Thực đơn
T2K experiment
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.[32] Tòa nhà của một máy dò Cherenkov trung gian bổ sung ở khoảng cách khoảng 2 km cũng được xem xét cho thí nghiệm HK.
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.
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 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 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 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%.[33]
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.[33]
Thiết kế hiện tại của máy dò ND280 được tối ưu hóa để phát hiện và tái tạo các lepton chuyển tiếp (muon và electron), nhưng nó cũng có một số hạn chế, như hiệu quả tái tạo thấp của các hạt được tạo ra gần như vuông góc và ngược lại theo hướng của tương tác neutrino, cũng như ngưỡng động lượng quá cao để tái tạo một phần lớn các pion được sản xuất và các hạt nhân bị loại ra (proton và neutron). Trong các tương tác đàn hồi dòng điện tích điện (CCQE), tương tác chiếm ưu thế trong máy dò gần ND280, động học của lepton được sản xuất là đủ để tái tạo năng lượng neutrino tới. Tuy nhiên, các loại tương tác neutrino khác trong đó các hạt bổ sung (pion, kaon, nucleon) bị mất, có thể được tái cấu trúc sai thành CCQE và đưa ra sự sai lệch trong phổ năng lượng neutrino được tái tạo. Vì vậy, điều tối cần thiết là tối ưu hóa máy dò để nhạy cảm với các hạt và hiệu ứng hạt nhân bổ sung.
Ba biện pháp chính cần được thực hiện để giải quyết các vấn đề này:
Việc nâng cấp trình phát hiện ND280 (Nâng cấp ND280) giải quyết các yêu cầu này bằng cách thay thế một phần của trình phát hiện phụ P0D bằng ba loại trình phát hiện phụ mới. Phần hạ lưu hiện có, bao gồm hai Máy dò hạt mịn (FGD) và ba Phòng dự báo thời gian (TPC), sẽ duy trì cấu trúc kẹp của chúng và tiếp tục phát hiện các lepton đi về phía trước và các hardon động lượng cao. Phần thượng nguồn hiện đang chứa máy dò phụ P0D sẽ được thay thế bằng ba máy dò phụ mới: mục tiêu 3D hấp dẫn (Máy dò hạt siêu mịn hoặc SuperFGD), hai TPC mới trên đầu và bên dưới SuperFGD (TPC góc cao hoặc HATPC) và sáu máy dò thời gian bay (TOF) xung quanh cấu trúc mới. Mỗi máy dò phụ được mô tả ngắn gọn dưới đây.
SuperFGD là máy dò 2m x 2m x 0,5m, bao gồm khoảng 2 triệu 1 cm 3 khối polystyrene scintillating. Các khối được dệt bằng một loạt các sợi quang được thiết kế để phát hiện ánh sáng phát ra từ các hạt được tạo ra trong quá trình tương tác trong mục tiêu. Không giống như các FGD hiện tại, SuperFGD có số lần đọc 2D phóng xạ ba lần cung cấp khả năng đọc gần như 3D. Cấu hình đọc này làm tăng khả năng phát hiện các bản nhạc ngắn gần như thống nhất theo mọi hướng. Do hình dạng của nó và kết hợp với TOF và HATPC, SuperFGD có khả năng phát hiện các neutron nhanh, có thể hữu ích trong việc tái tạo năng lượng antineutrino.
Các phòng chiếu thời gian góc cao (HATPC) sẽ bao quanh SuperFGD trong mặt phẳng vuông góc với chùm neutrino tới. Thiết kế của chúng tương tự như các TPC hiện có, vì cả hai đều sử dụng công nghệ mô-đun MicroMegas để tái cấu trúc theo dõi. Tính năng mới lạ của HATPC, ngoài phạm vi bảo hiểm góc cao, là việc sử dụng công nghệ MicroMegas điện trở. Loại thứ hai bao gồm việc áp dụng một lớp vật liệu điện trở để tăng khả năng chia sẻ điện tích của các mô-đun MicroMegas. Điều này làm giảm số lượng kênh đọc và cho phép độ phân giải không gian tương đương với kênh trong các TPC hiện tại.
Sáu máy dò thời gian bay (TOF) xung quanh HATPC và SuperFGD là một loạt các máy dò lớp scintillator bằng nhựa được thiết kế để xác định cảm giác hướng hạt thông qua phép đo thời gian bay cho mỗi đường băng qua với độ phân giải thời gian của trật tự của 600 ps. Khả năng xác định cảm giác hướng theo dõi đã được chứng minh trong ND280 thực tế là rất quan trọng để giảm nền được tạo ra bên ngoài các máy dò bên trong đang hoạt động.
Tác động mà Nâng cấp ND280 sẽ có đối với các phân tích tại T2K là hai lần. Thứ nhất, việc tăng số liệu thống kê nhờ mục tiêu SuperFGD 2 tấn sẽ cho phép tăng gần gấp đôi lượng dữ liệu trong một số mẫu nhất định. Thứ hai và phù hợp hơn, cấu hình mới sẽ cho phép phát hiện tốt hơn các hạt trạng thái cuối cùng: các hạt góc cao nhờ sự chấp nhận góc tăng và các hạt ít năng lượng hơn vì ngưỡng phát hiện thấp hơn. Cải tiến chấp nhận máy dò này rất quan trọng để bao phủ gần như cùng một không gian pha có sẵn tại máy dò xa (SK). Ngoài ra, các hạt trạng thái cuối cùng sẽ cho phép thăm dò các hiệu ứng hạt nhân rất cần thiết để hạn chế các hiệu ứng hệ thống của phân tích dao động. Đây là một bước quan trọng trong quá trình chuyển sang sử dụng các mô hình bán toàn phần hoặc độc quyền trong vật lý dao động neutrino, trái ngược với các mô hình bao gồm hiện tại chỉ sử dụng lepton trạng thái cuối cùng trong dự đoán của họ.
Sự kế thừa của thí nghiệm T2K, thí nghiệm Hyper-Kamiokande (HK), sẽ sử dụng hệ thống nâng cấp của máy gia tốc và chùm tia neutrino hiện đang sử dụng và bộ nâng cấp của máy dò gần. Ngoài ra, một máy dò xa mới, máy dò Hyper-Kamiokande, và có thể cả máy dò trung gian mới sẽ được chế tạo. Một phần của công việc nâng cấp liên quan đến chùm tia và việc nâng cấp máy dò ND280 sẽ được thực hiện trước khi bắt đầu giai đoạn II của thí nghiệm T2K. Thí nghiệm HK dự kiến sẽ bắt đầu hoạt động vào khoảng năm 2027.[34][35]
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 đường kính cm và ống 6700 photomultiplier 20 đường kính cm. Nó sẽ được đặt 8 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 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.[34]
Máy dò nước Cherenkov trung gian (IWCD) sẽ được đặt ở khoảng cách 0,7 km từ nơi sản xuất neutrino. Nó sẽ là một hình trụ chứa đầy nước có đường kính 10 m và cao 50 m với cấu trúc cao 10 m được trang bị khoảng 3000 ống nhân quang học gồm 20 ống đường kính cm. Cấu trúc sẽ được di chuyển theo hướng thẳng đứng bởi một hệ thống cầu trục, cung cấp các phép đo tương tác neutrino ở các góc ngoài trục khác nhau, kéo dài từ 1 ° đến 4 °, và do đó cho các phổ năng lượng khác nhau. Kết hợp các kết quả từ các góc ngoài trục khác nhau, có thể trích xuất các kết quả cho phổ neutrino gần như đơn sắc mà không cần dựa vào các mô hình lý thuyết về tương tác neutrino để tái tạo năng lượng neutrino. Việc sử dụng cùng loại máy dò như máy dò xa với sự chấp nhận góc và động lượng gần như giống nhau cho phép so sánh kết quả từ hai máy dò này mà không cần dựa vào mô phỏng phản ứng của máy dò. Hai sự thật này, tính độc lập từ các mô hình tương tác neutrino và phản ứng dò, sẽ cho phép giảm thiểu lỗi hệ thống trong phân tích dao động. Ưu điểm bổ sung của thiết kế máy dò như vậy là khả năng tìm kiếm mô hình dao động vô trùng cho các góc ngoài trục khác nhau và để có được mẫu tương tác neutrino electron sạch hơn, có phần lớn hơn cho góc ngoài trục lớn hơn. :47–50 [36]
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.[37]
Thực đơn
T2K experimentLiên quan
Tài liệu tham khảo
WikiPedia: T2K experiment