiones de supernovas a lo largo de la historia del universo se denominan neutrinos relictos 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/cm 2 /seg.), aún no se han descubierto. Con diez años de recopilación de datos, se espera que HK detecte alrededor de 40 eventos SRN en el rango de energía de 16 a 30 MeV. [3] : 276–280 [8]
para el sol
v
miLos objetivos del experimento HK son:
Los geoneutrinos se producen en la desintegración de radionucleidos dentro de la Tierra. Los estudios de geoneutrinos Hyper-Kamiokande 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 se ha observado, pero algunas grandes teorías unificadas (GUT) la predicen y es el resultado de una violación del número bariónico (B). La violación 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+
→v+k+predicho por teorías que incluyen la supersimetría . 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 1,6x10 34 a 6,3x10 34 años para su canal de desintegración más sensible (
pag+
→
mi+
+
π0
) y de 0,7x10 34 a 2,0x10 34 años para el
pag+
→
v
+
k+
canal. [3] : 26–28, 245–257 [11]
La materia oscura es una forma hipotética de materia no luminosa 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 por aniquilación o desintegración. Esos neutrinos podrían ser visibles en el detector HK como un exceso de neutrinos desde la dirección de grandes potenciales gravitacionales como el centro galáctico , el Sol o la Tierra , sobre un fondo atmosférico isotrópico de neutrinos . [3] : 281–286
El experimento Hyper-Kamiokande consta de una línea de luz de neutrinos acelerador , un conjunto de detectores cercanos, el detector intermedio y el detector lejano (también llamado Hyper-Kamiokande). El detector lejano por sí solo se utilizará para búsquedas de desintegración de protones y estudios de 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 finalizará la toma de datos y HK se hará cargo de su línea de luz de neutrinos y del conjunto de detectores cercanos, mientras que los detectores intermedios y lejanos deberán construirse de nuevo. [12]
El detector intermedio de agua Cherenkov (IWCD) estará ubicado a una distancia de unos 750 metros (2460 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 equipada con alrededor de 400 módulos multi-PMT (mPMT), cada uno de los cuales constará 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 las interacciones de neutrinos en diferentes ángulos fuera del eje (ángulos con respecto al centro del haz de neutrinos), que van desde 1° en la parte inferior hasta 4° en la parte superior, y así para diferentes espectros de energía de neutrinos. [nota 1] Combinando los resultados desde diferentes ángulos fuera del eje, es posible extraer los resultados del espectro 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 comparar los resultados de estos dos detectores sin depender de simulaciones de respuesta del detector. Estos dos hechos, la independencia de la interacción de neutrinos y los modelos de respuesta del detector, permitirán a HK minimizar el error sistemático en el análisis de oscilaciones. Las ventajas adicionales de este diseño del detector es la posibilidad de buscar patrones de oscilación estériles para diferentes ángulos fuera del eje y obtener una muestra más limpia de las interacciones entre electrones y neutrinos , cuya fracción es mayor para ángulos fuera del eje más grandes. [3] : 47–50 [13] [14] [15] [16]
El detector Hyper-Kamiokande se construirá a 650 metros (2130 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 [17]
HK será un detector Cherenkov de agua , 5 veces más grande (258 mil toneladas de agua) que el detector SK. Será un tanque cilíndrico de 68 metros (223 pies) de diámetro y 71 metros (233 pies) de altura. El volumen del tanque se dividirá en el detector interior (ID) y el detector exterior (OD) mediante una estructura cilíndrica inactiva de 60 cm de ancho, con su borde exterior colocado 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) mirando tanto hacia el interior del ID como hacia el exterior del OD. En el ID, habrá al menos 20000 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 3600 PMT de 8 centímetros (3,1 pulgadas) de diámetro junto con placas de desplazamiento de longitud de onda (WLS) de 0,6x30x30 cm 3 (las placas recogerán los fotones incidentes y los transportarán a su PMT acoplado) y servirá como veto [ nota 3] para distinguir las interacciones que ocurren en el interior de las partículas que ingresan desde el exterior del detector (principalmente muones de rayos cósmicos ). [17] [18] [16]
La construcción del detector HK comenzó en 2020 y se espera que la recopilación de datos comience en 2027. [3] [4] [12] : 24 También se han realizado estudios sobre la viabilidad y los beneficios físicos de construir un segundo tanque de agua Cherenkov idéntico en Corea del Sur a unos 1100 km del J-PARC, que estaría operativo 6 años después del primer tanque. [5] [19]
Una historia de los grandes detectores de agua Cherenkov en Japón y los experimentos de oscilación de neutrinos de línea de base larga asociados con ellos, excluyendo HK.
Una historia del experimento Hyper-Kamiokande
{{cite journal}}: Mantenimiento CS1: varios nombres: lista de autores ( enlace )