T2K (" Tokai to Kamioka ") es un experimento de física de partículas que estudia las oscilaciones de los neutrinos del acelerador . El experimento se lleva a cabo en Japón gracias a la cooperación internacional de unos 500 físicos e ingenieros con más de 60 instituciones de investigación de varios países de Europa, Asia y América del Norte [1] y es un experimento reconocido por el CERN (RE13). [2] [3] T2K recopiló datos en su primera fase de funcionamiento desde 2010 hasta 2021. Se espera que la segunda fase de toma de datos (T2K-II) comience en 2023 y dure hasta el comienzo del sucesor de T2K, el experimento Hyper-Kamiokande en 2027. [4] : 12, 20
T2K fue el primer experimento que observó la aparición de neutrinos electrónicos en un haz de neutrinos muónicos . [5] También proporcionó la mejor medición del mundo del parámetro de oscilación θ 23 [6] y un indicio de una asimetría significativa materia-antimateria en las oscilaciones de neutrinos. [7] [8] La medición de la asimetría de oscilación neutrino-antineutrino puede acercarnos a la explicación de la existencia de nuestro Universo dominado por la materia . [9] [10]
El haz intenso de neutrinos muónicos se produce en las instalaciones del J-PARC (Japan Proton Accelerator Research Complex) en Tokai, en la costa este de Japón. El haz se dirige hacia el detector lejano Super-Kamiokande , ubicado a 295 kilómetros (183 millas) de distancia en la ciudad de Hida , prefectura de Gifu . Las propiedades y la composición del flujo de neutrinos se miden primero mediante un sistema de detectores cercanos ubicados a 280 metros (920 pies) del lugar de producción del haz en el sitio del J-PARC, y luego nuevamente en el detector Super-Kamiokande. La comparación del contenido de diferentes sabores de neutrinos en estas dos ubicaciones permite medir la probabilidad de oscilaciones en el camino entre los detectores cercanos y lejanos. Super-Kamiokande puede detectar interacciones tanto de neutrinos muónicos como electrónicos, y así medir la desaparición del flujo de neutrinos muónicos, así como la aparición de neutrinos electrónicos en el haz. [11]
El experimento T2K se propuso en 2003 con los siguientes objetivos de medición: [11]
Desde el inicio de la recopilación de datos en 2010, el experimento T2K ha conseguido proporcionar una lista de resultados de primera clase:
δ CP toma valores de - π a π (es decir, de −180° a 180°) y se puede medir comparando las oscilaciones de los neutrinos con las de los antineutrinos. La simetría CP se conservaría y, por lo tanto, las probabilidades de oscilación serían las mismas para los neutrinos y los antineutrinos, para δ CP igual a 0 o ± π . T2K proporcionó la primera y más fuerte restricción hasta ahora sobre δ CP , rechazando en el nivel de significación 3σ (99,7%) casi la mitad de los valores posibles, descartando los dos puntos de conservación de CP en el nivel de significación del 95% y dando un fuerte indicio de que la violación de CP puede ser grande en el sector de neutrinos. La violación de CP es una de las condiciones propuestas por el físico ruso Andrei Sakharov , necesaria para producir el exceso de materia con respecto a la antimateria en el universo temprano , que forma ahora nuestro Universo construido por materia . La violación de CP en la sección de quarks fue confirmada ya en 1964, [25] pero es demasiado pequeña para explicar el desequilibrio materia-antimateria observado. La fuerte violación de CP en el sector de neutrinos podría conducir a un exceso de producción de materia a través del proceso llamado leptogénesis y, por lo tanto, dicha medición sería un paso importante para comprender cómo se formó el Universo. [8] [26] [27]
El experimento NOvA es el otro experimento de oscilación de neutrinos capaz de medir δ CP a través de la comparación entre
no
micras→
no
miy
no
micras→
no
micanales de oscilación. NOvA se lleva a cabo en los Estados Unidos y mide la oscilación de neutrinos del acelerador a una distancia de 810 km en el camino entre el lugar de producción del haz en Fermilab y el detector lejano en Ash River, Minnesota . NOvA proporcionó una medición menos precisa de δ CP , que está en ligera tensión con el resultado de T2K. El punto de mejor ajuste de T2K se encuentra en la región desfavorecida por NOvA en el nivel de confianza del 90%. Hay trabajos en curso para obtener un ajuste conjunto de los datos de ambos experimentos para cuantificar la consistencia entre ellos. [28] [29]
Se espera que futuras actualizaciones de T2K proporcionen mediciones más precisas de Δ m2
23y parámetros θ 23 , mediciones de sección transversal que ampliarán nuestra comprensión de las interacciones de neutrinos y, por lo tanto, mejorarán los modelos teóricos utilizados en los generadores de neutrinos, así como una mayor restricción de la fase δ CP y la confirmación de si la simetría CP se conserva o viola en la oscilación de neutrinos en el nivel de significancia 3σ en el T2K-II y 5σ en el experimento Hyper-Kamiokande. [30] [31]
T2K utiliza un haz de neutrinos muónicos o antineutrinos muónicos producido en las instalaciones del J-PARC utilizando un haz de protones acelerado gradualmente hasta 30 GeV mediante un sistema de tres aceleradores : primero a 400 MeV de energía mediante el acelerador lineal Linac, luego hasta 3 GeV mediante el RCS (Sincrotrón de Ciclo Rápido) y, finalmente, hasta 30 GeV mediante el sincrotrón MR (Anillo Principal). Los protones chocan con un objetivo de grafito , produciendo mesones , principalmente piones y kaones , que luego son enfocados por un conjunto de tres cuernos magnéticos y dirigidos hacia un túnel llamado volumen de desintegración. Dependiendo de la polaridad de los cuernos, se enfocan partículas positivas o negativas. Los piones y kaones positivos se desintegran principalmente en
micras+
y
no
micras, formando un haz de neutrinos muónicos, mientras que los piones y kaones negativos se desintegran principalmente en
micras−
y
no
micras, formando un haz de antineutrinos muónicos. Todos los hadrones y leptones cargados restantes son detenidos por un bloque de grafito de 75 toneladas (el llamado depósito de haz) y en el suelo, mientras que los neutrinos viajan bajo tierra hacia el detector lejano. [11]
T2K es el primer experimento en el que se ha puesto en práctica el concepto de haz de neutrinos fuera del eje . El haz de neutrinos del J-PARC está diseñado de forma que pueda dirigirse a entre 2 y 3 grados del detector lejano Super-Kamiokande y de uno de los detectores cercanos, ND280. La energía media de los neutrinos disminuye con la desviación del eje del haz. El ángulo fuera del eje se eligió en 2,5° para maximizar la probabilidad de oscilación a una distancia correspondiente al detector lejano, que para 295 kilómetros (183 millas) es máxima para neutrinos de alrededor de 600 MeV. En este rango de energía de neutrinos, el tipo dominante de interacciones de neutrinos son interacciones cuasielásticas de corriente cargada , para las que es posible reconstruir la energía del neutrino interactuante solo sobre la base del momento y la dirección del leptón cargado producido. Las energías más altas de los neutrinos se suprimen por la configuración fuera del eje, lo que disminuye el número de interacciones con la producción de mesones, que son el trasfondo del análisis de oscilación en el experimento T2K. [11] [32]
El complejo de detectores cercanos [11] se encuentra a una distancia de 280 metros (920 pies) del objetivo de grafito. Su propósito es medir el flujo de neutrinos antes de las oscilaciones y estudiar las interacciones de los neutrinos. El sistema consta de tres detectores principales:
A excepción de las cámaras de proyección temporal en ND280, todo el material activo (que permite el seguimiento de partículas) de los detectores cercanos es un centelleador plástico . La luz producida al atravesar partículas cargadas en las barras y planos del centelleador plástico es recogida por fibras que cambian la longitud de onda y detectada por los contadores de fotones multipíxel Hamamatsu ubicados en uno o ambos extremos de las fibras. Las barras del centelleador están organizadas en capas, donde las barras de dos capas vecinas son perpendiculares entre sí y proporcionan juntas información 3D sobre las partículas que las atraviesan. [11]
El detector INGRID tiene como objetivo principal controlar diariamente la dirección e intensidad del haz mediante la detección directa de interacciones de neutrinos. El detector INGRID consta de 16 módulos idénticos dispuestos en forma de cruz, 7 en un brazo vertical y 7 en un brazo horizontal, más 2 módulos fuera de la cruz. La altura y el ancho de los brazos son de 10 metros (33 pies). Un solo módulo consta de capas alternas de hierro y un centelleador de plástico. Otras 4 capas de centelleador rodean el módulo por los lados para distinguir las partículas que entran desde el exterior de las producidas por interacciones dentro del módulo. La masa total de hierro en un módulo es de 7,1 toneladas y constituye el 96% del peso del módulo. En el eje del haz de neutrinos, en el medio de la cruz entre el brazo vertical y el horizontal, hay un módulo adicional construido solo con capas del centelleador de plástico (módulo Protón) con una masa de 0,55 toneladas. Su propósito es registrar interacciones cuasielásticas y comparar los resultados obtenidos con las simulaciones. [11]
El detector ND280 se utiliza para medir el flujo, el espectro de energía y la contaminación del haz de neutrinos electrónicos para el mismo ángulo fuera del eje que para el detector lejano. ND280 también investiga varios tipos de interacciones de neutrinos y antineutrinos electrónicos y muónicos. Todo esto permite estimar el número y tipo esperados de interacciones en el detector lejano, reduciendo el error sistemático en el análisis de oscilaciones de neutrinos asociado con los modelos de interacciones y flujo de neutrinos. [11]
El ND280 está compuesto por un conjunto de subdetectores internos: un detector Pi-Zero y un rastreador con dos detectores de grano fino intercalados con tres cámaras de proyección de tiempo, colocados dentro de un marco de metal llamado canasta. La canasta está rodeada por el calorímetro electromagnético y un imán reciclado del experimento UA1 que produce un campo magnético horizontal uniforme de 0,2 T e instrumentado con planos de centelleo que constituyen el detector de rango lateral de muones. [11]
El Pi-Zero (
π0
) El detector (P0D) contiene 40 planos de módulos centelleadores de plástico, que en la parte central están intercalados con bolsas de 2,8 cm de espesor rellenables de agua y láminas gruesas de latón, y en dos regiones periféricas los módulos centelleadores están intercalados con láminas de plomo. Al comparar la cantidad de interacción entre los modos con y sin agua en las bolsas, es posible extraer el número de interacciones de neutrinos que ocurren en el agua, el material objetivo dentro del detector lejano Super-Kamiokande. El tamaño de todo el volumen activo del P0D es de alrededor de 2,1 m × 2,2 m × 2,4 m (X × Y × Z) y su masa con y sin agua es de 15,8 y 12,9 toneladas respectivamente.
El objetivo principal del detector Pi-Zero es medir la producción de piones neutros en interacciones de neutrinos de corriente neutra en el agua:
Esta reacción puede imitar las interacciones entre neutrinos y electrones porque los fotones de
π0
La desintegración puede reconstruirse erróneamente como un electrón en el detector Super-Kamiokande, por lo que esta reacción puede imitar las interacciones de los neutrinos electrónicos y constituir un antecedente importante en la medición de la apariencia de los neutrinos electrónicos. [11] [35]
Las cámaras de proyección de tres tiempos (TPC) son cajas rectangulares herméticas al gas, con un plano catódico en el centro y módulos de lectura MicroMegas a ambos lados paralelos al cátodo. Las TPC se llenan con gas de deriva a base de argón bajo presión atmosférica. Las partículas cargadas que cruzan la TPC ionizan el gas a lo largo de su trayectoria. Los electrones de ionización se desplazan desde el cátodo hacia los lados de la TPC, donde son detectados por el MicroMegas, que proporciona una imagen 3D de la trayectoria de la partícula cargada que los atraviesa. Las coordenadas Y y Z se basan en la posición de los electrones de ionización detectados en los módulos MicroMegas, y la coordenada X se basa en el tiempo de deriva de los electrones. En el campo magnético, la curvatura de esta trayectoria permite determinar la carga y el momento de la partícula, y la cantidad de electrones de ionización por unidad de distancia se utiliza para identificar partículas según la fórmula de Bethe-Bloch . [11] [36]
Dos detectores de grano fino (FGD) se colocan después del primer y segundo TPC. Juntos, los FGD y los TPC forman el rastreador de ND280. Los FGD proporcionan la masa objetivo activa para las interacciones de neutrinos y pueden medir las trayectorias cortas del retroceso de protones. El primer FGD está compuesto solo de capas de centelleador, mientras que el segundo FGD está compuesto de capas alternas de centelleador y agua. El segundo FGD está parcialmente compuesto de agua porque el detector Super-Kamiokande está basado en agua. Las secciones transversales en el carbono y en el agua se pueden determinar a partir de una comparación de las interacciones de neutrinos en los dos FGD. [11] [37]
El calorímetro electromagnético (ECal) rodea los detectores internos (P0D, TPC, FGD) y está formado por capas de centelleo intercaladas con láminas absorbentes de plomo. Su función es detectar partículas neutras, especialmente fotones, y medir su energía y dirección, así como detectar partículas cargadas proporcionando información adicional relevante para su identificación. [11] [38]
El detector de alcance lateral de muones (SMRD) consta de módulos centelleadores que se insertan en los huecos del imán. El SMRD registra los muones que escapan de las partes internas del detector en ángulos amplios con respecto a la dirección del haz. Los tipos restantes de partículas (excepto los neutrinos) se detienen en su mayoría en el calorímetro. El SMRD también puede actuar como un disparador de rayos cósmicos . Finalmente, puede ayudar a identificar interacciones del haz en las paredes circundantes y en el propio imán. [11] [39]
WAGASCI-BabyMIND es un nuevo detector ubicado junto a los detectores INGRID y ND280, dedicado a los estudios de interacción de neutrinos . Proporcionó los primeros datos de haces de neutrinos utilizando una configuración de detector completa durante el funcionamiento de invierno de 2019/2020. [33] [34]
El WAGASCI-BabyMIND consta de varios subdetectores:
Gracias a esta estructura se obtuvo una alta relación de masa de agua a centelleador (80% H2O + 20% CH) y la aceptación es alta y aproximadamente constante en todas las direcciones. [33] [34]
Todo el material activo en los detectores está formado por centelleadores de plástico y se lee como se explica en la sección Lectura de señal. [33] [34]
El objetivo principal del detector WAGASCI-BabyMIND es la reducción del error sistemático en el análisis de la oscilación T2K , lo que se conseguirá gracias a su complementariedad con respecto al detector ND280:
El detector Super-Kamiokande se encuentra a 1000 m bajo tierra en la mina Mozumi, bajo el monte Ikeno en el área de Kamioka de la ciudad de Hida. Es un tanque cilíndrico de acero inoxidable de unos 40 m de altura y diámetro, lleno de 50.000 toneladas de agua e instrumentado con alrededor de 13.000 tubos fotomultiplicadores (PMT). Detecta un cono de luz Cherenkov emitido por partículas cargadas que se mueven en el agua a mayor velocidad que la luz en este medio. Su objetivo es medir los muones y electrones producidos en interacciones cuasielásticas de corriente cargada (CCQE) de
no
micrasy
no
mi, respectivamente. Debido a su masa relativamente grande, los muones normalmente no cambian su dirección y, por lo tanto, producen un cono bien definido de luz Cherenkov que los fototransistores observan como un anillo claro y nítido. Por el contrario, los electrones, debido a su masa más pequeña, son más susceptibles a la dispersión y casi siempre producen lluvias electromagnéticas , que los fototransistores observan como un anillo con bordes difusos. La energía de los neutrinos se calcula en función de la dirección y la energía de un leptón cargado producido en la interacción CCQE. De esta manera,
no
micrasy
no
miSe determinan los espectros, lo que conduce a la medición de los parámetros de oscilación relevantes para la desaparición del neutrino muónico y la aparición del neutrino electrónico. [11] [40]
T2K es un sucesor del experimento KEK to Kamioka ( K2K ), que funcionó desde 1999 hasta 2004. En el experimento K2K , se produjo un haz de acelerador de neutrinos muónicos en las instalaciones de KEK en Tsukuba ( Japón ) y se envió hacia el detector Super-Kamiokande , ubicado a 250 km de distancia. Los resultados del experimento K2K confirmaron con un nivel de confianza del 99,9985% (4,3 σ ) la desaparición de los neutrinos muónicos y fueron consistentes con las mediciones anteriores de los parámetros de oscilación medidos por el detector Super-Kamiokande para neutrinos atmosféricos . [41] [42]
La construcción de la línea de luz de neutrinos comenzó en 2004 y se puso en funcionamiento con éxito en 2009. La construcción de todo el detector INGRID y la mayor parte del detector ND280 (sin la parte de barril del calorímetro electromagnético) se completó en 2009. La parte faltante del calorímetro se instaló en el otoño de 2010. El detector lejano T2K es el gran detector Super-Kamiokande, que ha estado funcionando desde 1996 y estudia la vida útil de los protones y las oscilaciones de los neutrinos atmosféricos , solares y de aceleradores . [11]
El experimento T2K comenzó a tomar datos de neutrinos para un análisis físico en enero de 2010, inicialmente con un detector ND280 incompleto, y a partir de noviembre de 2010 con la configuración completa. La toma de datos se interrumpió durante un año por el Gran Terremoto de Tohoku en marzo de 2011. La potencia del haz de protones, y por lo tanto la intensidad del haz de neutrinos, creció constantemente, alcanzando en febrero de 2020 la potencia de 515 kW y un número total de protones acumulados en el objetivo de 3,6 × 10 21 protones [43] con el 55% de los datos en modo neutrino y el 45% en modo antineutrino. [4] : 12
El experimento T2K funcionó en su forma actual hasta 2020. En 2021 se tomó la primera serie de datos con gadolinio cargado en el detector lejano Super-Kamiokande. [4] : 12 En 2021-2022 se realizará una importante actualización de la línea de luz de neutrinos y del detector cercano ND280. De 2023 a 2026 se tomarán datos de neutrinos dentro de la segunda fase del experimento T2K (T2K-II). [44] [30] En 2027, se lanzará el sucesor del experimento T2K, el experimento Hyper-Kamiokande (HK), con el nuevo detector lejano Cherenkov de agua de 250.000 toneladas : el detector Hyper-Kamiokande . [4] : 20 [45] [46] También se considera la construcción de un detector Cherenkov de agua intermedia adicional a una distancia de alrededor de 2 kilómetros (1,2 millas) para el experimento HK. [46]
Se espera que la fase II del experimento T2K comience a principios de 2023 y dure hasta 2026, después del comienzo del experimento HK. Los objetivos físicos de T2K-II son la medición de los parámetros de oscilación θ 23 y Δ m2
23con una precisión de 1,7° y 1%, respectivamente, así como una confirmación a nivel de 3 σ o más de la asimetría materia-antimateria en el sector de neutrinos en un amplio rango de posibles valores verdaderos de δ CP – el parámetro responsable de la asimetría CP (materia-antimateria). El logro de estos objetivos requiere la reducción de errores estadísticos y sistemáticos. Por lo tanto, una mejora significativa de la línea de luz y del detector ND280, dopando el agua SK con gadolinio para permitir
no
/ Se realizarán discriminaciones en el detector lejano, así como mejoras en el software y en los métodos de análisis. [30]
El plan de mejora del haz requiere un cierre de un año del acelerador de anillo principal J-PARC en 2021, seguido de un aumento gradual y constante de la potencia del haz de protones hasta el inicio del experimento HK. La potencia del haz debería alcanzar los 750 kW en 2022 y luego crecer a 1,3 MW en 2029. [47]
En febrero de 2020, la potencia del haz de protones alcanzó los 515 kW con 2,7x10 14 protones por pulso y con 2,48 segundos entre pulsos (el llamado ciclo de repetición). Para alcanzar los 750 kW, el ciclo de repetición se reducirá a 1,32 s con 2,0x10 14 protones por pulso, mientras que para 1,3 MW el ciclo de repetición debe reducirse aún más a 1,16 s y el número de protones por pulso debe aumentar a 3,2x10 14 . Además de aumentar la potencia del haz de protones primario, también se aumentará la corriente en las bocinas que enfocan partículas secundarias ( piones , kaones , etc.) con una carga eléctrica seleccionada de 250 kA a 320 kA. Esto aumentará la cantidad de neutrinos de signo correcto (neutrinos en el haz del modo neutrino y antineutrinos en el haz del modo antineutrino) en un 10%, y reducirá la cantidad de neutrinos de signo incorrecto (antineutrinos en el haz del modo neutrino y neutrinos en el haz del modo antineutrino) en alrededor de un 5 - 10%. [47] [48]
La reducción del ciclo de repetición requerirá una serie de actualizaciones de hardware, incluida una actualización importante de las fuentes de alimentación del anillo principal y una actualización menor de las fuentes de alimentación de la bocina de enfoque, todas las cuales se instalarán durante el largo cierre en 2021. El aumento de la corriente de la bocina requerirá el uso de una tercera fuente de alimentación de bocina adicional. Mientras tanto, la mayor potencia del haz de protones exige una mejora de la capacidad de enfriamiento de los componentes de la línea de haz secundaria, como el objetivo de grafito , las bocinas magnéticas y el vertedero del haz, así como la eliminación de una mayor cantidad de agua de enfriamiento irradiada. [47] [48]
El diseño actual del detector ND280 está optimizado para la detección y reconstrucción de leptones que avanzan ( muones y electrones ), pero también tiene una serie de limitaciones, como la baja eficiencia de reconstrucción de partículas producidas casi perpendiculares y hacia atrás con respecto a la dirección del neutrino interactuante , así como un umbral de momento demasiado alto para reconstruir una gran parte de los piones producidos y los nucleones eliminados (protones y neutrones). En las interacciones de corriente cargada cuasielástica (CCQE), la interacción dominante en el detector cercano ND280, la cinemática del leptón producido es suficiente para la reconstrucción de la energía del neutrino entrante. Sin embargo, otros tipos de interacciones de neutrinos en las que se perdieron partículas adicionales ( piones , kaones , nucleones ) pueden reconstruirse erróneamente como CCQE e introducir un sesgo en el espectro de energía del neutrino reconstruido. Por lo tanto, es esencial optimizar el detector para que sea sensible a partículas adicionales y efectos nucleares .
Para abordar estos problemas es necesario adoptar tres medidas principales:
La actualización del detector ND280 (actualización ND280) aborda estos requisitos al reemplazar una parte del subdetector P0D con tres tipos de nuevos subdetectores. La parte descendente existente, que consta de dos detectores de centelleo de grano fino (FGD) y tres cámaras de proyección temporal (TPC), mantendrá su estructura en sándwich y continuará detectando leptones que avanzan y hadrones de alto momento. La parte ascendente que ahora alberga el subdetector P0D será reemplazada por tres nuevos subdetectores: un objetivo 3D centelleante (detector de grano superfino o SuperFGD), dos nuevas TPC encima y debajo del SuperFGD (TPC de alto ángulo o HATPC) y seis detectores de tiempo de vuelo (TOF) que rodean la nueva estructura. Cada uno de estos subdetectores se describe brevemente a continuación. [49] La instalación de los nuevos subdetectores en ND280 se realizará en 2022. [44] [50] : 18
El SuperFGD [51] es un detector de 2 x 2 x 0,5 metros (6 pies 7 pulgadas × 6 pies 7 pulgadas × 1 pie 8 pulgadas) que consta de aproximadamente 2 millones de cubos de poliestireno centelleantes de 1 cm 3 . Los cubos están tejidos con una serie de fibras ópticas diseñadas para detectar la luz emitida por las partículas producidas durante las interacciones en el objetivo. A diferencia de los FGD actuales, el SuperFGD tiene una lectura 2D proyectiva triple que proporciona una lectura cuasi-3D. Esta configuración de lectura aumenta la detección de pistas cortas casi uniformemente en todas las direcciones. Debido a su geometría y acoplado con el TOF y los HATPC, el SuperFGD tiene la capacidad de detectar neutrones rápidos, lo que podría ser útil en la reconstrucción de la energía del antineutrino . [49]
Las Cámaras de Proyección de Tiempo de Alto Ángulo (HATPCs) rodearán el SuperFGD en el plano perpendicular al haz de neutrinos entrante. Su diseño es similar al de las TPCs existentes, ya que ambas utilizan la tecnología de módulos MicroMegas para la reconstrucción de la trayectoria. La principal característica novedosa de las HATPCs, además de su cobertura de alto ángulo, es el uso de la tecnología resistiva MicroMegas. [52] Esta última consiste en aplicar una capa de material resistivo para aumentar las capacidades de compartición de carga de los módulos MicroMegas. Esto reduce el número de canales de lectura y permite una resolución espacial que es tan buena como la de las TPCs actuales. [49]
Los seis detectores de tiempo de vuelo (TOF) que rodean los HATPC y el SuperFGD son una serie de capas de centelleador de plástico diseñadas para identificar el sentido de la dirección de las partículas a través de la medición del tiempo de vuelo para cada pista que se cruza con una resolución temporal del orden de 140 ps. [53] Se ha demostrado que la capacidad de determinar el sentido de la dirección de la pista en el ND280 real es fundamental para reducir el fondo generado fuera de los detectores internos activos. [49]
El impacto que la actualización del ND280 tendrá en los análisis en T2K es doble. En primer lugar, un aumento en las estadísticas gracias al objetivo SuperFGD de 2 toneladas permitirá casi duplicar la cantidad de datos en ciertas muestras. En segundo lugar y más relevante, la nueva configuración permitirá una mejor detección de partículas adicionales en estado final: partículas de alto ángulo gracias a la mayor aceptación angular y partículas menos energéticas debido a umbrales de detección más bajos. Esta mejora en la aceptación del detector es importante para cubrir casi el mismo espacio de fase disponible en el detector lejano (SK). Además, las partículas en estado final permitirán investigar los efectos nucleares que son esenciales para limitar los efectos sistemáticos del análisis de oscilaciones. También es un paso importante en la transición hacia el uso de modelos semi-inclusivos o exclusivos en la física de oscilaciones de neutrinos, en oposición a los modelos inclusivos actuales que solo utilizan el leptón en estado final en sus predicciones. [49]
El tercer elemento que se debe mejorar en la fase II de T2K es la introducción de gadolinio en el Super-Kamiokande, que hasta ahora estaba lleno de agua ultrapura. SK no puede medir la carga de la partícula registrada. Eso significa que no es posible distinguir la interacción entre neutrinos y antineutrinos basándose en la carga del leptón producido (por ejemplo,
micras−
es producido por
no
micrasmientras
micras+
por
no
micras). En las interacciones (anti)neutrino-núcleo, además de la producción de un leptón cargado, normalmente se forma un nucleón a partir del núcleo . Debido a la conservación de la carga , en el caso de los neutrinos suele ser un protón y en el de los antineutrinos, un neutrón:
El umbral de energía de Cherenkov (energía total mínima de una partícula cargada para producir luz Cherenkov ) es proporcional a la masa de la partícula, y en el agua es igual a 0,8 MeV para electrones, 160 MeV para muones y 1400 MeV para protones. [55] Por lo tanto, los protones liberados en interacciones de neutrinos a menudo caen por debajo del umbral y permanecen sin detectar. El neutrón, como partícula neutra, no produce luz Cherenkov. Sin embargo, puede ser absorbido por otro núcleo, que pasa a un estado excitado y durante la desexcitación produce rayos gamma . Los fotones de alta energía (para el gadolinio su energía total es de aproximadamente 8 MeV) dispersan electrones de un átomo y/o producen pares electrón-positrón , que luego producen luz Cherenkov. El gadolinio es un elemento natural con la sección transversal más alta en la captura de neutrones a energía térmica . Para neutrones de 25 meV, la sección eficaz del gadolinio es aproximadamente 10 5 veces mayor que la del hidrógeno . La fracción de neutrones que se capturará en SK es del 50% para una concentración de Gd del 0,01% y del 90% para una concentración del 0,1% (la concentración final de Gd planificada en SK). La señal de captura de neutrones se retrasa una fracción de milisegundo (el tiempo que el neutrón viaja a través del agua antes de la captura más el tiempo en que Gd permanece en el estado excitado) con respecto a la señal del leptón cargado y generalmente aparece a una distancia de 50 cm (la distancia recorrida por el neutrón antes de la captura) desde el punto de interacción del neutrino. Un evento de doble destello de este tipo (el primer destello del leptón cargado, el segundo destello de los fotones de desexcitación de Gd) es una firma de una interacción de antineutrino. [56] [57]
La primera carga de 13 toneladas de Gd2 ( SO4 ) 3 · 8H2O ( sulfato de gadolinio(III) octahidrato ) en agua de SK se realizó en julio-agosto de 2020 y dio como resultado una concentración de Gd del 0,011 %. T2K recopiló sus primeros datos con Gd en SK en marzo-abril de 2021. El uso de agua dopada con gadolinio permitirá estudiar los neutrinos de supernovas remotas , para lo cual
no
miLos neutrinos son los más reactivos en SK, pero aún no se pueden distinguir de los neutrinos de otras fuentes. También mejorará el rendimiento del detector para las explosiones de supernovas en nuestra galaxia y estudiará mejor las diferencias materia-antimateria en las oscilaciones de neutrinos del acelerador . [56] [57]
El sucesor del experimento T2K, el experimento Hyper-Kamiokande (HK), utilizará el sistema mejorado del acelerador y la línea de luz de neutrinos que se utilizan actualmente y un conjunto mejorado del detector cercano. Aparte de eso, se construirá un nuevo detector lejano, el detector Hyper-Kamiokande , y posiblemente también un nuevo detector intermedio . Parte de los trabajos de actualización relacionados con el haz y la actualización del detector ND280 se realizarán aún antes del inicio de la fase II del experimento T2K. Se espera que el experimento HK comience a funcionar alrededor del año 2027. [4] : 20 [46] [58] [59]
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