T2K ist nun seit über einem Jahrzehnt in Betrieb und hat sein ursprüngliches physikalisches Programm erfolgreich abgeschlossen, auch wenn mit zunehmender Datenname weitere Verbesserungen bei der Messung von Neutrino-Oszillationsparametern und Wechselwirkungsquerschnitten möglich sein werden. Je mehr Daten gesammelt werden, desto wichtiger wird es jedoch, den Detektor zu verbessern, damit auch die systematischen Unsicherheiten verringert werden können. Das japanische Neutrinophysikprogramm sieht vor, T2K umfassend zu verbessern und in den nächsten Jahrzehnten den Nachfolger des T2K-Experiments, das Hyper-Kamiokande-Experiment, zu starten.
T2K-II/T2K-Upgrade
Die Phase II des T2K-Experiments (T2K-II) umfasst Pläne für umfangreiche Aufrüstungen der Neutrino-Beamline, des ND280-Nahdetektors sowie die Dotierung des Wassers von Super-K mit Gadolinium. Ziel von T2K-II ist eine 3σ-Bestätigung, ob die CP-Symmetrie in den Neutrino-Oszillationen erhalten bleibt oder verletzt wird, d.h. ob Neutrinos und Antineutrinos gleich Oszillieren.
Verbesserung des Neutrinostrahls
Der derzeitige J-PARC-Hauptring (MR) beschleunigt Protonen alle 2,48 Sekunden auf 30 GeV und liefert einen Protonenstrahl mit einer Leistung von 515 kW für das T2K-Experiment. Das Upgrade zielt darauf ab, die Strahlleistung bis 2022 auf 750 kW und bis zum Start des Hyper-K-Experiments (siehe unten) auf 1,3 MW zu erhöhen. Dadurch können mehr Neutrinos produziert und später nachgewiesen werden. Dafür müssen mehr Protonen in kürzeren Zeitabständen auf das Graphittarget geschossen werden. Gleichzeitig müssen die Verluste von Protonen beim Beschleunigen minimiert werden. Eine verbesserte Stromversorgung der Magnete und der Hochfrequenzsysteme wird dazu beitragen, die Zeit zwischen den Protonenschüssen auf das Target von 2,48s auf 1,16s zu verkürzen und die Stabilität zu verbessern. Die Anzahl der Protonen pro Schuß wird bis etwa 2026 von 2,65*1014 auf 3,2*1014 erhöht. Die Aufrüstung der Strahlprofilmonitore ist ebenfalls unerlässlich, um bei erhöhter Strahlleistung, die Strahleigenschaften genauer zu messen und die systematischen Unsicherheiten bei den Neutrinoflussmessungen zu verringern.
Mit dem Upgrade des Beschleunigers ist auch die Verbesserung der Neutrinoextraktions-Strahllinie erforderlich. Der Protonenstrahl trifft auf ein 91,4 cm langes monolithisches Kohlenstofftarget, das mit Heliumgas gekühlt wird. Die Kühlkapazität wird erhöht, und es wird ein neues Target für die höhere Strahlleistung entwickelt. Außerdem werden neue Arten von Targets in Betracht gezogen, um die effektive Anzahl der erzeugten Neutrinos weiter zu maximieren. Die Modernisierung der magnetischen Hörner ist wichtig, um die Fokussierung von Pionen, die in Neutrinos zerfallen, zu verbessern. Der Austausch von Horn 1 und Horn 2 sowie die Verbesserung der Stromversorgungen von 250 auf 320 kA sind 2022 vorgenommen worden was zu einer Steigerung des Neutrinoflusses mit richtigem Vorzeichen (Neutrinos für den Neutrinostrahlmodus und Antineutrinos für den Antineutrinostrahlmodus) um 10 % und zu einer Verringerung des Neutrinostroms mit falschem Vorzeichen um 5-10 % führt. Im Inneren der magnetischen Hörner werden die stromführenden Leitungen auf von Heliumgas auf Wasserkühlung umgerüstet, während die Wasserkühlungsleitungen um den Helium-Behälter, das Zerfallsvolumen und den Beam-Dump durch Erhöhung des Wasserflusses ebenfalls verbessert werden. Der Wassertank wird ebenfalls aufgerüstet, um genügend Platz für die Handhabung des entsorgten und verdünnten radioaktiven Wassers zu haben, das bei der Neutrinostrahlerzeugung anfällt. Elektronenvervielfacher-Röhren und MUMON-Stromwandler werden für die Messung des sekundären Myonen-Strahlprofils (Myonen aus Pionenzerfällen) bzw. für die Messung des Myonen-Vorzeichens am Myonen-Monitor hinter dem Strahlenkanal entwickelt, um die Empfindlichkeit der Messung des Neutrinostrahlprofils zu erhöhen.
ND280 upgrade
Der Nah-Detektor ND280 ist seit der Inbetriebnahme des T2K-Experiments im Jahr 2009 in Betrieb und hat eine wichtige Rolle bei der Eingrenzung der systematischen Unsicherheiten gespielt. Dies hat dazu beigetragen die Präzision für die Entdeckung von νμ → νe Oszillationen zu verbessern. Mit dem Upgrade des J-PARC-Strahls auf eine höhere Strahlleistung besteht das nächste Ziel darin, ausreichend Daten für die Bestimmung der CP-Verletzung im leptonischen Sektor mit einer Genauigkeit von mehr als 3σ zu erhalten. Dazu ist es erforderlich, die verbleibenden systematischen Unsicherheiten weiter zu reduzieren. Insbesondere ist der derzeitige Nah-Detektor immer noch auf die Winkelakzeptanz der meisten vorwärts gerichteten Ereignisse beschränkt, und außerdem ist die Rekonstruktion kurzer Spuren nur schwer möglich. Daher kann nicht jede Art von Neutrino-Wechselwirkung mit ausreichender Präzision analysiert werden.
Um diese Unzulänglichkeiten zu beheben, wird der π0-Detektor (P0D) des derzeitigen ND280 durch drei neue Unterdetektortypen ersetzt: Der Super-Fine-Grain-Detektor (SuperFGD), der zwischen zwei High Angle Time Projection Chambers (HA-TPCs) eingebettet ist, und sechs Flugzeitdetektoren (Time-of-Flight, ToF), die sowohl den SuperFGD als auch die HA-TPCs umgeben. Der SuperFGD besteht aus hochmodernen Kunststoff-Szintillator-Würfeln mit einer Größe von 1 cm3 und drei senkrecht zueinanderstehenden Ausleseebenen. Die feine Quaderstruktur erlaubt aufgrund ihrer isotropen Beschaffenheit Spuren in allen Raumrichtungen nachzuweisen und hat auch eine höhere Effizienz kurze Spuren zu detektieren. Dies ermöglicht eine präzisere Messung von Protonen und geladenen Pionen, die meist kurze Spuren erzeugen, und ermöglicht den Nachweis von Neutronen durch Messungen von Sekundärteilchen, die bei nachfolgenden Wechselwirkungen entstehen. Die HA-TPCs sind mit einer hochmodernen Auslesetechnologie, den resistiven MicroMegas, ausgestattet, die eine wesentliche Verbesserung der Positionsauflösung ermöglichen. Ihre horizontale Konfiguration ermöglicht die Identifizierung und Impulsrekonstruktion für aufwärts und abwärts gehende Spuren, was die vorwärts gehenden Teilcheninformationen der aktuellen, vertikalen TPCs ergänzt. Die genaue Zeitinformation von Teilchen, die durch den ToF-Detektor fliegen, ermöglicht die Identifizierung der Teilchenrichtung und damit die Unterscheidung von Teilchen, die innerhalb des Detektors erzeugt werden, von dem außerhalb des Detektors erzeugten Hintergrund. Diese Vorteile der neuen Subdetektoren bilden die Grundlage für präzisere Messungen von Neutrino-Wechselwirkungsquerschnitten, einschließlich der Möglichkeit, Kerneffekte durch Messungen von Hadronen mit niedrigem Impuls zu untersuchen.
Mit diesem Detektor-Upgrade wird es in der T2K-Phase II möglich sein die systematischen Unsicherheiten von derzeit 6% auf ungefähr 4 % zu reduzieren. Das Upgrade ist derzeit in Vorbereitung und wird 2022/23 abgeschlossen sein.
SK-Gd
Der Super-Kamiokande Detektor war die meiste Zeit seines Betriebes mit ultrareinem Wasser befüllt. 2021 wurde jedoch das Seltene Erden-Element Gadolinium in diesem Wasser aufgelöst. Diese Phase des Detektors wird als SK-Gd bezeichnet. Gadolinium (Gd) hat eine sehr hohe Wahrscheinlichkeit Neutronen einzufang. Die Zugabe von Gd bedeutet, dass die Neutronen die durch Neutrino-Wechselwirkungen, wie zum Beispiel dem inversen Betazerfall (IBD, νe + p → e+ + n), entstehen, von Gd eingefangen werden. Die angeregten Gd-Kerne strahlen hochenergetischer Röntgenstrahlung ab, die dann von den PMTs als verzögertes Signal nachgewiesen werden können. Mit dem prompten Signal des Positrons und dem verzögerten Signal des eingefangenen Neutrons kann SK-Gd eine sehr viel präzisere Ereignisrekonstruktion durchführen. Der Anteil der Neutronen, die im Detektor eingefangen werden, steht in direktem Zusammenhang mit der Konzentration; nur ~0,1 % Gd ergibt eine Neutroneneinfangrate von etwa 90 %.
Eine bessere Rekonstruktion von IBD-Ereignissen hilft uns in verschiedenen Bereichen der Neutrinoforschung. Einer der vielversprechendsten ist die Suche nach so genannten Supernova-Relikt-Neutrinos (SRN) oder dem diffusen Supernova-Neutrino-Hintergrund (DSNB). Während galaktische Supernovae seltene Phänomene sind, wird erwartet, dass sie im gesamten Universum etwa einmal pro Sekunde auftreten. Es wird erwartet, dass die Neutrinos aus all diesen Supernovae einen globalen Fluss bilden, der mit SK-Gd gemessen werden kann. Die Messung des Reliktsignals kann uns Aufschluss über die Supernovae selbst, die Rate der Sternentstehung im Universum und die Kosmologie des Universums geben. Durch die Hinzufügung von Gd eröffnet sich für Super Kamiokande ein neuer Weg der Neutrinoforschung.
Hyper-Kamiokande
Hyper-Kamiokande ist das geplante Nachfolgeexperiment von T2K. Dabei wird die Neutrinostrahlintensität kontinuierlich erhöht und der oben beschriebene Nahdetektor wird weiterbenutzt. Super-Kamiokande wird durch einen größeren Wasser-Tscherenkov-Detektor, Hyper-Kamiokande, ersetzen. Außerdem ist geplant, einen Intermediate Water Cherenkov Detector (IWCD) in einer Entfernung von 1-2 km von der Neutrinoquelle zu bauen. Wie Super-Kamiokande wird auch Hyper-Kamiokande ein weitreichendes Physikprogramm haben, das sowohl Neutrinos aus J-PARC als auch atmosphärische Neutrinos aus der kosmischen Strahlung umfasst. Hyper-Kamiokande soll ab dem Jahr 2027 in Betrieb genommen werden.
Weitere Informationen über Hyper-Kamiokande finden Sie auf der
Weitere Informationen über Hyper-Kamiokande finden Sie auf der Hyper-Kamiokande-Webseite.For more information about Hyper-Kamiokande please visit der Hyper-Kamiokande web page.
Hyper-Kamiokande detektor
Hyper-Kamiokande ist ein Wasser-Tscherenkov-Detektor der dritten Generation – fünfmal größer als sein Vorgänger Super-Kamiokande. Die Konstruktion des Tanks und der Kaverne für Hyper-Kamiokande hat angefangen, und die Datennahme ist ab 2027 geplant.
Genau wie Super-Kamiokande ist der Detektor zylindrisches, hat jedoch eine Höhe von 71 m und einem Durchmesser von 68 m. Aufgrund des enorm vergrößerten Volumens wird der HyperK Detektor in der Lage sein, in nur 10 Jahren eine Datenmenge zu sammeln, die der Datenerfassungszeit von 100 Jahren mit Super-K entspricht. Dies erhöht die Chancen neue physikalische Phänomene zu entdecken.
Die physikalischen Ziele von Hyper-Kamiokande sind vielfältig, aber die wichtigsten sind die genauere Messung der CP-Verletzung, die bessere Bestimmung der Neutrinomassenordnung, der Nachweis kosmischer Neutrinos und die Beobachtung des Protonenzerfalls. Sowohl die Messung der CP-Verletzung als auch die Beobachtung des Protonenzerfalls sind der Schlüssel zur Klärung der Ursache der Materie-Antimaterie-Asymmetrie im Universum. Hyper-Kamiokande wird die CP-Verletzung untersuchen, indem es die Unterschiede zwischen den Flavour-Oszillationswahrscheinlichkeiten für Neutrinos und Antineutrinos misst. Für 75 % des CP-Parameterraums wird es in der Lage sein, eine CP-Verletzung ungleich Null mit 3σ-Signifikanz zu bestätigen, und für über 50 % des Parameterraums mit 5σ-Signifikanz. Die Untersuchung der Neutrinomassenordnung ist wichtig, weil sie dabei helfen wird, herauszufinden, welcher Mechanismus für die Erzeugung der Neutrinomassen verantwortlich ist. Die Massenordnung kann durch einen Vergleich des Auftretens von Elektron-Neutrinos in atmosphärischen Neutrinos, getrennt für Neutrinos und für Antineutrinos, bestimmt werden. Die Kenntnis der Massenordnung wird auch helfen zu überprüfen, ob das Neutrino sein eigenes Antiteilchen ist oder nicht.
Hyper-Kamiokande erreicht diese Messungen durch den Einsatz eines Detektors, der im Vergleich zu Super-Kamiokande nicht nur ein viel größeres Volumen hat, sondern auch erheblich verbesserte Photosensoren, die eine doppelt so hohe Detektionseffizienz aufweisen und die Lichtintensität und Detektionszeit mit viel größerer Präzision vermessen können. Optische Multi-PMT-Module, bei denen 19 3“-PMTs in demselben Modul wie ein normales 20-Zoll-PMT-Modul untergebracht sind, werden ebenfalls eingesetzt und ermöglichen eine höhere Granularität für eine verbesserte Ereignisrekonstruktion. Dies ist besonders wichtig für Ereignisse mit mehreren Ringen und für Ereignisse, die in der Nähe der Detektorwand stattfinden. Darüber hinaus wird die Dunkelrate der PMTs verringert und ein besserer Schutz gegen die Implosion des PMT-Gefäßes gewährleistet.
Intermediärer Wasser-Tscherenkov-Detektor (IWCD)
Der Intermediate Water Cherenkov Detector (IWCD) ist ein Nahdetektor, der als Teil des Hyper-Kamiokande-Langzeit-Neutrino-Physikprogramms vorgeschlagen wurde. IWCD ist ein kleiner Wasser-Tscherenkov-Detektor (6 m Höhe, 8 m Durchmesser) in der Größenordnung von 300 t, der etwa 1 km vom Strahlproduktionspunkt bei J-PARC entfernt aufgestellt wird.
Eine schematische Darstellung des IWCD ist in der Abbildung links zu sehen. Der IWCD wird mit “Multi-PMT”- oder mPMT-Modulen ausgestattet werden, wie im Abschnitt über das Water Cherenkov Test Experiment (WCTE) beschrieben werden (s.u.). Die mPMTs werden durch ihr schnelles Zeitverhalten und ihre Granularität eine präzise Rekonstruktion von Neutrino-Wechselwirkungen ermöglichen.
Das Ziel des IWCD ist es, die Neutrinoflüsse an mehreren Winkelpositionen relativ zur Strahlachse zu vermessen, um Untersuchungen von Neutrino-Wechselwirkungsmodellen zu ermöglichen. Wasser-Tscherenkov-Detektoren sind dafür bekannt, dass sie sehr gute Messungen von Elektronen-Neutrinos durchführen. Die Möglichkeit, einen solchen Detektor in der vertikalen Ebene zu bewegen, wird die IWCD zu einem sehr leistungsfähigen Nahdetektor machen.
Warum ein beweglicher Detektor? Das Energiespektrum zwischen Hyper-Kamiokande und den nahen Detektoren unterscheidet sich aufgrund von Neutrino-Oszillationen, und das Neutrino-Energiespektrum hängt vom Off-Axis-Winkel ab (siehe Bild rechts).
Die Aufnahme von Daten an verschiedenen Off-Axis-Bereichen ermöglicht es, daraus fast beliebige Energiespektren zu generieren. Es ist damit auch möglich, die Unterschiede zwischen wahrer und rekonstruierter Neutrinoenergie zu bestimmen.
Messungen des Elektronen-Neutrino-Wirkungsquerschnitts werden von wesentlicher Bedeutung sein, da die Empfindlichkeit der Hyper-Kamiokande CP-Verletzung durch die Unsicherheit des Elektronen-Neutrino-Wirkungsquerschnitts begrenzt wird. Die Messungen von IWCD werden dazu beitragen, die systematische Unsicherheit in der Hyper-Kamiokande-Oszillationsanalyse deutlich zu verringern.
Wasser-Čerenkov-Test-Experiment (WCTE) am CERN
Das Water Cherenkov Test Experiment (WCTE) ist ein Wasser-Tscherenkov-Detektor in kleinem Maßstab, der sich am CERN befinden wird. Das WCTE wird dazu dienen, die Reaktion des Wasser-Tscherenkov-Detektors auf Hadronen, Elektronen und Myonen zu untersuchen und neue Photosensortechnologien einzusetzen. Der Detektor wird mit mPMT-Modulen ausgestattet, die jeweils aus 19 3-Zoll-PMTs bestehen, und es wird ein neu entwickeltes Kalibrierungssystem getestet. Kalibrierungstechniken mit bekannten Teilchenflüssen werden eingesetzt, um eine Kalibrierung auf 1%-Niveau für Neutrino-Wechselwirkungen im GeV-Bereich zu demonstrieren. Weitere Messungen werden die Produktion von Cherenkov-Licht, die Pionenstreuung und die sekundäre Neutronenproduktion umfassen, um direkte Beiträge zu den Experimenten T2K und Super-Kamiokande (SK) zu liefern.
er Aufbau des WCTE-Detektors ähnelt dem von SK, bei dem eine PMT-Trägerstruktur aus Edelstahl sich in einem Wassertank befindet. Das WCTE ist jedoch mit ca. 4m wesentlich kleiner und wird mit mPMT-Modulen anstelle der großen 20″ PMTs, die in SK verwendet werden, instrumentiert. Neunzehn PMTs mit einem Durchmesser von 8 cm (Hamamatsu R14374) bilden ein einzelnes mPMT, das im Vergleich zu größeren Einzel-PMTs eine bessere Granularität und ein besseres Timing ermöglicht. Ein Querschnitt des Detektors ist in der Abbildung links zu sehen, wo der Edelstahltank, die Trägerstruktur und die mPMT-Module zu erkennen sind. Ebenfalls zu sehen ist ein 3-Achsen-Kalibrierungssystem, mit dem mehrere Kalibrierungsvorrichtungen an bestimmten Positionen innerhalb des Detektors angebracht werden sollen.
Die physikalischen Untersuchungen am WCTE umfassen
- Die Erzeugung von Tscherenkov-Licht da sich die entsprechende Prozesse sich in großen Detektoren nur schwer untersuchen lassen.
- Kalibrierung der Energieskala
- Für HK sollte die Unsicherheit der Energieskala in der Größenordnung von 0,5 % liegen, während der derzeitige Fehler bei SK 2 % beträgt.
- Die Untersuchung der Energieskala und der Kalibrierungstechniken wird dazu beitragen, die Unsicherheiten der Energieskala in größeren Detektoren zu verringern.
- Sekundäre Neutronenproduktion, die für die Neutrino/Antineutrino-Identifizierung in SK-Gd und HK verwendet wird.
- Pionenstreuung
- Die Rekonstruktion von Pionen im Endzustand kann aufgrund der begrenzten Modellierung der hadronischen Streuung an Sauerstoff eine Herausforderung darstellen.
Es wird zwei Strahlkonfigurationen geben, die beide denselben Teilchenstrahl verwenden. In der ersten Konfiguration liegen die Strahlmomente zwischen 300MeV/c und 1500MeV/c. Die zweite Konfiguration ermöglicht die Untersuchung von Pionen und Protonen mit niedrigem Impuls.
