T2K lleva funcionando más de una década y ha cumplido con éxito su programa inicial, aunque conforme se adquieran más datos se producirán nuevas mejoras en la medición de los parámetros de oscilación de los neutrinos y las secciones eficaces de interacción. Sin embargo, a medida que se recogen más datos estadísticos, es importante mejorar el detector para poder reducir también los errores sistemáticos (es decir, las incertidumbres que no son simplemente el resultado de fluctuaciones estadísticas). El programa japonés de Física de neutrinos incluye planes para importantes mejoras en T2K y para poner en marcha el sucesor del experimento T2K, el experimento Hyper-Kamiokande, en las próximas décadas.
T2K-II/T2K-upgrade
La fase II del experimento T2K (T2K-II) incluye planes para importantes mejoras en la línea de haces de neutrinos y del detector cercano ND280, así como para aprovechar la decisión de añadir sales de Gadolinio en el agua de Super-Kamiokande. El objetivo de T2K-II es confirmar al nivel de confianza estadística 3σ (99,73%) si la simetría CP se conserva o se viola en las oscilaciones de neutrinos.
Mejora del haz
El actual anillo principal (MR) del J-PARC acelera protones a 30GeV cada 2,48s para proporcionar un haz de protones con una potencia de 515kW para el experimento T2K. La actualización de la línea del haz tiene como objetivo mejorar la potencia del haz alcanzando 750kW en 2022, y 1,3MW hasta el inicio del experimento Hyper-K, con el fin de aumentar las estadísticas para la toma de datos. El aumento de la potencia del haz requiere alcanzar un mayor número de “spills” (grupos de protones que llegan en cada entrega desde el acelerador) y protones por spill, lo que puede lograrse aumentando la tasa de repetición del haz y reduciendo las pérdidas e inestabilidades del haz. La actualización de las fuentes de alimentación y de los sistemas de cavidad de radiofrecuencia (RF) ayudará a reducir el tiempo entre spills del haz de 2,48s a 1,16s y a mejorar la estabilidad para aumentar el número de protones por spill de 2,65-1014 a 3,2-1014 para ~2026. La actualización de los monitores que monitorizan el perfil del haz también es esencial para adaptar el aumento de la potencia del haz y el número de interacciones de protones para medir las propiedades del haz con mayor precisión y reducir las incertidumbres sistemáticas en las mediciones del flujo de neutrinos.
Con la mejora de la línea de haz primaria (aceleradores de protones), también es necesaria la mejora de los componentes de la línea de haz de extracción de neutrinos para adaptarse a la mayor potencia del haz. El haz de protones incide sobre un blanco monolítico de carbono de 91,4 cm de longitud refrigerado por un gas de helio. En la actualidad se ha aumentado la capacidad de refrigeración y se está desarrollando un nuevo blanco para la mayor potencia del haz, al tiempo que se están estudiando nuevos tipos de blanco para maximizar aún más el número efectivo de neutrinos producidos. La actualización de las bocinas magnéticas es importante para mejorar la focalización de los piones con señales particulares que decaen en neutrinos. Se está llevando a cabo la sustitución de las bocinas 1 y 2, así como la mejora de las fuentes de alimentación y el aumento de su número de 2 a 3, lo que permitirá aumentar la corriente en las 3 bocinas de 250kA a 320kA, con el consiguiente aumento del flujo de neutrinos principal, o de signo correcto, en cada caso (neutrinos para el modo de haz de neutrinos y antineutrinos para el modo de haz de antineutrinos) en un 10% y una reducción del flujo de neutrinos secundario o de signo incorrecto (antineutrinos y neutrinos, respectivamente, para los modos descritos previamente) en un 5~10%. En el interior de las bocinas, las líneas de corriente se mejorarán para utilizar refrigeración por agua en lugar de gas He, mientras que la capacidad de refrigeración por agua canalizada alrededor del recipiente de He, el volumen de desintegración y el colector del haz (otros elementos de la estación del blanco objetivo) también se mejorarán aumentando el flujo de agua. El depósito de agua también se está mejorando para disponer de espacio suficiente para manipular el agua radiactiva desechada y diluida que se produce durante el proceso de producción del haz de neutrinos. Se están desarrollando tubos multiplicadores de electrones y un transformador de corriente MUMON para la detección del perfil del haz de muones secundarios (muones procedentes de desintegraciones de piones) y la medición del signo de carga de los muones, respectivamente, en el monitor de muones situado situado de bajo del colector del haz, con el fin de aumentar la sensibilidad de la medición del perfil del haz de neutrinos. Por otro lado, también se pueden mejorar las simulaciones de la línea del haz incluyendo restricciones adicionales procedentes de experimentos y medidas adicionales de producción de hadrones.
Mejora del detector ND280
El detector cercano “off-axis” ND280 está en uso desde la puesta en marcha del experimento T2K en 2009, y ha desempeñado un papel importante en la reducción de las incertidumbres sistemáticas, contribuyendo asimismo a un aumento de la precisión suficiente para el descubrimiento de las oscilaciones νμ → νe. Con la actualización del haz del J-PARC hacia una mayor potencia, el siguiente objetivo es obtener estadísticas suficientes para la determinación de la violación CP en el sector leptónico con una precisión superior a 3σ. Esto conlleva el requisito de reducir aún más los errores sistemáticos restantes. En particular, el actual detector cercano “off-axis” está todavía restringido a la aceptación angular de sucesos que van principalmente hacia adelante, y además la reconstrucción de trazas cortas de partículas cortas es limitada. Por tanto, no todos los tipos de interacción de neutrinos pueden analizarse con suficiente precisión.
Para mejorar estas deficiencias, el detector de π0 (P0D) del actual ND280 se sustituye por tres tipos de nuevos subdetectores: El detector de grano superfino (SuperFGD), intercalado entre dos cámaras de proyección temporal de alto ángulo (HA-TPC), y seis planos de tiempo de vuelo (TOF) que rodean tanto al SuperFGD como a las HA-TPC. El SuperFGD está formado por cubos de centelleador de plástico de última generación, de 1 cm3 de tamaño, con tres planos de lectura perpendiculares. La fina estructura cúbica proporciona una aceptación angular completa debido a su naturaleza isotrópica, lo que aumenta significativamente la eficacia de detección de trazas cortas gracias a que la señal de un solo cubo proporciona información 3D y mejora la resolución de posición en comparación con los actuales detectores de grano fino (FGD) basados en barras de centelleo. Esto permite una medición más precisa de protones y piones cargados que producen mayoritariamente trazas cortas, y posibilita la detección de neutrones mediante mediciones de partículas secundarias producidas en interacciones posteriores. Los HA-TPC están equipados con una tecnología de lectura de última generación, las MicroMegas resistivas, que constituyen una importante mejora en la resolución de posición debido a la dispersión de la carga producida por las partículas que ionizan el gas en los HA-TPC. Su configuración horizontal permite identificar y reconstruir el momento de las trayectorias ascendentes y descendentes con respecto al haz de neutrinos, lo que complementa la información de las partículas ascendentes de los actuales TPC verticales. La información temporal exacta de las partículas que sobrepasan el TOF permite identificar la dirección de la partícula y, por tanto, distinguir las partículas producidas dentro del detector del fondo producido fuera de él. Estas ventajas de los nuevos subdetectores son la base de mediciones más precisas de las secciones eficaces de interacción de neutrinos, incluida la capacidad de estudiar efectos nucleares utilizando mediciones de hadrones de bajo momento.
Se espera que los estudios que utilicen datos de la fase II de T2K se beneficien de una reducción de las incertidumbres sistemáticas hasta el 4% (desde el 6% actual) gracias a la próxima actualización del detector. Dicha mejora del ND280 está actualmente en preparación y se completará en 2022/23.
SK-Gd
Durante la mayor parte de su vida operativa, Super-Kamiokande ha empleado agua ultrapura. Sin embargo, en los últimos años se ha añadido al tanque un nuevo elemento, gadolinio, una de las tierras raras. Este periodo de actividad de SK se denomina SK-Gd. El gadolinio tiene una afinidad muy alta por captura de neutrones. La adición de Gd implica que algunos de los neutrones producidos en eventos de desintegración beta inversa (IBD, νe + p → e+ + n), serán capturados por el Gd. Los núcleos de Gd excitados se desexcitan en una ráfaga de rayos X de alta energía. Estos fotones son detectados por los PMTs como una señal retardada. Con la señal inmediata del positrón y la señal retardada del neutrón capturado, SK-Gd puede realizar una reconstrucción de sucesos mucho más precisa. La proporción de neutrones que son capturados en el detector está directamente relacionada con la concentración; sólo ~0,1% de Gd da una tasa de captura de neutrones de aproximadamente el 90%.
Una mejor reconstrucción de los sucesos IBD nos ayuda en varias vías de investigación de neutrinos. Una de las más prometedoras es la búsqueda de los llamados Neutrinos Reliquia de Supernovas (SRN) o Fondo Difuso de Neutrinos de Supernovas (DSNB). Aunque las supernovas galácticas son fenómenos poco frecuentes, se espera que se produzcan aproximadamente una vez por segundo en todo el universo. Se espera que los neutrinos de todas estas supernovas formen un flujo global que pueda medirse con SK-Gd. La medición de la señal reliquia puede informarnos sobre las propias supernovas, el ritmo de formación estelar en el universo y la cosmología del universo. Así pues, la incorporación de Gd abre una nueva vía de investigación de neutrinos para Super Kamiokande.
Proyecto Hyper-Kamiokande
A largo plazo, el plan es poner en marcha el sucesor del experimento T2K: el experimento Hyper-Kamiokande. Mantendrá el haz de neutrinos existente, aunque mejorado para producir un flujo más intenso de neutrinos, así como el detector cercano mejorado, pero sustituirá Super-Kamiokande por un detector Cherenkov de agua más grande, Hyper-Kamiokande. También está previsto construir el Detector Cherenkov de Agua Intermedio (IWCD) a una distancia de 1-2 km de la fuente de neutrinos. Al igual que Super-Kamiokande, Hyper-Kamiokande tendrá un programa de investigación mixto que incluirá tanto neutrinos procedentes del J-PARC como neutrinos atmosféricos procedentes de interacciones de rayos cósmicos. Está previsto que Hyper-Kamiokande comience a funcionar en torno a 2027.
Para más información sobre Hyper-Kamiokande, visita la página web Hyper-Kamiokande.
Detector Hyper-Kamiokande
Hyper-Kamiokande es un detector Cherenkov de agua de tercera generación, cinco veces mayor que su predecesor Super-Kamiokande. El diseño del tanque y la cavidad para la construcción de Hyper-Kamiokande están actualmente en marcha, y la toma de datos está prevista para 2027. Al igual que Super-Kamiokande, tendrá un diseño de tanque cilíndrico, pero con una altura de 71 m y un diámetro de 68 m, y debido a su enorme aumento de volumen podrá obtener una cantidad de datos equivalente a 100 años de trabajo del tiempo de recogida de datos de Super-K en el corto espacio de sólo 10 años, lo que supondrá una probabilidad mucho mayor de detectar nueva física.
Los objetivos físicos de Hyper-Kamiokande son muchos y variados, pero los principales incluyen una medición más precisa de la violación CP, una mejor determinación del orden de masas de los neutrinos, la detección de neutrinos cósmicos y la observación de la desintegración de protones. Tanto la medición de la violación CP como la desintegración de protones son claves para determinar la razón de la asimetría materia-antimateria presente en el universo, ya que pertenecen a las condiciones de Sakharov necesarias para la bariogénesis. Hyper-Kamiokande investigará la violación CP midiendo las diferencias entre las probabilidades de oscilación de sabor de los neutrinos y los antineutrinos, y para el 75% del espacio de parámetros de CP, podrá confirmar una violación de CP distinta de cero con una certeza de 3σ, y para más del 50% del espacio de parámetros con una certeza de 5σ. Es importante investigar el orden de masas de los neutrinos porque ayudará a averiguar qué mecanismo es responsable de la generación de masa en los neutrinos. El ordenamiento puede determinarse mediante una comparación de la aparición de neutrinos electrónicos en neutrinos atmosféricos, realizando dicho estudio por separado para neutrinos y para antineutrinos. El conocimiento del orden de masas también ayudará a comprobar si el neutrino es su propia antipartícula o no.
Hyper-Kamiokande realizará estas mediciones utilizando un detector que no sólo tiene un volumen fiduciario mucho mayor en comparación con Super-Kamiokande, sino también fotosensores ampliamente mejorados, que presentarán una eficiencia de fotodetección dos veces mayor y una capacidad para medir la intensidad de la luz y el tiempo de detección con mucha mayor precisión. También se utilizarán módulos ópticos multi-PMT, que implican el uso de 19 PMT de 3″ alojados en el mismo módulo que un módulo PMT normal de 20″, lo que proporcionará una mayor granularidad para mejorar la reconstrucción de eventos. Esto es especialmente importante en el caso de sucesos “multianillo” y de sucesos que tienen lugar cerca de la pared del detector. También se reduciría la tasa de impactos “oscuros” y se mejoraría la protección contra la implosión del recipiente contenedor del PMT.
Detector Cherenkov de Agua Intermedio (Intermediate Water Cherenkov Detector, IWCD)
El Detector Cherenkov de Agua Intermedio, o IWCD, es un detector cercano intermedio que se ha propuesto como parte del programa de física de neutrinos “long-baseline” de Hyper-Kamiokande. IWCD es un detector Cherenkov de agua a pequeña escala (6 m de altura, 8 m de diámetro) del orden de 300 toneladas, y se colocará aproximadamente a 1 km del punto de producción del haz en el J-PARC.
En la imagen de la izquierda puede verse un esquema del IWCD. El IWCD estará equipado con módulos “multi-PMT” o mPMT, los mismos que se analizan en la sección del experimento Water Cherenkov Test (WCTE). Los mPMT permitirán reconstruir con precisión las interacciones entre neutrinos gracias a su granularidad y rápida respuesta temporal.
El objetivo del IWCD es medir los flujos de neutrinos en múltiples posiciones angulares fuera del eje en relación con el haz, para permitir el estudio de los modelos de interacción de neutrinos. Los detectores Cherenkov de agua son bien conocidos por sus excelentes mediciones de neutrinos electrónicos. Permitir que un detector como éste se mueva en el plano vertical convertirá al IWCD en un detector cercano muy potente.
¿Por qué un detector móvil? El espectro de energía entre Hyper-Kamiokande y los detectores cercanos difiere debido a las oscilaciones de los neutrinos, y el espectro de energía de los neutrinos depende del ángulo fuera del eje (véase la imagen de la derecha).
La toma de datos en varios puntos de un determinado rango fuera del eje permite imitar los espectros de energía de interés, incluyendo el espectro en el detector de Hyper-Kamiokande o un haz monocromático. También es posible medir las diferencias entre la energía real y la reconstruida a lo largo del espectro energético y determinar un factor de “reconstrucción errónea” tanto para los eventos CCQE como para los que no lo son.
Las mediciones de la sección eficaz de neutrinos electrónico serán esenciales, ya que la sensibilidad de la violación CP de Hyper-Kamiokande estará limitada por la incertidumbre asociada a dicha sección eficaz, ya que la incertidumbre actual se debe a los modelos teóricos y las mediciones disponibles están actualmente limitadas por la incertidumbre estadística. Las medidas de IWCD ayudarán a abordar la limitación de la incertidumbre sistemática en el análisis de oscilación de larga base de Hyper-Kamiokande.
Experimento de Prueba Cherenkov en Agua (Water Cherenkov Test Experiment, WCTE) en el CERN
El Water Cherenkov Test Experiment (WCTE) es un detector Cherenkov de agua a pequeña escala que se ubicará en el CERN. WCTE se utilizará para estudiar la respuesta del detector Cherenkov de agua a los haces de hadrones, electrones y muones, y utilizará nuevas tecnologías de fotosensores. El detector se equipará con módulos multi-PMT que constarán de 19 PMT de 3 pulgadas cada uno, y pondrá a prueba un sistema de despliegue de calibración recientemente desarrollado. Se utilizarán técnicas de calibración con flujos de partículas conocidos para demostrar un nivel de calibración del 1% para interacciones de neutrinos del orden de GeV. Otras mediciones incluirán las de producción de luz Cherenkov, dispersión de piones y producción de neutrones secundarios, para proporcionar información directa a los experimentos T2K y Super-Kamiokande (SK).
El diseño del detector WCTE es similar al de SK, donde una estructura de soporte de acero inoxidable para los PMT se aloja dentro de un tanque de agua. Sin embargo, WCTE tendrá una escala mucho menor, de aproximadamente 4 m · 4 m, y se implementará con el módulo multi-PMT (mPMT) en lugar de los grandes PMT de 20″ que se utilizan en SK. Diecinueve PMT de 8 cm de diámetro (Hamamatsu R14374) componen un único mPMT, lo que permite mejorar la granularidad y la temporización en comparación con el uso de PMT individuales más grandes. En la figura de la izquierda se muestra una sección transversal del detector, en la que se aprecian el depósito de acero inoxidable, la estructura de soporte y los módulos mPMT. También es visible un sistema de calibración de 3 ejes que se utilizará para instalar múltiples dispositivos de calibración en posiciones específicas dentro del detector.
Los estudios físicos del WCTE incluyen
- Producción/procesos de luz Cherenkov que pueden ser difíciles de estudiar en detectores grandes.
- Calibración de la escala de energía
- Para HK, la incertidumbre de la escala de energía debería ser del orden del 0,5%, mientras que el error actual en SK es del 2%.
- El estudio de la escala de energía y de las técnicas de calibración servirá para reducir las incertidumbres en la escala de energía en detectores más grandes.
- Producción de neutrones secundarios, lo cual se utiliza para la identificación de neutrinos y antineutrinos en SK-Gd y HK
- Dispersión de piones
- La reconstrucción de piones en el estado final puede suponer un reto debido a la limitada modelización de la dispersión hadrónica en oxígeno.
Habrá dos configuraciones de haces que utilizan el mismo haz de partículas. En la primera configuración, los momentos del haz oscilan entre 300MeV/c y 1500MeV/c. La segunda configuración permite el estudio de piones y protones de bajo momento.
