T2K experiment

T2K (từ Tokai đến Kamioka) là một thí nghiệm vật lý hạt nghiên cứu các dao động của neutrino sinh ra từ máy gia tốc. Thí nghiệm được thực hiện tại Nhật Bản bởi sự hợp tác quốc tế của khoảng 500 nhà vật lý và kỹ sư với hơn 60 tổ chức nghiên cứu từ một số quốc gia từ Châu Âu, Châu Á và Bắc Mỹ và đây là một thí nghiệm liên kết với Trung Tâm vật lý hạt Châu Âu (CERN) (RE13).

T2K là thí nghiệm đầu tiên quan sát thấy sự xuất hiện của neutrino electron từ chùm neutrino muon, nó cũng cung cấp phép đo chính xác nhất thế giới thông số dao động θ 23 và gợi ý về sự bất đối xứng đáng kể giữa vật chất phản vật chất trong neutrino dao động. Việc đo sự bất đối xứng dao động neutrino-antineutrino có thể đưa chúng ta đến gần hơn lời giải thích về sự tồn tại của Vũ trụ chủ yếu là vật chất của chúng ta.

Các chùm neutrino muon cực mạnh được tạo ra tại J-PARC (Tổ hợp nghiên cứu máy gia tốc Proton Nhật Bản) đặt ở Tokai trên bờ biển phía đông Nhật Bản. Chùm tia hướng vào máy dò xa Super-Kamiokande đặt cách xa 295&nbsp; km ở thành phố Hida, Gifu. Các tính chất và thành phần của thông lượng neutrino trước tiên được đo bằng hệ thống các máy dò gần nằm cách nơi sản xuất chùm tia 280m ở trong khu liên hợp J-PARC, sau đó được đo một lần nữa với máy dò Super-Kamiokande. So sánh thành phần của các hương vị neutrino khác nhau ở hai địa điểm này cho phép đo xác suất chuyển vị khi neutrino di chuyển giữa các máy dò gần và xa. Super-Kamiokande có thể phát hiện sự tương tác của cả neutrino muon và neutrino electron, và do đó đo được sự biến mất của thông lượng muon neutrino, cũng như sự xuất hiện của neutrino electron trong chùm tia.

Chương trình vật lý
Thí nghiệm T2K đã được đề xuất vào năm 2003 với các mục tiêu vật lý như sau:
Đo chính xác nhất của tham số θ 23. và xa, Super-Kamiokande.
Nhiều phép đo tiết diện tán xạ khác nhau của neutrino electron và neutrino muon và các quá trình với phản-neutrino, bao gồm các tương tác dòng điện tích (CC) cộng hưởng, tương tác CC không có pion và với pion đơn trong trạng thái cuối cùng, sản sinh pion kết hợp, tương tác dòng trung tính, vv trên các vật chất khác nhau như carbon, nước và sắt.

Những nâng cấp trong tương lai của T2K dự kiến sẽ cung cấp thêm sự ràng buộc lên pha δ CP bằng cách so sánh các dao động của neutrino với các phản neutrino, cũng như các phép đo chính xác hơn các tham số Δm223 và θ 23, và các phép đo tiết diện tán xạ sẽ mở rộng hiểu biết của chúng ta về tương tác neutrino và do đó cải thiện các mô hình lý thuyết được sử dụng trong các công cụ mô phỏng tương tác neutrino.

Chùm tia neutrino

T2K sử dụng chùm tia neutrino muon hoặc phản-neutrino muon được tạo ra tại J-PARC, sử dụng chùm tia proton tăng tốc dần lên 30 GeV bằng mộ thệ thống với ba máy gia tốc: đầu tiên là tăng tốc lên mức năng lượng 400 MeV bằng máy gia tốc tuyến tính Linac, sau đó nâng lên đến mức năng lượng 3 GeV với RCS (Synchrotron chu kỳ nhanh), và cuối cùng nâng lên đến 30 GeV bởi synchrotron MR (Vòng chính). Các proton va chạm với một thanh bia bằng than chì, tạo ra các meson, chủ yếu là pion và kaon, sau đó được tập trung bởi một bộ ba thấu kính từ hình sừng và hướng các meson này vào một đường hầm gọi là khối phân rã. Tùy thuộc vào cực của thấu kính từ hình sừng, các hạt meson dương hoặc âm được bẻ về phía trung tâm. Pion và kaon dương phân rã chủ yếu thành và tạo thành một chùm neutrino muon, trong khi pion và kaon âm phân rã chủ yếu vào và tạo thành một chùm phản-neutrino muon. Tất cả các hadron và lepton tích điện còn lại bị chặn lại bởi một khối than chì nặng 75 tấn (được gọi là bãi chứa chùm tia) và trong lòng đất, trong khi neutrino di chuyển dưới lòng đất về phía máy dò xa.

Máy dò gần
Tổ hợp máy dò gần

Buồng chiếu thời gian
Ba buồng chiếu thời gian (TPC) là các hộp hình chữ nhật kín khí, với mặt phẳng cực âm ở trung tâm và đọc các mô-đun MicroMegas ở cả hai phía song song với cực âm. TPC chứa đầy khí trôi dựa trên argon dưới áp suất khí quyển. Các hạt tích điện đi qua TPC làm ion hóa khí dọc theo đường ray của chúng. Các electron ion hóa trôi từ cực âm sang hai bên của TPC, nơi chúng được MicroMegas phát hiện cung cấp hình ảnh 3D về đường đi của hạt tích điện đi qua. Tọa độ Y và Z dựa trên vị trí của các electron ion hóa được phát hiện trên các mô-đun MicroMegas và tọa độ X dựa trên thời gian trôi của electron. Trong từ trường, độ cong của đường dẫn này cho phép xác định điện tích và động lượng của hạt và lượng electron ion hóa trên mỗi đơn vị khoảng cách được sử dụng để xác định các hạt dựa trên công thức Bethe-Bloch.

Máy dò hạt mịn
Hai máy dò hạt mịn (FGD) được đặt sau TPC thứ nhất và thứ hai. Các FGD và TPC cùng nhau tạo nên trình theo dõi của ND280. FGD cung cấp khối lượng mục tiêu hoạt động cho các tương tác neutrino và có thể đo các rãnh ngắn của độ giật proton. FGD thứ nhất chỉ bao gồm các lớp scintillator, trong khi FGD thứ hai bao gồm các lớp scintillator và nước xen kẽ. FGD thứ hai bao gồm một phần nước vì máy dò tại Super-Kamiokande dựa trên nước. Các mặt cắt ngang trên carbon và trên mặt nước có thể được xác định từ việc so sánh các tương tác neutrino trong hai FGD.

Nhiệt lượng kế điện từ
Nhiệt lượng kế điện từ (ECAL) bao quanh các máy dò bên trong (P0D, TPC, FGD) và bao gồm các lớp scintillator được kẹp bằng các tấm hấp thụ chì. Vai trò của nó là phát hiện các hạt trung tính, đặc biệt là các photon và đo năng lượng và hướng của chúng, cũng như phát hiện các hạt tích điện cung cấp thông tin bổ sung có liên quan để nhận dạng chúng.

Máy dò phạm vi Muon
Bộ phát hiện phạm vi Side Muon (SMRD) bao gồm các mô-đun scintillator được chèn vào các khoảng trống trong nam châm. SMRD ghi lại các muon thoát ra khỏi các bộ phận bên trong của máy dò ở các góc lớn đối với hướng chùm tia. Nó cũng có thể hoạt động như một kích hoạt cho các tia vũ trụ. Cuối cùng, nó có thể giúp xác định các tương tác chùm tia trong các bức tường xung quanh và trong chính nam châm.

Siêu Kamiokande
Máy dò siêu Kamiokande nằm dưới lòng đất 1000 m trong Mỏ Mozumi, dưới Núi Ikeno ở khu vực Kamoka của thành phố Hida. Nó là một bể hình trụ bằng thép không gỉ có chiều cao và đường kính khoảng 40 m, chứa đầy 50.000 tấn nước và được trang bị khoảng 13.000 ống nhân quang (PMT). Nó phát hiện một hình nón ánh sáng Cherenkov phát ra từ các hạt tích điện chuyển động trong nước nhanh hơn ánh sáng trong môi trường này. Mục tiêu của nó là đo muon và electron được tạo ra trong các tương tác quasielastic (CCQE) tích điện và , tương ứng. Do khối lượng tương đối lớn, muon thường không thay đổi hướng của chúng và do đó tạo ra một hình nón Cherenkov được xác định rõ ràng được quan sát bởi các PMT như một vòng rõ ràng, sắc nét. Ngược lại, các electron, vì khối lượng nhỏ hơn, dễ bị tán xạ hơn và hầu như luôn tạo ra các vòi hoa sen điện từ, được PMT quan sát như một vòng có các cạnh mờ. Năng lượng neutrino được tính toán dựa trên hướng và năng lượng của một lepton tích điện được tạo ra trong tương tác CCQE. Theo cách này, và Phổ được xác định, dẫn đến việc đo các tham số dao động có liên quan đến sự biến mất của muon neutrino và sự xuất hiện của neutrino electron.

Lịch sử
T2K là sự kế thừa của thí nghiệm KEK đến Kamioka (K2K), diễn ra từ năm 1999 đến 2004. Trong thí nghiệm K2K, một chùm neutrino muon được tạo ra tại cơ sở KEK ở Tsukuba (Nhật Bản) và được gửi tới máy dò Super-Kamiokande, đặt 250 &nbsp; cách xa km. Các kết quả thí nghiệm K2K khẳng định ở cấp độ tại 99,9985% độ tin cậy (4,3 σ) là sự biến mất của các neutrino muon và cũng phù hợp với các số đo trước các thông số dao động được đo bằng các máy dò Super-Kamiokande cho neutrino khí quyển.

Việc xây dựng chùm tia neutrino bắt đầu vào năm 2004 và nó đã được đưa vào vận hành thành công vào năm 2009. Việc xây dựng toàn bộ máy dò INGRID và phần lớn máy dò ND280 (không có phần nòng của nhiệt lượng kế điện từ) đã được hoàn thành vào năm 2009. Phần còn thiếu của nhiệt lượng kế đã được cài đặt vào mùa thu năm 2010. Máy dò xa T2K là máy dò Super-Kamiokande lớn, hoạt động từ năm 1996 và nghiên cứu tuổi thọ proton và dao động của neutrino khí quyển, mặt trời và máy gia tốc. với 55% dữ liệu ở chế độ neutrino và 45% ở chế độ antineutrino.

Các kế hoạch trong tương lai
Thí nghiệm T2K dự kiến sẽ hoạt động ở dạng hiện tại cho đến cuối năm 2020. Năm 2021, một bản nâng cấp lớn của chùm tia neutrino và máy dò gần ND280 sẽ được thực hiện. Từ năm 2022 đến năm 2026, dữ liệu neutrino sẽ được lấy trong giai đoạn thứ hai của thí nghiệm T2K (T2K-II). Vào năm 2025, người kế nhiệm của thí nghiệm T2K sẽ được ra mắt, thí nghiệm Hyper-Kamiokande (HK), với máy dò xa Cherenkov mới, 250.000 tấn - máy dò xa Hyper-Kamiokande. Tòa nhà của một máy dò Cherenkov trung gian bổ sung ở khoảng cách khoảng 2 &nbsp; km cũng được xem xét cho thí nghiệm HK.

T2K-II
Giai đoạn II của thí nghiệm T2K dự kiến sẽ bắt đầu vào năm 2022 và kéo dài đến năm 2025 hoặc 2026 sau khi bắt đầu thử nghiệm HK. Các mục tiêu vật lý của T2K-II là phép đo các tham số dao động θ 23 và Δm 223 với độ chính xác tương ứng là 1,7 ° và 1%, cũng như xác nhận ở mức 3 σ trở lên đối xứng vật chất phản vật chất trong khu vực neutrino trong một loạt các giá trị thực có thể có của δ CP - tham số chịu trách nhiệm cho sự bất đối xứng CP (vật chất-phản vật chất). Để đạt được các mục tiêu này đòi hỏi phải giảm các lỗi thống kê và hệ thống, và do đó, một sự nâng cấp đáng kể của máy dò tia và máy dò ND280, cũng như các cải tiến trong phương pháp phân tích và phần mềm.

Nâng cấp chùm tia
Kế hoạch nâng cấp chùm tia đòi hỏi phải ngừng hoạt động của máy gia tốc Vòng chính J-PARC trong một năm vào năm 2021, sau đó là công suất chùm tia proton tăng dần liên tục cho đến khi bắt đầu thí nghiệm HK. Công suất chùm tia phải đạt 750 &nbsp; kW vào năm 2022 và sau đó tăng lên 1,3 MW vào năm 2029.

Vào tháng 2 năm 2020, công suất chùm tia proton đạt 515 &nbsp; kW với 2,7x10 14 proton trên mỗi xung và với 2,48 giây giữa các xung (được gọi là chu kỳ lặp lại). Để đạt 750 &nbsp; kW, chu kỳ lặp lại sẽ giảm xuống còn 1,32 giây với 2,0x10 14 proton mỗi xung, trong khi đối với 1,3 MW, chu kỳ lặp lại phải giảm xuống còn 1,16 giây và số lượng proton trên mỗi xung phải tăng lên 3,2x10 14. Ngoài việc tăng công suất chùm tia proton sơ cấp, dòng điện trong sừng tập trung các hạt thứ cấp (pion, kaon, v.v.) với một điện tích đã chọn cũng sẽ được tăng từ 250 kA lên 320 kA. Điều này sẽ làm tăng lượng neutrino ký hiệu phải (neutrino trong chùm chế độ neutrino và phản neutrino trong chùm chế độ chống neutrino) thêm 10%, và giảm lượng neutrino ký sai (chống neutrino trong neutrino- chùm chế độ và neutrino trong chùm chế độ chống neutrino) khoảng 5-10%.

Giảm của chu kỳ lặp đi lặp lại sẽ đòi hỏi một loạt các nâng cấp phần cứng, bao gồm một nâng cấp lớn của chính chiếc nhẫn nguồn cung cấp điện và một bản nâng cấp nhỏ của nguồn cung cấp điện còi tập trung, tất cả đều sẽ được cài đặt trong shutdown dài đến năm 2021. Việc tăng dòng còi sẽ yêu cầu sử dụng nguồn cung cấp còi bổ sung (thứ ba). Trong khi đó, công suất chùm tia proton cao hơn đòi hỏi phải tăng cường khả năng làm mát của các thành phần chùm tia thứ cấp như mục tiêu than chì, sừng từ tính và bãi chứa chùm tia, cũng như thải ra một lượng nước làm mát được chiếu xạ lớn hơn.

Máy dò Hyper-Kamiokande
Máy dò Hyper-Kamiokande sẽ là máy dò nước Cherenkov, lớn hơn 5 lần (258 kton nước) so với máy dò Super-Kamiokande. Nó sẽ là một hình trụ có đường kính 74 mét và cao 60 mét với 40000 ống nhân quang 50 &nbsp; đường kính cm và ống 6700 photomultiplier 20 &nbsp; đường kính cm. Nó sẽ được đặt 8 &nbsp; km về phía nam từ máy dò Super Kamiokande trong mỏ Tochibora, 650 mét dưới đỉnh núi Nijuugo, ở cùng góc lệch (2,5 °) đến trung tâm chùm neutrino và trong cùng khoảng cách (295 &nbsp; km) từ nơi sản xuất chùm tia tại J-PARC. Việc bắt đầu xây dựng máy dò HK được lên kế hoạch cho năm 2020 và bắt đầu thu thập dữ liệu dự kiến vào năm 2027.

Theo kế hoạch, IWCD sẽ được hoàn thành vào năm 2024 và sẽ bắt đầu lấy dữ liệu từ năm 2025, trước khi khởi động thử nghiệm HK.

Xem thêm

Đài thiên văn Kamioka

Ghi chú

Liên kết ngoài

Trang web chính thức của T2K
Siêu Kamiokande