L’expérience T2K prend des données depuis plus de dix ans et a accompli avec succès son programme de physique initial. Au fur et à mesure de l’acquisition de nouvelles données, la mesure des paramètres d’oscillation des neutrinos et des sections efficaces d’interaction des neutrinos s’améliorera sans cesse. Cependant, au fur et à mesure que l’on recueille davantage de statistique, il devient important d’améliorer le détecteur afin de réduire également les erreurs systématiques (c’est-à-dire les incertitudes qui ne sont pas simplement le résultat de fluctuations statistiques). Le programme japonais de physique des neutrinos prévoit des mises à niveau majeures de T2K et le démarrage de l’expérience Hyper-Kamiokande, qui succédera à T2K, au cours des prochaines décennies.
T2K-II / T2K-upgrade
La phase II de l’expérience T2K (T2K-II) prévoit des améliorations majeures de la ligne de faisceau de neutrinos et du détecteur proche ND280, ainsi que la mise à profit du dopage de Super-Kamiokande en Gadolinium. L’objectif de T2K-II est de confirmer à un niveau de 3σ si la symétrie CP est conservée ou violée dans les oscillations des neutrinos.
Upgrade du faisceau
L’anneau principal (MR, “Main Ring” en anglais) actuel du J-PARC accélère des protons à une énergie de 30 GeV toutes les 2,48 secondes pour fournir un faisceau d’une puissance de 515 kW pour l’expérience T2K. La mise à niveau de la ligne de faisceau vise à augmenter la puissance pour atteindre 750 kW en 2022, et jusqu’à 1,3 MW au début de l’expérience Hyper-K, afin d’augmenter la statistique des données collectées. L’augmentation de la puissance du faisceau nécessite d’atteindre un plus grand nombre d’extractions par seconde et protons par extraction, ce qui peut être réalisé en augmentant le taux de répétition du faisceau et en réduisant les pertes et instabilités du faisceau. La mise à niveau des alimentations électriques et des systèmes de cavité radiofréquence (RF) permettra de réduire le temps entre les extractions de 2,48 secondes à 1,16 secondes. Elle améliorera également la stabilité afin d’augmenter le nombre de protons par extraction de 2,65×1014 à 3,2×1014 d’ici 2026. La mise à niveau des moniteurs de profil de faisceau est également essentielle pour s’adapter à la puissance accrue du faisceau ayant pour conséquence un plus grand nombre d’interactions de protons. Elle garantira une mesure plus précise des propriétés du faisceau afin de réduire les incertitudes systématiques impactant la mesures du flux des neutrinos.
Avec la mise à niveau de la ligne de faisceau primaire (l’accélérateur de protons), l’amélioration des composants de la ligne de faisceau secondaire (production des neutrinos) est également nécessaire pour s’adapter à la puissance accrue du faisceau. Le faisceau de protons frappe une cible monolithique de carbone de 91,4 cm de long, refroidie à l’hélium. La capacité de refroidissement a été augmentée et une nouvelle cible est en cours de développement. De nouveaux types de cibles sont également envisagés afin de pouvoir encore augmenter le nombre de neutrinos produits. La mise à niveau des cornes magnétiques est importante pour améliorer la focalisation des pions (qu’ils soient de charge positive ou négative) qui se désintègrent en neutrinos. Le remplacement des cornes 1 et 2 et la mise à niveau de leurs alimentations électriques (dont le nombre passe de deux à trois) sont en cours, ce qui permettra d’augmenter le courant dans les 3 cornes de 250 kA à 320 kA, entraînant une augmentation de la pureté du faisceau de neutrinos ou d’antineutrinos de 10% tout en réduisant de 5 à 10% la contamination par l’autre type. Le système de refroidissement des cornes magnétiques sera amélioré afin d’être entièrement refroidi à l’eau (en place de l’hélium). Le débit d’eau sera augmenté pour améliorer le refroidissement de la cible, du tunnel de désintégration et de l’absorbeur de faisceau. Le réservoir d’eau sera également amélioré afin de pouvoir stocker et manipuler l’eau légèrement radioactive produite dans les processus de production du faisceau de neutrinos. Le détecteur de muon MUMON sera également amélioré afin d’être plus sensible au faisceau de muons secondaires (produits lors de la désintégration des pions), de mesurer leur charge et ainsi d’accroître la sensibilité de la mesure du profil du faisceau de neutrinos. Parallèlement des simulations informatique plus poussées de la ligne de faisceau sont en cours de développement et se basent sur des mesures externes de production de hadrons chargés.
Upgrade de ND280
Le détecteur proche hors axe ND280 est utilisé depuis la mise en service de l’expérience T2K en 2009. Il a joué un rôle majeur dans la réduction des incertitudes systématiques, permettant finalement d’obtenir une précision suffisante pour la découverte des oscillations νμ → νe. Avec la mise à niveau du faisceau J-PARC vers une puissance de faisceau plus élevée, le prochain objectif est d’augmenter la statistique des données collectées afin de mesurer violation de CP dans le secteur leptonique avec une précision dépassant 3σ. Cela implique également de réduire davantage les erreurs systématiques restantes. En particulier, l’actuel détecteur proche hors axe est toujours limité par une acceptance angulaire principalement vers l’avant et dans l’incapacité de mesurer les traces trop courtes laissées par les particules. Ainsi, tous les types d’interaction entre les neutrinos et la cible du détecteur ne peuvent pas être analysés avec une précision suffisante.
Pour améliorer ces lacunes, le détecteur de pions neutres (P0D) de l’actuel ND280 est remplacé par trois types de nouveaux sous-détecteurs : le SuperFGD (Super-Fine-Grain Detector, détecteur à grande granularité), pris en sandwich entre deux chambres à projection temporelle à grande acceptance (HA-TPC, pour High Angle Temporal Projection Chamber), et six plans de mesure de temps de vol (TOF, pour Time-Of-Flight) entourant à la fois le SuperFGD et les HA-TPC. Le SuperFGD est constitué de cubes de scintillateurs en plastique, d’une taille de 1 cm3, avec trois plans de lecture perpendiculaires. Cette structure permet une acceptance angulaire totale en raison de la nature isotrope des cubes de scintillateurs et augmente considérablement l’efficacité de détection des traces courtes car chaque cube fourni une information tri-dimensionnelle. Les dimensions réduites des cubes améliorent également la résolution sur la position d’énergie par rapport aux détecteurs à grande granularité actuels (FGD) composés de barreaux de plastique scintillant. Cela permet une mesure plus précise des protons et des pions chargés produisant principalement des traces courtes, et permet la détection des neutrons via les mesures des particules secondaires produites lors des interactions ultérieures. Les HA-TPC sont équipés d’une technologie de lecture de pointe, les MicroMegas résistifs, permettant une amélioration significative de la résolution en position. Celle-ci est due à la propagation des charges produites lors de l’ionisation du gaz des HA-TPC par les particules chargées. Leur configuration horizontale permet l’identification et la reconstruction de l’impulsion des particules à grand angle, complémentaires aux informations sur les particules allant vers l’avant fournies par les TPC verticales actuelles. L’information temporelle exacte des particules passant par les TOF permet d’identifier la direction de la particule et donc de distinguer les particules produites à l’intérieur du détecteur du bruit de fond produit à l’extérieur. Les atouts des nouveaux sous-détecteurs sont à la base de futures mesures de grande précision des sections efficaces d’interaction des neutrinos, y compris la possibilité de sonder les effets nucléaires en utilisant les mesures des hadrons de faible impulsion.
Les études de physique utilisant les données de la phase II de T2K bénéficieront d’une réduction des incertitudes systématiques à un niveau de 4% (contre 6% actuellement) grâce à la mise à niveau du détecteur proche. La mise à niveau du ND280 est en cours de réalisation et sera achevée en 2022/23.
SK-Gd
Pendant la majeure partie de sa vie opérationnelle, le détecteur Super-Kamiokande a été rempli d’eau ultra-pure. Cependant, depuis 2019, du gadolinium (Gd, une terre rare) a été ajouté dans l’eau. Cette nouvelle période de prise de données est désignée sous le nom de SK-Gd. Le gadolinium a une section efficace de capture des neutrons très élevée. L’ajout de Gd signifie que certains des neutrons produits dans les événements de désintégration bêta inverse (IBD, νe + p → e+ + n), seront capturés par un atome de Gd. Les noyaux de Gd ainsi excités se désexcitent alors dans une cascade de rayons gamma (des photons) de haute énergie. Ces photons sont ensuite détectés par les tubes photomultiplicateurs tapissant les murs de Super-K comme un signal retardé. Avec le signal rapide du positron et le signal retardé du à la capture du neutron, SK-Gd peut effectuer une reconstruction beaucoup plus précise des événements. La proportion de neutrons qui sont capturés dans le détecteur est directement liée à la concentration ; une concentration aussi faible que 0.1% en masse de Gd donne un taux de capture des neutrons d’environ 90%.
L’amélioration de la reconstruction des événements IBD nous aide dans un certain de cas physique de recherche des neutrinos. L’un des plus prometteur est la recherche de ce que l’on appelle les neutrinos reliques de supernovas (SRN, Supernova Relic Neutrinos) issus du big-bang ou le fond diffus de neutrinos de supernova (DSNB, Diffuse Supernova Neutrino Background). Bien que les supernovas galactiques soient des phénomènes rares, elles devraient se produire environ une fois par seconde dans l’univers entier. Les neutrinos de toutes ces supernovas devraient former un flux isotrope qui sera mesuré pendant la phase SK-Gd. La mesure du DNSB nous renseigne sur les supernovas elles-mêmes, sur le taux de formation des étoiles dans l’univers ainsi que sur la cosmologie. L’ajout de Gd ouvre donc de nouvelles voies de recherche sur les neutrinos à Super-Kamiokande.
Le projet Hyper-Kamiokande
À plus long terme, il est prévu de lancer le successeur de l’expérience T2K – l’expérience Hyper-Kamiokande. Elle conservera le faisceau de neutrinos existant, bien qu’amélioré pour produire un flux plus intense de neutrinos ainsi que le détecteur proche amélioré. Cependant, le détecteur Super-Kamiokande sera remplacé par un détecteur Tcherenkov à eau beaucoup plus grand, Hyper-Kamiokande. Il est également prévu de construire un détecteur Tcherenkov à eau intermédiaire (IWCD, Intermediate Water Cherenkov Detector) à une distance de 1 à 2 km de la source de neutrinos. Comme Super-Kamiokande, Hyper-Kamiokande aura un programme de physique très large impliquant à la fois les neutrinos provenant du J-PARC et les neutrinos atmosphériques issus d’interactions des rayons cosmiques primaires avec la haute atmosphère. Hyper-Kamiokande prendra ces première données en 2027.
Pour plus d’informations sur Hyper-Kamiokande, veuillez consulter la page web d’Hyper-Kamiokande.
Le détecteur Hyper-Kamiokande
Hyper-Kamiokande est un détecteur Tcherenkov à eau de troisième génération, cinq fois plus grand que son prédécesseur Super-Kamiokande. La conception de la cuve et de la caverne pour d’Hyper-Kamiokande est actuellement en cours. L’excavation du tunnel a débuté en octobre 2021, et la prise de données est prévue pour 2027. Tout comme Super-Kamiokande, la cuve sera de forme cylindrique, mais avec une hauteur de 71 m et un diamètre de 68 m. Grâce à son énorme augmentation de volume, Hyper-K sera en mesure d’obtenir une quantité de données équivalente à 100 ans de données de Super-K en seulement 10 ans, ce qui augmentera considérablement les chances de détecter de nouveaux phénomènes physiques.
Les objectifs physiques d’Hyper-Kamiokande sont nombreux et variés, mais les principaux sont une mesure plus précise de la violation de CP, une meilleure détermination de la hiérarchie de masse des neutrinos, la détection des neutrinos cosmiques et l’observation de la désintégration des protons. La mesure de la violation de CP et la désintégration des protons sont essentielles pour déterminer les raisons de l’asymétrie matière-antimatière observée dans l’univers, car elles font partie des conditions de Sakharov nécessaires à la baryogenèse. Hyper-Kamiokande étudiera la violation de CP en mesurant les différences entre les probabilités d’oscillation de saveur pour les neutrinos et les antineutrinos. Pour 75% de l’espace des paramètres de la phase de violation CP, Hyper-K sera en mesure de confirmer une violation de CP non nulle avec une significativité de 3σ, et pour plus de 50 % de l’espace des paramètres avec une significativité supérieure à 5σ. Il est important d’étudier la hiérarchie des masses des neutrinos car elle permet d’aider à la détermination du mécanisme responsable de la génération des masses des neutrinos. Cette hiérarchie peut être déterminé par une comparaison du phénomène d’apparition des neutrinos électroniques et des antineutrinos électronique dans les flux atmosphériques. La connaissance de la hiérarchie des masses permettra de savoir (ou au moins donner des contraintes) si le neutrino est sa propre antiparticule ou non.
Hyper-Kamiokande réalisera ces mesures en utilisant un détecteur qui non seulement possède un volume fiduciel beaucoup plus grand que Super-Kamiokande, mais aussi des photodétecteurs considérablement améliorés, qui présenteront une efficacité de photodétection deux fois plus grande et une capacité à mesurer l’intensité lumineuse et le temps de détection avec une précision beaucoup plus grande. Des modules optiques multi-PMT (tube photo-multiplicateur), qui impliquent l’utilisation de 19 PMT de 3 pouces logés dans un même module de même taille qu’un PMT normal de 20 pouces, seront également utilisés, offrant une granularité accrue pour une meilleure reconstruction des événements. Ceci est particulièrement important pour les événements multi-anneaux et pour les événements qui ont lieu près de la paroi du détecteur. Ces PMT présenteront un taux de bruit de fond réduit par rapport à ceux de Super-K et seront mieux protégés contre l’implosion.
IWCD, le détecteur Tcherenkov à eau intermédiaire
Le détecteur Tcherenkov à eau intermédiaire, ou IWCD, est un détecteur intermédiaire proche qui a été proposé dans le cadre du programme Hyper-Kamiokande de physique des neutrinos à grande distance de propagation. IWCD est un détecteur Tcherenkov à eau à petite échelle (6m de hauteur, 8m de diamètre) de l’ordre de 300 tonnes, qui sera placé à environ 1 km du point de production du faisceau de neutrinos au J-PARC.
Un schéma de l’IWCD est visible sur l’image de gauche. Il sera équipé de modules “multi-PMT” ou mPMT, les mêmes que ceux présentés dans la section consacrée à l’expérience WCTE (Water Cherenkov Test Experiment). Les mPMTs permettront une reconstruction précise des interactions des neutrinos grâce à leur réponse temporelle rapide et à leur grande granularité.
L’objectif de l’IWCD est de mesurer les flux de neutrinos à plusieurs positions angulaires hors axe par rapport au faisceau, afin de permettre l’étude des modèles d’interaction des neutrinos. Les détecteurs Tcherenkov à eau sont connus pour leurs excellentes mesures des neutrinos électroniques. En permettant à un tel détecteur de se déplacer dans le plan vertical, l’IWCD deviendra un détecteur proche très puissant.
Pourquoi un détecteur mobile ? Le spectre en énergie des neutrinos entre Hyper-Kamiokande et les détecteurs proches diffère en raison des oscillations des neutrinos, et celui-ci dépend de l’angle hors axe (voir image de droite).
La prise de données en différents points hors axe permet de reproduire les spectres d’énergie d’intérêt, y compris le spectre du détecteur à Hyper-Kamiokande ou celui d’un faisceau monochromatique. Il est également possible de mesurer les différences entre l’énergie réelle et l’énergie reconstruite sur toute la gamme en énergie et de déterminer un facteur de “mauvaise reconstruction” pour les événements CCQE (interactions Quasi-Elastique par Courant Chargé) et non-CCQE.
Les mesures des sections efficaces d’interaction des neutrinos électroniques sont essentielles, car la sensibilité à la violation de CP d’Hyper-Kamiokande sera limitée par l’incertitude sur ces dernières. Cette incertitude est actuellement dominée par la théorie et les mesures disponibles sont actuellement limitées par leur incertitude statistique. Les mesures de l’IWCD aideront à résoudre diminuer cette incertitude systématique et à améliorer les analyses d’oscillation à long terme de Hyper-Kamiokande.
Expérience de test des détecteurs Tcherenkov à eau (WCTE) au CERN
WCTE est un détecteur Tcherenkov à eau à petite échelle qui sera situé au CERN. WCTE servira à étudier la réponse de ce type de détecteur aux faisceaux de hadrons, d’électrons et de muons, et utilisera de nouvelles technologies pour les photocapteurs. Le détecteur sera équipé de modules multi-PMT comprenant chacun 19 PMT de 3 pouces et testera un système de déploiement d’étalonnage nouvellement développé. Des techniques d’étalonnage avec des flux de particules connus seront utilisées pour démontrer que l’on peut atteindre une précision au niveau du pourcent sur l’étalonnage pour des interactions de neutrinos à l’échelle du GeV. D’autres mesures seront effectuées, notamment celles de la production de lumière Tcherenkov, de la diffusion des pions et de la production de neutrons secondaires, afin de fournir des données directes aux expériences T2K et Super-Kamiokande.
La conception du détecteur WCTE est similaire à celle de SK, où une structure de support des PMT en acier inoxydable est logée dans un réservoir d’eau. Le WCTE sera toutefois beaucoup plus petit (environ 4 m de hauteur pour 4 m de diamètre) et sera équipé de module multi-PMT (mPMT) plutôt que de grands PMT de 20 pouces utilisés dans SK. Dix-neuf PMT de 8 cm de diamètre (Hamamatsu R14374) permettent de constituer un mPMT, ce qui permet d’améliorer la granularité et la réponse temporelle par rapport à l’utilisation de PMT uniques plus grands. Une coupe transversale du détecteur est présentée dans la figure de gauche, où l’on peut voir le réservoir en acier inoxydable, la structure de support et les modules mPMT. On peut également voir un système d’étalonnage à 3 axes qui sera utilisé pour déployer plusieurs dispositifs d’étalonnage à des positions spécifiques à l’intérieur du détecteur.
Les études de physique du WCTE comprennent
- La production de lumière Tcherenkov qui peut être difficiles à étudier dans des détecteurs plus grands
- L’étalonnage de l’échelle en énergie
- Pour Hyper-K, l’incertitude de l’échelle d’énergie devra être de l’ordre de 0,5%, alors que l’erreur actuelle à Super-K est de 2%.
- L’étude de l’échelle d’énergie et des techniques d’étalonnage permettra de réduire les incertitudes sur l’échelle en énergie dans les grands détecteurs.
- La production de neutrons secondaires utilisés pour la discrimination des neutrinos et des antineutrinos dans SK-Gd et HK.
- La diffusion des pions
- La reconstruction des pions dans l’état final peut être difficile en raison de la modélisation limitée de la diffusion hadronique sur l’oxygène.
Il y aura deux configurations de faisceau qui utilisent toutes deux le même faisceau de particules. Dans la première configuration, l’impulsion du faisceau couvrira une gamme de 300 MeV/c à 1500 MeV/c. La deuxième configuration permettra l’étude des pions et des protons de faible impulsion.
