{"id":6407,"date":"2023-03-16T16:32:25","date_gmt":"2023-03-16T16:32:25","guid":{"rendered":"https:\/\/t2k-experiment.org\/?page_id=6407"},"modified":"2023-03-16T16:32:27","modified_gmt":"2023-03-16T16:32:27","slug":"t2k-und-mehr","status":"publish","type":"page","link":"https:\/\/t2k-experiment.org\/de\/t2k-und-mehr\/","title":{"rendered":"T2K und mehr"},"content":{"rendered":"\n

T2K ist nun seit \u00fcber einem Jahrzehnt in Betrieb und hat sein urspr\u00fcngliches physikalisches Programm erfolgreich abgeschlossen, auch wenn mit zunehmender Datenname weitere Verbesserungen bei der Messung von Neutrino-Oszillationsparametern und Wechselwirkungsquerschnitten m\u00f6glich sein werden. Je mehr Daten gesammelt werden, desto wichtiger wird es jedoch, den Detektor zu verbessern, damit auch die systematischen Unsicherheiten verringert werden k\u00f6nnen. Das japanische Neutrinophysikprogramm sieht vor, T2K umfassend zu verbessern und in den n\u00e4chsten Jahrzehnten den Nachfolger des T2K-Experiments, das Hyper-Kamiokande-Experiment, zu starten.<\/p>\n\n\n\n

T2K-II\/T2K-Upgrade<\/h2>\n\n\n\n

Die Phase II des T2K-Experiments (T2K-II) umfasst Pl\u00e4ne f\u00fcr umfangreiche Aufr\u00fcstungen der Neutrino-Beamline, des ND280-Nahdetektors sowie die Dotierung des Wassers von Super-K mit Gadolinium. Ziel von T2K-II ist eine 3\u03c3-Best\u00e4tigung, ob die CP-Symmetrie in den Neutrino-Oszillationen erhalten bleibt oder verletzt wird, d.h. ob Neutrinos und Antineutrinos gleich Oszillieren.<\/p>\n\n\n\n

Verbesserung des Neutrinostrahls<\/h3>\n\n\n
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Die Verbesserung der Strahlleistung im Laufe der Zeit<\/em><\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n

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 f\u00fcr 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 erh\u00f6hen. Dadurch k\u00f6nnen mehr Neutrinos produziert und sp\u00e4ter nachgewiesen werden. Daf\u00fcr m\u00fcssen mehr Protonen in k\u00fcrzeren Zeitabst\u00e4nden auf das Graphittarget geschossen werden. Gleichzeitig m\u00fcssen die Verluste von Protonen beim Beschleunigen minimiert werden. Eine verbesserte Stromversorgung der Magnete und der Hochfrequenzsysteme wird dazu beitragen, die Zeit zwischen den Protonensch\u00fcssen auf das Target von 2,48s auf 1,16s zu verk\u00fcrzen und die Stabilit\u00e4t zu verbessern. Die Anzahl der Protonen pro Schu\u00df wird bis etwa 2026 von 2,65*1014<\/sup> auf 3,2*1014<\/sup> erh\u00f6ht. Die Aufr\u00fcstung der Strahlprofilmonitore ist ebenfalls unerl\u00e4sslich, um bei erh\u00f6hter Strahlleistung, die Strahleigenschaften genauer zu messen und die systematischen Unsicherheiten bei den Neutrinoflussmessungen zu verringern.<\/p>\n\n\n\n

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 gek\u00fchlt wird. Die K\u00fchlkapazit\u00e4t wird erh\u00f6ht, und es wird ein neues Target f\u00fcr die h\u00f6here Strahlleistung entwickelt. Au\u00dferdem werden neue Arten von Targets in Betracht gezogen, um die effektive Anzahl der erzeugten Neutrinos weiter zu maximieren. Die Modernisierung der magnetischen H\u00f6rner 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 f\u00fcr den Neutrinostrahlmodus und Antineutrinos f\u00fcr den Antineutrinostrahlmodus) um 10 % und zu einer Verringerung des Neutrinostroms mit falschem Vorzeichen um 5-10 % f\u00fchrt. Im Inneren der magnetischen H\u00f6rner werden die stromf\u00fchrenden Leitungen auf von Heliumgas auf Wasserk\u00fchlung umger\u00fcstet, w\u00e4hrend die Wasserk\u00fchlungsleitungen um den Helium-Beh\u00e4lter, das Zerfallsvolumen und den Beam-Dump durch Erh\u00f6hung des Wasserflusses ebenfalls verbessert werden. Der Wassertank wird ebenfalls aufger\u00fcstet, um gen\u00fcgend Platz f\u00fcr die Handhabung des entsorgten und verd\u00fcnnten radioaktiven Wassers zu haben, das bei der Neutrinostrahlerzeugung anf\u00e4llt. Elektronenvervielfacher-R\u00f6hren und MUMON-Stromwandler werden f\u00fcr die Messung des sekund\u00e4ren Myonen-Strahlprofils (Myonen aus Pionenzerf\u00e4llen) bzw. f\u00fcr die Messung des Myonen-Vorzeichens am Myonen-Monitor hinter dem Strahlenkanal entwickelt, um die Empfindlichkeit der Messung des Neutrinostrahlprofils zu erh\u00f6hen.<\/p>\n\n\n\n

ND280 upgrade<\/h3>\n\n\n\n

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 Pr\u00e4zision f\u00fcr die Entdeckung von \u03bd\u03bc<\/sub> \u2192 \u03bde<\/sub> Oszillationen zu verbessern. Mit dem Upgrade des J-PARC-Strahls auf eine h\u00f6here Strahlleistung besteht das n\u00e4chste Ziel darin, ausreichend Daten f\u00fcr die Bestimmung der CP-Verletzung im leptonischen Sektor mit einer Genauigkeit von mehr als 3\u03c3 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 vorw\u00e4rts gerichteten Ereignisse beschr\u00e4nkt, und au\u00dferdem ist die Rekonstruktion kurzer Spuren nur schwer m\u00f6glich. Daher kann nicht jede Art von Neutrino-Wechselwirkung mit ausreichender Pr\u00e4zision analysiert werden.<\/p>\n\n\n

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ND280 verbessertes Detektorschema (Der ToF-Detektoren ist nicht sichtbar)<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n

Um diese Unzul\u00e4nglichkeiten zu beheben, wird der \u03c00-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-W\u00fcrfeln mit einer Gr\u00f6\u00dfe von 1 cm3<\/sup> und drei senkrecht zueinanderstehenden Ausleseebenen. Die feine Quaderstruktur erlaubt aufgrund ihrer isotropen Beschaffenheit Spuren in allen Raumrichtungen nachzuweisen und hat auch eine h\u00f6here Effizienz kurze Spuren zu detektieren. Dies erm\u00f6glicht eine pr\u00e4zisere Messung von Protonen und geladenen Pionen, die meist kurze Spuren erzeugen, und erm\u00f6glicht den Nachweis von Neutronen durch Messungen von Sekund\u00e4rteilchen, die bei nachfolgenden Wechselwirkungen entstehen. Die HA-TPCs sind mit einer hochmodernen Auslesetechnologie, den resistiven MicroMegas, ausgestattet, die eine wesentliche Verbesserung der Positionsaufl\u00f6sung erm\u00f6glichen. Ihre horizontale Konfiguration erm\u00f6glicht die Identifizierung und Impulsrekonstruktion f\u00fcr aufw\u00e4rts und abw\u00e4rts gehende Spuren, was die vorw\u00e4rts gehenden Teilcheninformationen der aktuellen, vertikalen TPCs erg\u00e4nzt. Die genaue Zeitinformation von Teilchen, die durch den ToF-Detektor fliegen, erm\u00f6glicht die Identifizierung der Teilchenrichtung und damit die Unterscheidung von Teilchen, die innerhalb des Detektors erzeugt werden, von dem au\u00dferhalb des Detektors erzeugten Hintergrund. Diese Vorteile der neuen Subdetektoren bilden die Grundlage f\u00fcr pr\u00e4zisere Messungen von Neutrino-Wechselwirkungsquerschnitten, einschlie\u00dflich der M\u00f6glichkeit, Kerneffekte durch Messungen von Hadronen mit niedrigem Impuls zu untersuchen.<\/p>\n\n\n\n

Mit diesem Detektor-Upgrade wird es in der T2K-Phase II m\u00f6glich sein die systematischen Unsicherheiten von derzeit 6% auf ungef\u00e4hr 4 % zu reduzieren. Das Upgrade ist derzeit in Vorbereitung und wird 2022\/23 abgeschlossen sein.<\/p>\n\n\n\n

SK-Gd<\/h2>\n\n\n\n

Der Super-Kamiokande Detektor war die meiste Zeit seines Betriebes mit ultrareinem Wasser bef\u00fcllt. 2021 wurde jedoch das Seltene Erden-Element Gadolinium in diesem Wasser aufgel\u00f6st. 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, \u03bd<\/span>e<\/sub> + p \u2192 e+<\/sup> + n), entstehen, von Gd eingefangen werden. Die angeregten Gd-Kerne strahlen hochenergetischer R\u00f6ntgenstrahlung ab, die dann von den PMTs als verz\u00f6gertes Signal nachgewiesen werden k\u00f6nnen. Mit dem prompten Signal des Positrons und dem verz\u00f6gerten Signal des eingefangenen Neutrons kann SK-Gd eine sehr viel pr\u00e4zisere Ereignisrekonstruktion durchf\u00fchren. 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 %.<\/p>\n\n\n\n

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). W\u00e4hrend galaktische Supernovae seltene Ph\u00e4nomene 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 \u00fcber die Supernovae selbst, die Rate der Sternentstehung im Universum und die Kosmologie des Universums geben. Durch die Hinzuf\u00fcgung von Gd er\u00f6ffnet sich f\u00fcr Super Kamiokande ein neuer Weg der Neutrinoforschung.<\/p>\n\n\n\n

Hyper-Kamiokande<\/h2>\n\n\n\n

Hyper-Kamiokande ist das geplante Nachfolgeexperiment von T2K. Dabei wird die Neutrinostrahlintensit\u00e4t kontinuierlich erh\u00f6ht und der oben beschriebene Nahdetektor wird weiterbenutzt. Super-Kamiokande wird durch einen gr\u00f6\u00dferen Wasser-Tscherenkov-Detektor, Hyper-Kamiokande, ersetzen. Au\u00dferdem 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 atmosph\u00e4rische Neutrinos aus der kosmischen Strahlung umfasst. Hyper-Kamiokande soll ab dem Jahr 2027 in Betrieb genommen werden.<\/p>\n\n\n\n

Weitere Informationen \u00fcber Hyper-Kamiokande finden Sie auf der <\/p>\n\n\n\n

Weitere Informationen \u00fcber Hyper-Kamiokande finden Sie auf der Hyper-Kamiokande-Webseite.For more information about Hyper-Kamiokande please visit der Hyper-Kamiokande web page<\/a>.<\/p>\n\n\n\n

Hyper-Kamiokande detektor<\/h3>\n\n\n
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Schematische Darstellung des Hyper-Kamiokande-Tanks [\u00a9 Hyper-Kamiokande proto-collaboration, https:\/\/doi.org\/10.1093\/ptep\/pty044<\/a> ]<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n

Hyper-Kamiokande ist ein Wasser-Tscherenkov-Detektor der dritten Generation – f\u00fcnfmal gr\u00f6\u00dfer als sein Vorg\u00e4nger Super-Kamiokande. Die Konstruktion des Tanks und der Kaverne f\u00fcr Hyper-Kamiokande hat angefangen, und die Datennahme ist ab 2027 geplant.<\/p>\n\n\n\n

Genau wie Super-Kamiokande ist der Detektor zylindrisches, hat jedoch eine H\u00f6he von 71 m und einem Durchmesser von 68 m. Aufgrund des enorm vergr\u00f6\u00dferten 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 erh\u00f6ht die Chancen neue physikalische Ph\u00e4nomene zu entdecken.<\/p>\n\n\n\n

Die physikalischen Ziele von Hyper-Kamiokande sind vielf\u00e4ltig, 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 Schl\u00fcssel zur Kl\u00e4rung der Ursache der Materie-Antimaterie-Asymmetrie im Universum. Hyper-Kamiokande wird die CP-Verletzung untersuchen, indem es die Unterschiede zwischen den Flavour-Oszillationswahrscheinlichkeiten f\u00fcr Neutrinos und Antineutrinos misst. F\u00fcr 75 % des CP-Parameterraums wird es in der Lage sein, eine CP-Verletzung ungleich Null mit 3\u03c3-Signifikanz zu best\u00e4tigen, und f\u00fcr \u00fcber 50 % des Parameterraums mit 5\u03c3-Signifikanz. Die Untersuchung der Neutrinomassenordnung ist wichtig, weil sie dabei helfen wird, herauszufinden, welcher Mechanismus f\u00fcr die Erzeugung der Neutrinomassen verantwortlich ist. Die Massenordnung kann durch einen Vergleich des Auftretens von Elektron-Neutrinos in atmosph\u00e4rischen Neutrinos, getrennt f\u00fcr Neutrinos und f\u00fcr Antineutrinos, bestimmt werden. Die Kenntnis der Massenordnung wird auch helfen zu \u00fcberpr\u00fcfen, ob das Neutrino sein eigenes Antiteilchen ist oder nicht.<\/p>\n\n\n\n

Hyper-Kamiokande erreicht diese Messungen durch den Einsatz eines Detektors, der im Vergleich zu Super-Kamiokande nicht nur ein viel gr\u00f6\u00dferes Volumen hat, sondern auch erheblich verbesserte Photosensoren, die eine doppelt so hohe Detektionseffizienz aufweisen und die Lichtintensit\u00e4t und Detektionszeit mit viel gr\u00f6\u00dferer Pr\u00e4zision vermessen k\u00f6nnen. Optische Multi-PMT-Module, bei denen 19 3\u201c-PMTs in demselben Modul wie ein normales 20-Zoll-PMT-Modul untergebracht sind, werden ebenfalls eingesetzt und erm\u00f6glichen eine h\u00f6here Granularit\u00e4t f\u00fcr eine verbesserte Ereignisrekonstruktion. Dies ist besonders wichtig f\u00fcr Ereignisse mit mehreren Ringen und f\u00fcr Ereignisse, die in der N\u00e4he der Detektorwand stattfinden. Dar\u00fcber hinaus wird die Dunkelrate der PMTs verringert und ein besserer Schutz gegen die Implosion des PMT-Gef\u00e4\u00dfes gew\u00e4hrleistet.<\/p>\n\n\n\n

Intermedi\u00e4rer Wasser-Tscherenkov-Detektor (IWCD)<\/h3>\n\n\n\n

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 H\u00f6he, 8 m Durchmesser) in der Gr\u00f6\u00dfenordnung von 300 t, der etwa 1 km vom Strahlproduktionspunkt bei J-PARC entfernt aufgestellt wird.<\/p>\n\n\n

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Schematische Darstellung des IWCD<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n

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 \u00fcber das Water Cherenkov Test Experiment (WCTE) beschrieben werden (s.u.). Die mPMTs werden durch ihr schnelles Zeitverhalten und ihre Granularit\u00e4t eine pr\u00e4zise Rekonstruktion von Neutrino-Wechselwirkungen erm\u00f6glichen.<\/p>\n\n\n\n

Das Ziel des IWCD ist es, die Neutrinofl\u00fcsse an mehreren Winkelpositionen relativ zur Strahlachse zu vermessen, um Untersuchungen von Neutrino-Wechselwirkungsmodellen zu erm\u00f6glichen. Wasser-Tscherenkov-Detektoren sind daf\u00fcr bekannt, dass sie sehr gute Messungen von Elektronen-Neutrinos durchf\u00fchren. Die M\u00f6glichkeit, einen solchen Detektor in der vertikalen Ebene zu bewegen, wird die IWCD zu einem sehr leistungsf\u00e4higen Nahdetektor machen.<\/p>\n\n\n

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Neutrino energy spectrum with respect to off-axis angle<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n

Warum ein beweglicher Detektor?<\/strong> Das Energiespektrum zwischen Hyper-Kamiokande und den nahen Detektoren unterscheidet sich aufgrund von Neutrino-Oszillationen, und das Neutrino-Energiespektrum h\u00e4ngt vom Off-Axis-Winkel ab (siehe Bild rechts).<\/p>\n\n\n\n

Die Aufnahme von Daten an verschiedenen Off-Axis-Bereichen erm\u00f6glicht es, daraus fast beliebige Energiespektren zu generieren. Es ist damit auch m\u00f6glich, die Unterschiede zwischen wahrer und rekonstruierter Neutrinoenergie zu bestimmen.<\/p>\n\n\n\n

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.<\/p>\n\n\n\n

Wasser-\u010cerenkov-Test-Experiment (WCTE) am CERN<\/h3>\n\n\n\n

Das Water Cherenkov Test Experiment (WCTE) ist ein Wasser-Tscherenkov-Detektor in kleinem Ma\u00dfstab, 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 Teilchenfl\u00fcssen werden eingesetzt, um eine Kalibrierung auf 1%-Niveau f\u00fcr Neutrino-Wechselwirkungen im GeV-Bereich zu demonstrieren. Weitere Messungen werden die Produktion von Cherenkov-Licht, die Pionenstreuung und die sekund\u00e4re Neutronenproduktion umfassen, um direkte Beitr\u00e4ge zu den Experimenten T2K und Super-Kamiokande (SK) zu liefern.<\/p>\n\n\n

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WTCE Aufbau<\/figcaption><\/figure>\n<\/div>\n\n\n

er Aufbau des WCTE-Detektors \u00e4hnelt dem von SK, bei dem eine PMT-Tr\u00e4gerstruktur aus Edelstahl sich in einem Wassertank befindet. Das WCTE ist jedoch mit ca. 4m wesentlich kleiner und wird mit mPMT-Modulen anstelle der gro\u00dfen 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 gr\u00f6\u00dferen Einzel-PMTs eine bessere Granularit\u00e4t und ein besseres Timing erm\u00f6glicht. Ein Querschnitt des Detektors ist in der Abbildung links zu sehen, wo der Edelstahltank, die Tr\u00e4gerstruktur 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.<\/p>\n\n\n\n

Die physikalischen Untersuchungen am WCTE umfassen<\/p>\n\n\n\n