T2K работает уже более десяти лет и успешно выполнил свою первоначальную физическую программу, хотя по мере получения большего количества данных будут далее улучшены измерения параметров нейтринных осцилляций и сечений взаимодействия. Однако по мере накопления статистических данных становится важным совершенствовать детектор, чтобы систематические ошибки (то есть неопределенности, которые не являются просто результатом статистических флуктуаций) также могли быть уменьшены. Японская программа по физике нейтрино включает планы по крупной модернизации T2K и запуску преемника эксперимента T2K, эксперимента Гипер-Камиоканде (Hyper-Kamiokande), в течение следующих десятилетий.
T2K-II/T2K-модернизация
Фаза II эксперимента T2K (T2K-II) включает планы по крупной модернизации нейтринного пучка и ближнего детектора ND280, а также позволяет воспользоваться решением о растворении солей гадолиния в воде Супер-Камиоканде. Цель T2K-II – подтверждение на уровне 3σ сохранения или нарушения CP-симметрии в нейтринных осцилляциях.
Модернизация пучка
В настоящее время основное кольцо (Main Ring, MR) J-PARC ускоряет протоны до 30 ГэВ каждые 2,48 с для обеспечения протонного пучка мощностью 515 кВт для эксперимента T2K. Модернизация канала направлена на повышение мощности пучка до 750 кВт к 2022 году и 1,3 МВт до начала эксперимента Hyper-K, чтобы увеличить статистику набора данных. Увеличение мощности пучка требует большего количества импульсов и протонов на импульс, что может быть достигнуто путем увеличения частоты повторения пучка и уменьшения потерь и нестабильности пучка. Модернизация источников питания и радиочастотных резонаторов (Radio Frequency cavity, RF) поможет сократить время между импульсами пучка с 2,48 с до 1,16 с и улучшить стабильность для увеличения количества протонов на импульс с 2,65×1014 до 3,2×1014 к ~2026 году. Модернизация мониторов профиля пучка также необходима для адаптации увеличенной мощности пучка и количества протонных взаимодействий для более точного измерения свойств пучка и уменьшения систематических неопределенностей в измерениях потока нейтрино.
При модернизации основного пучка (протонных ускорителей) также требуется усовершенствование компонентов канала для вывода нейтрино, чтобы соответствовать возросшей мощности пучка. Пучок протонов попадает на монолитную углеродную мишень длиной 91,4 см, охлаждаемую газообразным гелием. В настоящее время возможности охлаждения расширены, и разрабатывается новая мишень для более высокой мощности пучка, а также рассматриваются новые типы мишеней для дальнейшего увеличения эффективного количества получаемых нейтрино. Модернизация электромагнитов («рупоров» или «horns») важна для улучшения фокусировки пионов с определенными зарядами, которые распадаются в нейтрино. В настоящее время проводится замена horn 1 и horn 2, модернизация источников питания и увеличение их числа с 2 до 3, что позволит увеличить ток в трех электромагнитах с 250 кА до 320 кА, что приведет к увеличению потока нейтрино «правильного» знака (нейтрино для режима пучка нейтрино и антинейтрино для режима пучка антинейтрино) на 10% и уменьшению потока нейтрино «неправильного» знака на 5~10%. Внутри электромагнитов токопроводящие полосы будут модернизированы для использования водяного охлаждения вместо газообразного гелия, в то время как возможность охлаждения водой по трубопроводу вокруг сосуда с гелием, распадного объема и дампа пучка (других элементов мишенной станции) также будет улучшена за счет увеличения потока воды. Резервуар для воды также модернизируется, чтобы иметь достаточно места для обращения с удаляемой и разбавленной радиоактивной водой, образующейся в процессе производства нейтринного пучка. Электронно-умножительные трубки и трансформатор тока MUMON разрабатываются для определения профиля пучка вторичных мюонов (мюонов от распадов пионов) и определения заряда мюона, соответственно, на мюонном мониторе позади дампа пучка для повышения чувствительности измерения профиля нейтринного пучка. С другой стороны, улучшение моделирования пучка также может быть осуществлено путем включения дополнительных ограничений из других экспериментов по производству адронов.
Модернизация ближнего детектора ND280
Внеосевой ближний детектор ND280 используется с момента ввода в эксплуатацию эксперимента T2K в 2009 году и сыграл важную роль в ограничении систематических неопределенностей, в конечном итоге способствуя получению достаточной точности для открытия νμ → νe осцилляций. После модернизации пучка J-PARC для увеличения его мощности, следующей целью является получение достаточной статистики для определения CP-нарушения в лептонном секторе с точностью, превышающей 3σ. Это сопровождается требованием дальнейшего уменьшения остающихся систематических ошибок. В частности, нынешний внеосевой ближний детектор все еще ограничен угловым аксептансом преимущественно вперед летящих частиц, и, кроме того, ограничена возможность реконструкции коротких треков. Таким образом, не каждый тип взаимодействия нейтрино может быть проанализирован с достаточной точностью.
Чтобы устранить эти недостатки, детектор π0 (P0D) нынешнего ND280 заменен тремя типами новых субдетекторов: Super-Fine-Grain Detector (SuperFGD), расположенный между двумя горизонтальными время-проекционными камерами (HA-TPC), и шестью времяпролетными плоскостями (TOF), окружающими как SuperFGD, так и HA-TPC. SuperFGD изготовлен из пластиковых сцинтилляционных кубиков размером 1 см3 со считыванием в трех ортогональных направлениях. Высокогранулированная кубическая структура обеспечивает полный угловой аксептанс благодаря своей изотропной природе, что значительно повышает эффективность обнаружения коротких треков благодаря тому, что сигнал только от одного кубика передает трехмерную информацию и улучшает позиционное разрешение по сравнению с нынешними гранулированным детекторами (FGD) на основе полосок из сцинтиллятора. Это позволяет более точно измерять протоны и заряженные пионы, производящие в основном короткие треки, и дает возможность обнаруживать нейтроны путем измерения вторичных частиц, образующихся в последующих взаимодействиях. HA-TPC оснащены передовой технологией считывания, резистивными MicroMegas, что значительно улучшает пространственное разрешение благодаря распространению заряда, создаваемого частицами, ионизирующими газ в HA-TPC. Их горизонтальная конфигурация позволяет идентифицировать и восстанавливать импульс для треков, идущих вверх и вниз по отношению к пучку нейтрино, что дополняет информацию о движущихся вперед частицах, получаемую с помощью нынешних вертикальных TPC. Точная временная информация о частицах, выходящих за пределы TOF, позволяет определить направление частиц и, таким образом, отличить частицы, рожденные внутри детектора, от фона, произведенного вне его. Эти преимущества новых субдетекторов являются основой для более точных измерений сечений взаимодействия нейтрино, включая возможность исследования ядерных эффектов с помощью измерений адронов с малым импульсом.
Ожидается, что при анализе данных фазы II T2K систематические неопределенности будут снижены до 4% (по сравнению с 6% в настоящее время) благодаря модернизации ближнего детектора. Модернизация ND280 находится в стадии подготовки и будет завершена в 2022/23 году.
Дальний детектор Super-K с растворенным гадолинием (SK-Gd)
На протяжении большей части срока эксплуатации Супер-Камиоканде был заполнен сверхчистой водой. Однако в последние годы в нее стали добавлять редкоземельный элемент гадолиний. Этот период деятельности Super-K (или SK) называется SK-Gd. Гадолиний имеет очень высокую эффективность захвата нейтронов. Добавление Gd означает, что некоторые нейтроны, образующиеся при обратном бета-распаде (IBD, νe + p → e+ + n), будут захвачены гадолинием. Возбуждение ядер гадолиния снимается за счет испускания рентгеновского излучения высокой энергии. Эти фотоны затем регистрируются ФЭУ в виде запаздывающего сигнала. Имея быстрый сигнал от позитрона, а также задержанный сигнал от захваченного нейтрона, SK-Gd может выполнять гораздо более точную реконструкцию событий. Доля нейтронов, которые захватываются в детекторе, напрямую зависит от концентрации: всего ~0,1% гадолиния дает примерно 90% захвата нейтронов.
Улучшение реконструкции событий IBD помогает нам в ряде различных направлений нейтринных исследований. Одним из наиболее перспективных является поиск так называемых реликтовых нейтрино сверхновых (SRN) или диффузного нейтринного фона сверхновых (DSNB). Хотя галактические сверхновые – редкие явления, предполагается, что они происходят примерно раз в секунду во всей Вселенной. Ожидается, что нейтрино от всех этих сверхновых образуют глобальный поток, который можно измерить с помощью SK-Gd. Измерение реликтового сигнала может рассказать нам о самих сверхновых, скорости звездообразования во Вселенной и космологии Вселенной. Таким образом, добавление Gd открывает новые перспективы нейтринных исследований в Супер-Камиоканде.
Проект Гипер-Камиоканде (Hyper-Kamiokande)
В более отдаленной перспективе планируется запустить преемника эксперимента T2K – эксперимент Гипер-Камиоканде (Hyper-Kamiokande). В нем будет сохранен существующий нейтринный пучок, хотя и модернизированный для получения более интенсивного потока нейтрино, и модернизированный ближний детектор, но вместо Super-Kamiokande будет установлен более крупный водный черенковский детектор Hyper-Kamiokande. Также планируется построить промежуточный водный черенковский детектор (IWCD) на расстоянии 1-2 км от источника нейтрино. Как и Супер-Камиоканде, Гипер-Камиоканде будет иметь обширную физическую программу, включающую как нейтрино от J-PARC, так и атмосферные нейтрино от взаимодействия космических лучей. Гипер-Камиоканде должен начать работу примерно в 2027 году.
Для получения дополнительной информации о Hyper-Kamiokande посетите веб-страницу Hyper-Kamiokande.
Детектор Гипер-Камиоканде
Hyper-Kamiokande – это водный черенковский детектор третьего поколения – в пять раз больше, чем его предшественник Super-Kamiokande. В настоящее время ведется проектирование резервуара и подземной шахты для строительства Hyper-Kamiokande, а получение данных запланировано на 2027 год. Как и Супер-Камиоканде, он будет иметь цилиндрическую форму, но высотой 71 м и диаметром 68 м. Благодаря значительно возросшему размеру он сможет получить объем данных, эквивалентный 100 годам работы Супер-К, за короткий промежуток времени – всего за 10 лет, что приведет к гораздо более высоким шансам на обнаружение новых физических явлений.
Физические цели Hyper-Kamiokande многочисленны и разнообразны, но основные из них включают более точное измерение нарушения CP симметрии, лучшее определение иерархии масс нейтрино, обнаружение космических нейтрино и наблюдение распада протонов. Как измерение CP-нарушения, так и распад протонов являются ключом к определению причины асимметрии материи и антиматерии во Вселенной, поскольку они относятся к известным условиям А.Д. Сахарова, необходимым для бариогенеза. Hyper-Kamiokande будет исследовать CP нарушение путем измерения различий между вероятностями осцилляции ароматов для нейтрино и антинейтрино, и для 75% пространства параметров CP он сможет подтвердить нарушение CP со значимостью 3σ, а для более 50% пространства параметров – со значимостью 5σ. Исследование иерархии масс нейтрино важно, поскольку оно поможет выяснить, какой механизм отвечает за генерацию массы нейтрино. Иерархия масс может быть определена путем сравнения появления электронных нейтрино в атмосферных нейтрино отдельно для нейтрино и для антинейтрино. Знание об иерархии масс также поможет проверить, является ли нейтрино собственной античастицей или нет.
Hyper-Kamiokande будет выполнять эти измерения с помощью детектора, который не только имеет гораздо больший рабочий объем (fiducial volume) по сравнению с Super-Kamiokande, но и значительно улучшенные фотосенсоры, которые будут иметь вдвое большую эффективность фотодетектирования и способность измерять интенсивность света и время регистрации с гораздо большей точностью. Также будут использоваться оптические модули из нескольких ФЭУ (Multi-PMT Optical Modules), которые предполагают использование 19 3-дюймовых ФЭУ, размещенных в том же модуле, что и обычный 20-дюймовый модуль ФЭУ, обеспечивая повышенную детализацию для улучшенной реконструкции событий. Это особенно важно для многокольцевых событий и для событий, происходящих вблизи стенки детектора. Также будет снижена интенсивность “темновых” срабатываний и улучшена защита от имплозии сосуда ФЭУ.
Промежуточный водный черенковский детектор (IWCD)
Промежуточный водный черенковский детектор, или IWCD (Intermediate Water Cherenkov Detector), – это промежуточный ближний детектор, который был предложен в рамках программы нейтринной физики с длинной базой Hyper-Kamiokande. IWCD – это малогабаритный водный черенковский детектор (высота 6 м, диаметр 8 м) весом порядка 300 т, который будет размещен примерно в 1 км от точки получения пучка в J-PARC.
Схема IWCD показана на рисунке слева. IWCD будет оснащен модулями «мульти-ФЭУ” (mPMT), такими же, которые обсуждаются в разделе «Водный черенковский тестовый эксперимент (WCTE)». Модули mPMT позволят точно реконструировать нейтринные взаимодействия благодаря их быстрому временному отклику и «зернистости».
Целью IWCD является измерение потоков нейтрино в нескольких внеосевых угловых положениях относительно пучка, что позволит изучить модели взаимодействия нейтрино. Водные черенковские детекторы хорошо известны тем, что позволяют проводить очень качественные измерения электронных нейтрино. Позволяя такому детектору двигаться в вертикальной плоскости, можно сделать IWCD очень мощным ближним детектором.
Зачем нужен движущийся детектор? Энергетические спектры Гипер-Камиоканде и ближних детекторов различаются из-за осцилляций нейтрино, и энергетический спектр нейтрино зависит от внеосевого угла (см. правое изображение).
Получение данных в различных точках в заданном внеосевом диапазоне позволяет имитировать интересующие энергетические спектры, включая спектр в детекторе Hyper-Kamiokande или монохроматический пучок. Также можно измерить разницу между значениями истинной и восстановленной энергиями в энергетическом спектре и определить фактор “неправильной реконструкции” для событий CCQE и не-CCQE.
Измерения сечения электронного нейтрино будут крайне важны, так как чувствительность Hyper-Kamiokande к нарушению CP будет ограничена неопределенностью сечения взаимодействия электронного нейтрино, поскольку текущая неопределенность обусловлена теорией, а доступные экспериментальные измерения в настоящее время ограничены статистической неопределенностью. Измерения IWCD помогут решить проблему ограничения систематической неопределенности в анализе осцилляций Hyper-Kamiokande с длинной базой.
Водный черенковский тестовый эксперимент (WCTE) в ЦЕРН
Водный черенковский тестовый эксперимент (The Water Cherenkov Test Experiment, или WCTE) – это малогабаритный водный черенковский детектор, который будет расположен в ЦЕРНе. WCTE будет использоваться для изучения отклика водного черенковского детектора на адронные, электронные и мюонные пучки, а также для использования новых фотосенсорных технологий. Детектор будет оснащен модулями mPMT, состоящими из 19 3-дюймовых ФЭУ каждый, а также будет протестирована недавно разработанная система калибровки. Методы калибровки с известными потоками частиц будут использованы для получения калибровки на уровне 1% для нейтринных взаимодействий в диапазоне энергий около 1 ГэВ. Другие измерения будут включать получение черенковского излучения, рассеяние пионов и получение вторичных нейтронов, чтобы обеспечить вводные данные для экспериментов T2K и Super-Kamiokande (SK).
Конструкция детектора WCTE аналогична конструкции SK, где опорная структура ФЭУ из нержавеющей стали размещается внутри резервуара с водой. Однако WCTE будет гораздо меньшего масштаба, примерно 4 х 4 м, и будет оснащен модулями мульти-ФЭУ (mPMT), а не большими 20-дюймовыми ФЭУ, которые используются в SK. Девятнадцать ФЭУ диаметром 8 см (Hamamatsu R14374) составляют один модуль mPMT, что позволяет улучшить пространственную детализацию и временные характеристики по сравнению с использованием более крупных одиночных ФЭУ. Поперечное сечение детектора показано на рисунке слева, где видны бак из нержавеющей стали, опорная структура и модули mPMT. Также видна трехосная система калибровки, которая будет использоваться для установки нескольких калибровочных устройств в заданных положениях внутри детектора.
Физические задачи WCTE:
- Получение черенковского света и процессов, которые трудно изучать в больших детекторах.
- Калибровка энергетической шкалы
- Для HK неопределенность энергетической шкалы должна быть на уровне 0,5%, в то время как текущая ошибка в SK составляет 2%.
- Изучение энергетической шкалы и методов калибровки позволит уменьшить неопределенность энергетической шкалы в больших детекторах.
- Получение вторичных нейтронов, которые используются для определения нейтрино/антинейтрино в SK-Gd и HK.
- Рассеяние пионов
- Реконструкция пионов в конечном состоянии может быть сложной из-за ограниченного моделирования адронного рассеяния на кислороде.
Предусмотрены две конфигурации пучка, в которых используется один и тот же пучок частиц. В первой конфигурации импульсы пучка варьируются от 300 МэВ/c до 1500 МэВ/c. Вторая конфигурация позволяет изучать пионы и протоны с малыми импульсами.
