User:DCostas97/sandbox

Descrición xeneral do experimento Hyper-Kamiokande

Hyper-Kamiokande (tamén chamado Hyper-K o HK) é un observatorio e experimento de neutrinos en construción, que se leva a cabo en Xapón pola colaboración de institutos de 21 países (en agosto de 2023) de seis continentes. Como sucesor dos experimentos Super-Kamiokande (SK) e T2K, está deseñado para buscar desintegración de protóns e detectar neutrinos procedentes de fontes naturais como a Terra, a atmosfera, o Sol e o cosmos, así como para estudar oscilacións de neutrinos do feixe de neutrinos do acelerador artificial. } O inicio da toma de datos está previsto para 2027.

As instalacións do experimento Hyper-Kamiokande estarán ubicadas en dous lugares:

• O feixe de neutrinos producirase no complexo acelerador J-PARC (36.445°N 140.606°E / 36.445; 140.606) e estudado polo conxunto de detectores próximos e intermedios situados na localidade de Tokai, prefectura de Ibaraki, na costa Leste de Xapón.
• O detector principal, tamén chamado Hyper-Kamiokande (HK), estase construíndo baixo terra na cima da Montaña Nijuugo, na cidade Hida, Prefectura de Gifu, nos Alpes Xaponeses (36°21′20.105″N 137°18′49.137″E). O detector HK utilizarase para buscas de desintegracións de protóns, estudos de neutrinos provenientes de fontes naturais e servirá como detector lonxano para a medida das oscilacións dun feixe de neutrinos de acelerador á distancia correspondente ao primeiro máximo de oscilación.{rp|53-56}}

Oscilaciones de neutrinos de acelerador y atmosféricos

As oscilacións de neutrinos son un fenómeno de mecánica cuántica no cal os neutrinos cambian o seu sabor (estados de sabores de neutrinos:
ν
_e,
ν
_μ,
ν
_τ) mentres se moven, causado polo feito de que os estados de sabor dos neutrinos son unha mistura dos estados de masa (ν₁, ν₂, ν₃ estados de masa con masas m₁ , m₂, m₃, respectivamente). As probabilidades de oscilación dependen de seis parámetros teóricos:

• tres ángulos de mistura (θ₁₂, θ₂₃ e θ₁₃) que rexen a mistura entre os estados de masa e sabor,
• dúas diferenzas cadradas de masa (∆m²₁₂ e ∆m²₃₂, onde ∆m² _ij = m²_i - m²_j)
• e a fase δ_CP responsable da asimetría materia-antimateria nas oscilacións de neutrinos,

e dous parámetros que se elixen para un experimento en particular:

• enerxía dos neutrinos
• lonxitude percorrida: a distancia percorrida polos neutrinos nas oscilacións que estuda o experimento.{ {rp|285–311}}

Continuando cos estudos realizados polo experimento T2K, o detector HK medirá os espectros de enerxía dos neutrinos de tipo electrón e muón co feixe producido en J-PARC (un feixe de neutrinos muónicos case puro), este espectro compararase co agardado no caso de que non haxa oscilacións, que se calcula inicialmente en base aos modelos de interacción e fluxo de neutrinos e se mellora mediante medicións realizadas polos detectores próximos e intermedios. Para a enerxía máxima do feixe de neutrinos T2K/HK (600 MeV), a distancia do detector J-PARC - HK (295 km) corresponde ao primeiro máximo de oscilación. As medidas realizaranse de xeito independente para os feixes de neutrinos e antineutrinos, proporcionando información sobre P
_{ν
μ →
ν
e}, P
_{ν
μ →
ν
μ}, P
_{ν
μ →
ν
e} e P
_{ν
μ →
ν
μ}, onde P_να → P_νβ é a probabilidade de que un neutrino, orixinalmente de sabor α, sexa observado máis tarde con sabor β.

A capacidade de Hyper-K para excluir a conservación de CP en función do verdadeiro valor de δCP

Comparación das probabilidades de aparición de neutrinos e antineutrinos (P
_{ν
μ →
ν
e} respecto de P
_{ν
μ →
ν
e}), permite medir a fase δ_CP phase. δ_CP varía de -π a π (de −180° a 180°), e 0 e ±π corresponden á conservación da simetría CP. Despois de 10 anos de toma de datos, agárdase que HK confirme cun nivel de confianza 5σ se se viola a simetría CP nas oscilacións de neutrinos para o 57% dos valores posibles de δ_CP. A violación de CP é unha das condicións necesarias para acadar o exceso de materia sobre antimateria no universo primixenio, que forma agora o noso Universo construído con materia. Os neutrinos do acelerador tamén se utilizarán para mellorar a precisión dos outros parámetros de oscilación, |∆m²₃₂|, θ₂₃ e θ₁₃, como para os estudos de interacción de neutrinos.

O signo decoñecido do parámetro ∆m²₃₂ maniféstase somentes durante a propagación de neutrinos na materia. Para medilo utilizaranse os estudos do experimento HK dos neutrinos atmosféricos que viaxan a través da Terra e entran no detector HK desde diferentes direccións (a distancia percorrida na materia ata o diámetro da Terra).

Astronomía de neutrinos e xeoneutrinos

As explosións de supernova producen grandes cantidades de neutrinos. Para unha supernova galáctica a una distancia de 10 kpc agárdanse entre 50.000 e 94.000 interaccións de neutrinos no detector HK durante unhas poucas decenas de segundos. Para Betelgeuse, a unha distancia de 0,2 kpc, esta velocidade podería alcanzar ata 10⁸ interaccións por segundo, número que se tivo en conta no deseño do sistema de adquisición de datos do detector (DAQ). Os perfís temporais do número de eventos rexistrados en HK e a súa enerxía media permitirían probar modelos de explosión. A información direccional de neutrinos no detector HK pode proporcionar información anticipada para a observación de supernovas electromagnéticas, así como tamén se pode usar noutras observaciones de multi-messenger.

Os neutrinos producidos acumulativamente por explosións de supernovas ao longo da historia do universo denomínanse supernova relic neutrinos (SRN) ou fondo difuso de neutrinos de supernova (DSNB) e conteñen información sobre a historia da formación estelar. Debido ao baixo fluxo (unhas poucas decenas/cm²/seg), aínda non se descubriron. Durante dez anos de toma de datos, agárdase que HK detecte arredor de 40 eventos SRN para o rango de enerxía de 16 a 30 MeV.

Para os
ν
_es solares, os obxectivos do experimento HK son, entre outros:

• Búsqueda de asimetría día-note no fluxo de neutrinos, resultante das diferentes distancias percorridas na materia (durante a noite, os neutrinos tamén cruzan a Terra antes de pasar polo detector) e, polo tanto, das diferentes probabilidades de oscilación causadas polo ou efecto materia.
• Medida da probabilidade de supervivencia de
  ν
  _es para enerxías entre 2 e 7 MeV, é dicir, entre rexións dominadas por oscilacións no baleiro e oscilacións na materia respectivamente, que é sensible aos novos modelos de física, como neutrinos estériles ou interaccións non estándar.
• A primeira observación de neutrinos da canle hep: ${^{3}}{\text{He}}+{\text{p}}\to {^{4}}{\text{He}}+{\text{e}}^{+}+\operatorname {\nu } _{\text{e}}$ predita polo modelo solar estándar.
• Comparación do fluxo de neutrinos ca actividade solar (por exemplo, o ciclo solar de 11 anos).

Os xeoneutrinos prodúcense na desintegración de radionucleidos dentro da Terra. Os estudos de xeoneutrinos Hyper-Kamiokande axudarán a avaliar a composición química do núcleo da Terra, que está relacionada ca xeneración do campo xeomagnético.

Desintegración de protóns

A desintegración do protón dun protón libre en partículas subatómicas máis lixeiras nunca foi observada, pero está predita por algunhas grandes teorías unificadas (GUT) e foi proposta por primeira vez como unha das condicións necesarias para explicar a asimetría bariónica da materia sobre a antimateria no universo. As principais canles estudadas por HK son
p⁺
→
e⁺
+
π⁰
, sendo este o preferido por moitos modelos GUT e
p⁺
→
ν
+
K⁺
predito polas teorías que inclúen Supersimetría. Despois de diez anos de toma de datos (no caso de que non se observe desintegración), agárdase que HK aumente o límite inferior da vida media do protón de 1,6x10³⁴ a 6,3x10 ³⁴ para a súa canle de desintegración máis sensible (
p⁺
→
e⁺
+
π⁰
) e de 0,7x10³⁴ a 2,0 x10³⁴ para a canle
p⁺
→
ν
+
K⁺
.

Materia Oscura

A Materia oscura é unha forma hipotética de materia non luminosa proposta para explicar numerosas observacións astronómicas que suxiren a existencia de masa invisible adicional nas galaxias. Se as partículas de materia oscura interactúan débilmente, poden producir neutrinos a través de aniquilación ou desintegración. Eses neutrinos poderían ser visibles no detector HK como un exceso de neutrinos desde a dirección de grandes potenciais gravitacionais como o centro galáctico, o Sol ou a Terra. Sobre un fondo isotrópico neutrino atmosférico.

Descrición do experimento

O experimento Hyper-Kamiokande consiste nunha liña de luz de neutrino acelerador, un conxunto de detectores próximos, o detector intermedio e el detector afastado (tamén chamado Hyper-Kamiokande). O detector afastado por si mesmo utilizarase para búsquedas e estudos de desintegración de protóns de neutrinos de fontes naturales. Todos os elementos anteriores servirán para os estudos do acelerador oscilación de neutrinos. Antes de operar o experimento HK, o experimento T2K finalizará a toma de datos e HK farase cargo do seu feixe de neutrinos e o seu conxunto de detectores cercanos, mentres que os detectores intermedio e afastado deberanse construir de novo.

The muon neutrino flux at the IWCD detector for different off-axis angles.

The electron neutrino flux at the IWCD detector for different off-axis angles.

Feixe de neutrinos

Main article: T2K experiment § Feixe de neutrinos

Main article: T2K experiment § Mellora do feixe

Detectores próximos

Main article: T2K experiment § Detectores próximos

Main article: T2K experiment § Actualización ND280

Detector intermedio

O detector intermedio Cherenkov de auga (IWCD) ubicarase a unha distancia de 0.7 kilometres (0.43 mi)-2.0 kilometres (1.2 mi) do lugar de produción de neutrinos. Será un cilindro cheo de auga de 10 metres (33 ft) de diámetro e 50 metres (160 ft) de altura cunha estrutura de 10 metres (33 ft) de altura instrumentada con arredor de 400 multi-PMT (Tubos multifotomultiplicadores) dun diámetro de 20 centimetres (7.9 in). A estrutura moverase en dirección vertical mediante un sistema de grúa, isto proporcionará medidas das interaccións de neutrinos en diferentes ángulos de produción (ángulos con respecto ao centro do feixe de neutrinos), que van desde 1° na parte inferior ata 4° na superior, e así para diferentes espectros de enerxía de neutrinos. Combinando os resultados desde diferentes ángulos de produción é posíbel extraer os resultados do espectro de neutrinos case monocromático sen depender de modelos teóricos de interaccións de neutrinos para reconstruir a enerxía dos neutrinos. O uso do mismo tipo de detector que no detector afastado, con case a mesma aceptación angular e de momento, permite comparar os resultados de estes dous detectores sen depender de simulacións de resposta do detector. Estes dous feitos, a independencia dos modelos de interacción de neutrinos e de respuesta dos detectores, permitirán minimizar o erro sistemático na análise de oscilacións. As vantaxes adicionais deste deseño do detector é a posibilidade de buscar patróns de oscilacións estériles para diferentes ángulos de produción e obter unha mostra máis limpa de interacción de
ν
_e, onde a súa fracción é maior para o ángulo máis elevado.

Detector afastado Hyper-Kamiokande

thumb|Esquemas do detector Cherenkov de auga Hyper-Kamiokande.

O detector Hyper-Kamiokande construirase 650 metres (2,130 ft) baixo a cima da montaña Nijuugo, 8 kilometres (5.0 mi) ao sur do detector Super-Kamiokande (SK), que está situado na mina Tochibora. Ambos detectores estarán situados co mesmo ángulo (2,5°) respecto do feixe de neutrinos e á mesma distancia (295 kilometres (183 mi)) do lugar de produción do feixe.

File:Prototipo MPMT para detector HK.png

Prototipo de mPMT para o detector interno Hyper-Kamiokande.

File:Esquema HK mPMT.jpg

Esquema de multiPMT para o detector Hyper-Kamiokande.

Placa PMT (fotomultiplicador) e WLS (fibra de cambio de lonxitude de onda) de 3 pulgadas para o detector exterior Hyper-Kamiokande.

HK será un detector de auga Cherenkov, 5 veces máis grande (258 kton de auga) que o detector SK. Será un tanque cilíndrico de 68 metres (223 ft) de diámetro e 71 metres (233 ft) de altura. O volume do tanque dividirase no detector interior (ID) e no detector exterior (OD) mediante unha estrutura cilíndrica inactiva de 60 cm de ancho, co seu borde exterior colocado a 1 m da vertical e a 2 m das paredes horizontais do tanque. A estrutura separará ópticamente o ID do OD e conterá tubos PhotoMultiplier (PMT) mirando tanto cara o interior do ID como cara o exterior do OD. Para o ID, haberá alo menos 20000 tubos PhotoMultiplier (PMT) de 50 centimetres (20 in) de diámetro de tipo R12860 de Hamamatsu Photonics e aproximadamente 800 módulos multi-PMT (mPMT).). Cada módulo mPMT consta de dazanove tubos fotomultiplicadores de 76 centimetres (30 in) de diámetro encapsulados nun recipiente impermeable. O OD instrumentarase con alo menos 3600 PMT de 76 centimetres (30 in) de diámetro xunto con placas de 0,6x30x30 cm³ wavelength shifting (WLS) (a placa recollerá fotóns e transportaraos ao PMT) e servirá como veto para distinguir as interaccións que ocorren no interior do detector das partículas que proceden do exterior do detector (principalmente muóns de raios cósmicos).

thumb|Feixe de neutrinos J-PARC de Xapón a Korea A construción do detector HK comezou en 2020 e agárdase que a toma de datos comece en 2027. Tamén se considera construír un segundo tanque de auga Cherenkov idéntico en Korea do Sur a uns 1100 km del J-PARC, que estaría operativo 6 anos despós do primeiro tanque.

Historia e cronograma

thumb|Programa de construción do detector Hyper-Kamiokande

• Setembro de 1999: Presentación das primeiras ideas
• 2000: O nome "Hyper-Kamiokande" utilízase por primeira vez

• Setembro de 2011: Envío de LOI

• Xaneiro de 2015: MoU para a cooperación no proxecto Hyper-Kamiokande firmado por dúas institucións anfitrionas: ICR e KEK. Formación da protocolaboración Hyper-Kamiokande
• Maio de 2018: Informe de diseño Hyper-Kamiokande
• Xuño de 2020: Formación da colaboración Hyper-Kamiokande
• Setembro de 2018: Financiamento inicial do MEXT asignado en 2019
• Febreiro de 2020: Proxecto aprobado oficialmente pola Dieta Xaponesa
• Maio de 2021: Inicio da excavación do túnel de acceso ao detector HK
• 2021: Inicio da produción en masa do tubo fotomultiplicador
• Febreiro 2022: Finalización da construción do túnel de acceso
• Outubro de 2023: Finalización da sección da cúpula da caverna principal do detector HK
• 2027: Comenzo esperado da toma de datos

Ver también

• Super-Kamiokande
• T2K experiment
• Deep Underground Neutrino Experiment

Bibliografía

• Normile, D (2015). "Particle physics. Japanese neutrino physicists think really big". Science. 347 (6222): 598. doi:10.1126/science.347.6222.598. PMID 25657225.

Enlaces externos

• Hyper-Kamiokande website