«Гипер-Камиоканде» (Hyper-Kamiokande, Hyper-K) — нейтринная обсерватория и эксперимент, строящийся в Хида, Гифу, и в Токай, Ибараки, в Японии. Он проводится Токийским университетом и Организацией по исследованию ускорителей высокой энергии (KEK) в сотрудничестве с институтами из более чем 20 стран на шести континентах[1][2]. Являясь преемником экспериментов Супер-Камиоканде (также Super-K или SK) и T2K, он предназначен для поиска распада протонов и обнаружения нейтрино от естественных источников, таких как Земля, атмосфера, Солнце и космос, а также для изучения нейтринных осцилляций в пучке нейтрино от ускорителя[3]. Начало сбора данных запланировано на 2027 год[4].
Эксперимент Гипер-Камиоканде будет располагаться в двух местах:
Пучок нейтрино будет произведен в ускорительном комплексе J-PARC (44°06′45″ с. ш. 87°54′47″ з. д.HGЯO) и контролирован несколькими ближними и промежуточными детекторами, расположенными в деревне Токай, префектура Ибараки, на восточном побережье Японии.
Основной детектор, также называемый Гипер-Камиоканде, строится под вершиной горы Нидзюго в городе Хида, префектура Гифу, в Японских Альпах. Детектор HK будет использоваться для поиска распадов протонов, изучения нейтрино из природных источников и послужит дальним детектором для измерения осцилляций ускорительных нейтрино на расстоянии, соответствующем первому осцилляционному максимуму[5]
К сожалению, и эксперимент в целом, и компонент дальнего детектора имеют одно и то же название.
Осцилляции нейтрино - это квантово-механическое явление, при котором нейтрино меняют свой аромат (состояния нейтрино: , , ) при движении. Это обусловлено тем, что ароматные состояния нейтрино являются смесью массовых состояний нейтрино (массовые состояния с массами , соответственно). Вероятность осцилляций зависят от шести теоретических параметров:
три угла смешивания (3), определяющие смешивание между массовыми и ароматными состояниями
две разности кавдратов масс ( и , где)
и одна комплексная фаза (), отвечающая за асимметрию материи-антиматерии (нарушение CP-симметрии) в нейтринных осцилляциях,
и два параметра, которые выбираются для конкретного эксперимента:
энергия нейтрино
база - расстояние, пройденное нейтрино, на котором измеряются осцилляции.[6][3]
Продолжая исследования, проведенные экспериментом T2K, дальний детектор HK измерит энергетические спектры электронных и мюонных нейтрино в пучке (в J-PARC производят почти чистый пучок мюонных нейтрино) и сравнит их с ожиданием в случае отсутствия осцилляций, которое первоначально рассчитывается на основе моделей потока и взаимодействия нейтрино и уточняется по результатам измерений, проводимых ближним и промежуточным детекторами. Пиковая энергия пучка нейтрино HK/T2K (600 МэВ) и расстояние между детекторами J-PARC - HK/SK (295 км) соответствует первому осцилляционному максимуму для осцилляций, обусловленных . J-PARC будет производить отдельно пучки нейтрино и антинейтрино, и нейтринные измерения в каждом режиме пучка дадут , где - вероятность того, что нейтрино, первоначально имевшее аромат α, впоследствии будет наблюдаться как имеющее аромат β.[3]
Способность Hyper-K исключить сохранение CP как функция истинного значения δCP
Сравнение вероятностей появления нейтрино и антинейтрино позволяет измерить фазу . лежит в диапазоне от -π до +π (от -180° до +180°), а 0 и ±π соответствуют сохранению CP-симметрии. Ожидается, что после 10 лет сбора данных HK подтвердит на уровне достоверности 5σ или выше, что CP-симметрия нарушена в нейтринных осцилляциях для 57% возможных значений . Нарушение CP является одним из условий, необходимых для образования избытка материи над антивеществом в ранней Вселенной, которая сейчас формирует нашу вселенную, построенную из материи. Ускорительные нейтрино будут использоваться также для повышения точности других параметров осцилляций, ||, и , а также для исследований взаимодействия нейтрино.[3]
Чтобы определить порядок масс нейтрино (является ли собственное состояние массы легче или тяжелее, чем и ), или, что эквивалентно, неизвестный знак параметра , необходимо наблюдать нейтринные осцилляции в веществе. Для параметров пучка нейтрино, используемого в НК (295 км, 600 МэВ) эффект от прохождения нейтрино через плотную среду невелик. Помимо ускорительных нейтрино, в эксперименте HK изучаются атмосферные нейтрино, возникающие при столкновении космических лучей с земной атмосферой, в результате чего образуются нейтрино и другие частицы. Эти нейтрино образуются во всех точках земного шара, что означает, что HK имеет доступ к нейтрино, прошедшим широкий диапазон расстояний через материю (от нескольких сотен метров до диаметра Земли). Эти нейтрино можно использовать для определения порядка массы нейтрино.[3]
В конечном счете, комбинированный анализ ускорительных и атмосферных нейтрино обеспечит наибольшую чувствительность к параметрам осцилляций ,
При взрывах сверхновых с гравитационным коллапсом ядра образуется огромное количество нейтрино. Для сверхновой в галактике Андромеды в детекторе HK ожидается от 10 до 16 нейтринных событий. Для галактической сверхновой на расстоянии 10 кпк ожидается от 50000 до 94000 нейтринных взаимодействий в течение нескольких десятков секунд. Для Бетельгейзе на расстоянии 0,2 кпк количество событий может достигать 108 взаимодействий в секунду, и такая высокая скорость событий была учтена при разработке электроники детектора и системы сбора данных (DAQ), что означает, что данные не будут потеряны. Временные профили количества зарегистрированных в HK событий и их средней энергии позволят проверить модели взрыва. Информация о направлении нейтрино в HK может служить ранним предупреждением для электромагнитных наблюдений сверхновых и может быть использована в других многоканальных наблюдениях.[3][7]
Нейтрино, кумулятивно образующиеся при взрывах сверхновых на протяжении всей истории Вселенной, называются реликтовыми нейтрино сверхновых (SRN) или диффузным нейтринным фоном сверхновых (DSNB) и несут информацию об истории звездообразования. Из-за низкого потока (несколько десятков/см/сек.) они до сих пор не были обнаружены. Ожидается, что за десять лет сбора данных HK обнаружит около 40 событий SRN в диапазоне энергий 16-30 МэВ.[3][8] Для солнечных электронных нейтрино цели эксперимента HK таковы:
Поиск асимметрии день/ночь в потоке нейтрино, обусловленной разным расстоянием, пройденным в веществе (ночью нейтрино дополнительно пересекают Землю, прежде чем попасть в детектор), и, следовательно, разной вероятностью осцилляций, вызванной эффектом вещества.[3]
Измерение вероятности “выживания” электронного нейтрино () для энергий нейтрино между 2 и 7 МэВ - т.е. между областями, где доминируют осцилляции в вакууме и осцилляции в веществе, соответственно - которые чувствительны к новым физическим моделям, таким как стерильные нейтрино или нестандартные взаимодействия.[3][9]
Сравнение потока нейтрино с солнечной активностью (например, 11-летним солнечным циклом).[10]
Геонейтрино образуются при распадах радионуклидов внутри Земли. Исследования геонейтрино на Гипер-Камиоканде помогут оценить химический состав ядра Земли, который связан с генерацией геомагнитного поля.[3]
Распад протона
Распад свободного протона на более лёгкие субатомные частицы никогда не наблюдался, но он предсказывается некоторыми теориями великого объединения (ТВО) и является результатом нарушения барионного числа (B). Нарушение барионного числа - одно из условий, необходимых для объяснения преобладания материи над антиматерией во Вселенной. Основными каналами, изучаемыми HK, являются который предпочитают многие модели ТВО, и предсказанный теориями, включающими суперсимметрию. Ожидается, что после десяти лет сбора данных (в случае, если распад не будет наблюдаться) HK увеличит нижний предел среднего времени жизни протона с до лет для его наиболее чувствительного канала распада () и от до лет для .[3][11]
Тёмная материя
Тёмная материя — это гипотетическая, несветящаяся форма материи, предложенная для объяснения многочисленных астрономических наблюдений, свидетельствующих о существовании дополнительной невидимой массы в галактиках. Если частицы тёмной материи слабо взаимодействуют между собой, они могут производить нейтрино в результате аннигиляции или распада. Эти нейтрино могут быть видны в детекторе HK как избыток нейтрино из направления больших гравитационных потенциалов, таких как галактический центр, Солнце или Земля, над изотропным атмосферным нейтринным фоном.[3]
Описание эксперимента
Эксперимент Гипер-Камиоканде состоит из ускорительного нейтринного пучка, ближних детекторов, промежуточного детектора и дальнего детектора (также называемого Гипер-Камиоканде). Все вышеперечисленные элементы будут служить для изучения нейтринных осцилляций в ускорителе. Дальний детектор также будет использоваться для поиска распада протона и изучения нейтрино из природных источников. Перед запуском эксперимента HK эксперимент T2K завершит сбор данных, и в эксперимент HK войдут пучок нейтрино и ближние детекторы, а промежуточный и дальний детекторы должны будут быть построены заново.[12]
Поток электронных нейтрино в детекторе IWCD для различных углов наклона оси
Промежуточный водныйчеренковский детектор (IWCD) будет расположен на расстоянии около 750 метров (2 460 футов) от места производства нейтрино. Он будет представлять собой заполненный водой цилиндр диаметром 10 метров (33 фута) и высотой 50 метров (160 футов) с конструкцией высотой 10 метров (33 фута), оснащённой примерно 400 модулями multi-PMT (mPMT), каждый из которых состоит из девятнадцати фотоэлектронных фотоумножителей (ФЭУ) диаметром 8 сантиметров (3,1 дюйма), заключённых в водонепроницаемый корпус. Конструкция будет перемещаться в вертикальном направлении с помощью крана, обеспечивая измерения взаимодействия нейтрино под разными углами к центру пучка нейтрино, от 1° внизу до 4° вверху, что соответствует разным спектрам энергии нейтрино [1]. Комбинируя результаты, полученные под разными углами, можно получить результаты для почти моноэнергетического спектра нейтрино, не полагаясь на теоретические модели взаимодействия нейтрино для восстановления энергии нейтрино. Использование детектора того же типа, что и дальний детектор, с почти таким же угловым и импульсным аксептансом, позволяет сравнивать результаты этих двух детекторов, не полагаясь на моделирование отклика детектора. Эти два факта, независимость от моделей взаимодействия нейтрино и отклика детектора, позволят HK минимизировать систематическую ошибку в анализе осцилляций. Дополнительными преимуществами такой конструкции детектора является возможность поиска осцилляций стерильных нейтрино для различных углов наклона оси и получение более чистой выборки электронно-нейтринных взаимодействий, доля которых больше при больших углах наклона оси.[3][13][14][15][16]
Дальний детектор Гипер-Камиоканде
Схема дальнего детектора Гипер-Камиоканде
Детектор Гипер-Камиоканде будет построен на высоте 650 метров (2 130 футов) под вершиной горы Нидзюуго в шахте Точибора, в 8 километрах (5,0 миль) к югу от детектора Супер-Камиоканде (SK). Оба детектора будут находиться под одинаковым углом (2,5°) к центру пучка нейтрино и на одинаковом расстоянии (295 км (183 миль)) от места производства пучка в J-PARC[2][3][17].
Макет с 50-см ПМТ R12860 для внутреннего дальнего детектора Гипер-Камиоканде
HK будет представлять собой водный черенковский детектор, в 5 раз больший (258 ктонн воды), чем детектор SK. Он будет представлять собой цилиндрический резервуар диаметром 68 метров (223 фута) и высотой 71 метр (233 фута). Объём резервуара будет разделен на внутренний детектор (ID) и внешний детектор (OD) неактивной цилиндрической структурой шириной 60 см, внешний край которой расположен на расстоянии 1 м от вертикальных и 2 м от горизонтальных стенок резервуара. Эта структура оптически отделит ID от OD и будет содержать фотоэлектронные умножители (ФЭУ), направленные как внутрь внутреннего детектора, так и наружу во внешний детектор. Во внутреннем детекторе будет находиться не менее 20000 фотоумножительных трубок диаметром 50 см (20 дюймов) типа R12860 производства Hamamatsu Photonics и около 800 модулей multi-PMT (mPMT). Каждый модуль mPMT состоит из девятнадцати фотоэлектронных умножителей диаметром 8 сантиметров (3,1 дюйма), заключённых в водонепроницаемый корпус. Внешний детектор будет оснащен по меньшей мере 3600 фотоэлектронными умножителями диаметром 8 сантиметров (3,1 дюйма), соединёнными с пластинами со сдвигом длины волны (WLS) размером 0,6x30x30 см (пластины будут аккумулировать фотоны и переносить их на соединённые с ними фотоэлектронные умножители), и будет служить в качестве вето[3] для различения взаимодействий, происходящих внутри детектора, от частиц, попадающих в него снаружи (в основном мюонов космического излучения).[7][18][16]
Строительство детектора HK началось в 2020 г., а начало сбора данных ожидается в 2027 г[3][4][12]. Также были проведены исследования целесообразности и физических преимуществ строительства второго идентичного черенковского резервуара в Южной Корее примерно в 1100 км от J-PARC, который будет введен в эксплуатацию через 6 лет после первого резервуара.[5][19]
История и расписание
История больших водных черенковских детекторов в Японии и связанных с ними экспериментов по длиннобазовым нейтринным осцилляциям, исключая HK:
1983-1996: Эксперимент Камиоканде (Kamioka Nucleon Decay Experiment), основной целью которого были поиски распада протона (Нобелевская премия по физике 2002 года для Масатоси Кошиба) - предшественник Супер-Камиоканде.
Прототип mPMT для внутреннего детектора дальнего детектора Гипер-Камиоканде
1996 - настоящее время: Эксперимент Супер-Камиоканде - предшественник эксперимента Гипер-Камиоканде, изучение нейтрино из естественных источников и поиск распада протона (Нобелевская премия по физике 2015 года для Такааки Каджита)
Сентябрь 1999 года: Представлены первые идеи нового эксперимента[20]
2000: Впервые использовано название “Гипер-Камиоканде"[21]
Сентябрь 2011 года: Подача письма о намерениях (LOI)[22]
Схема mPMT для внутреннего детектора дальнего обнаружения Гипер-Камиоканде
Январь 2015 г: Меморандум о взаимопонимании о сотрудничестве в рамках проекта "Гипер-Камиоканде", подписанный двумя принимающими институтами: ICRR и KEK. Формирование протоколлаборации Hyper-Kamiokande[23][24]
Май 2018 года: Отчет о проектировании Hyper-Kamiokande[3]
Сентябрь 2018 г: Начальное финансирование от MEXT выделено на 2019 год[25]
Февраль 2020 г.: Проект официально одобрен японским парламентом[4]
Июнь 2020 года: Формирование коллаборации Гипер-Камиоканде
Май 2021 года: Начало работ над туннелем доступа к детектору HK[26]
2021: Начало серийного производства фотоэлектронных умножителей[27]
Февраль 2022: Завершение строительства туннеля доступа[28]
3-дюймовый фотоэлектронный умножитель и пластина WLS (Wavelength-Shifting Fiber) для внешнего детектора Гипер-КамиокандеОктябрь 2023 года: Завершение строительства секции купола главной каверны детектора HK[29]
↑Takatomi Yano, on behalf of the Hyper-Kamiokande Collaboration.Prospects for neutrino astrophysics with Hyper-Kamiokande (англ.) // Proceedings of 37th International Cosmic Ray Conference — PoS(ICRC2021). — SISSA Medialab, 2022-03-18. — Vol. 395. — P. 1193. Архивировано 28 октября 2023 года.
↑Physics(яп.). Hyper-Kamiokande. Дата обращения: 6 марта 2024. Архивировано 14 февраля 2024 года.
↑K.S. Babu et. al.Baryon Number Violation // Proceedings, 2013 Community Summer Study on the Future of U.S. Particle Physics: Snowmass on the Mississippi (CSS2013).. — 2013. Архивировано 3 декабря 2023 года.
График строительства детектора Гипер-КамиокандеD; Normile. Particle physics. Japanese neutrino physicists think really big (англ.) // Science : journal. — 2015. — Vol. 347, no. 6222. — P. 598. — doi:10.1126/science.347.6222.598. — PMID25657225.
Примечания
1.↑ Средняя энергия нейтрино уменьшается с отклонением от оси пучка.
2.↑ Детектор Супер-Камиоканде служит в качестве дальнего детектора для анализа нейтринных осцилляций в эксперименте T2K. Однако, Супер-Камиоканде также является отдельным экспериментом в области поиска протонных распадов и изучения нейтрино из природных источников.
3.↑ Вето - это часть детектора, в котором для принятия события не должно быть зарегистрировано никакой активности. Такое требование позволяет ограничить количество фоновых событий в отобранной выборке.
Нейтри́но — общее название нейтральных фундаментальных частиц с полуцелым спином, участвующих только в слабом и гравитационном взаимодействиях и относящихся к классу лептонов. В настоящее время известно три разновидности нейтрино: электронное, мюонное и тау-нейтрино, а также соответствующие им античастицы.
Нейтри́нные осцилля́ции — превращения нейтрино в нейтрино другого сорта (поколения), или же в антинейтрино. Теория предсказывает наличие закона периодического изменения вероятности обнаружения частицы определённого сорта в зависимости от прошедшего с момента создания частицы собственного времени.
Эффект Шубникова — де Хааза назван в честь советского физика Л. В. Шубникова и нидерландского физика В. де Хааза, открывших его в 1930 году. Наблюдаемый эффект заключался в осцилляциях магнетосопротивления плёнок висмута при низких температурах. Позже эффект Шубникова — де Гааза наблюдали в многих других металлах и полупроводниках. Эффект Шубникова — де Гааза используется для определения тензора эффективной массы и формы поверхности Ферми в металлах и полупроводниках.
Масатоси Коси́ба — японский физик, специалист по физике элементарных частиц. Лауреат Нобелевской премии по физике за 2002 год.
Джек Стейнбергер — американский физик, известный работами по физике элементарных частиц, нобелевский лауреат (1988) за открытие и исследование мюонного нейтрино и антинейтрино.
Распа́д прото́на — гипотетическая форма радиоактивного распада, в результате которой протон распадается на более лёгкие субатомные частицы, например (нейтральный) пион и позитрон. Это явление до сих пор не наблюдалось, но возможность доказать его реальность вызывает нарастающий интерес в связи с перспективами «теории Великого объединения».
yoyo@home — проект добровольных вычислений, адаптированный для вычислений на платформе BOINC (Wrapper). Запущен при поддержке сообщества Rechenkraft.net e.V. В состав проекта в настоящее время входит 5 подпроектов:
ECM — проект по факторизации целых чисел различного вида при помощи эллиптических кривых.
Perfect Cuboid — проект по поиску совершенного кубоида. Также проект ищет два вида почти совершенных кубоидов (кубоиды, в которых целочисленны 6 размерностей из 7): Edge (кубоид только с одной нецелой гранью) и Face (кубоид только с одной нецелой лицевой диагональю), а также некоторые виды кубоидов в комплексных числах: идеальный комплексный кубоид, «Сумеречные» кубоиды (кубоиды, в которых комплексными числами являются только грани), «Полуночные» кубоиды (кубоиды, в которых комплексными числами являются грани и лицевые диагонали). Поиск ведётся от целочисленной пространственной диагонали с длиной от 1013 до 263 (теоретический предел приложения). Первая цель подпроекта — 250.
evolution@home — проект в области эволюционных исследований (ДНК человека).
OGR-28 (от англ. Optimal Golomb Ruler) — проект по поиску оптимальных линеек Голомба, используя клиент проекта distributed.net.
PMNS-матрица — унитарная матрица смешивания нейтрино в физике элементарных частиц, аналогичная CKM-матрице смешивания кварков, получила своё название в честь Б. М. Понтекорво, в 1957 году впервые рассмотревшего смешивание нейтрино, и З. Маки, М. Накагавы и С. Сакаты, сделавших это в 1962 году.
Мюонные нейтрино — элементарная частица, являющаяся одним из трёх видов нейтрино. Вместе с мюоном составляет второе поколение лептонов..
KamLAND — большой нейтринный детектор, совместный американо-японский эксперимент, а также проводящая этот эксперимент международная коллаборация.
Детектор SNO — нейтринная обсерватория в Садбери (Канада), расположенная на глубине 2 км под землей в шахте Крейгтон. Детектор был предназначен для поиска солнечных нейтрино. Детектор был включен в мае 1999 года и был отключен в ноябре 2006. В настоящее время происходит переоборудование для использования в эксперименте SNO+. Принцип действия SNO основан на измерении черенковского излучения, которое является результатом взаимодействия солнечных нейтрино с тяжелой водой в детекторе.
Эксперимент Borexino (Борекси́но) — эксперимент физики элементарных частиц, нацеленный на изучение низкоэнергетических солнечных нейтрино, рождающихся на Солнце в результате одной из реакций протон-протонного цикла:
Daya Bay — эксперимент физики элементарных частиц по изучению осцилляций нейтрино, проводящийся в Китае. Многонациональная коллаборация включает исследователей из Китая, России, США, Тайваня и Чехии. Эксперимент проводится на АЭС Даявань, около 52 километров к северу от Гонконга. Установка состоит из восьми антинейтринных жидкосцинтилляционных детекторов, расположенных в трёх экспериментальных залах. Источником антинейтрино являются шесть атомных реакторов, располагающихся на расстояниях от ~500 до ~1800 метров от детекторов.
Такааки Кадзита(яп. 梶田 隆章Кадзита Такааки, род. 1959) — японский физик.
Нейтринная минимальная стандартная модель представляет собой расширение Стандартной модели физики элементарных частиц путём добавления трёх правых стерильных нейтрино с массами, не превышающими электрослабого масштаба энергий. Модель была впервые предложена в 2005 году в работе Такэхико Асаки (яп. 淺賀 岳彦Asaka Takehiko) и Михаила Евгеньевича Шапошникова. В данной модели в рамках единого подхода возможно получить разрешение проблем нейтринных осцилляций, тёмной материи и барионной асимметрии Вселенной.
NOvA — эксперимент по изучению осцилляций нейтрино. Начал работу в 2014 году.
Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) — планируемый эксперимент по изучению осцилляций мюонного нейтрино в другие типы нейтрино. Начало работы запланировано на начало 2020-х годов.
Марат Марсович Хабибуллин — российский учёный, лауреат Международной премии «За прорыв в фундаментальной физике» за открытие и исследование нейтринных осцилляций (2016).
MINOS — эксперимент физики элементарных частиц, предназначенный для изучения феномена осцилляций нейтрино, впервые обнаруженных в эксперименте Супер-Камиоканде (Super-K) в 1998 году. Нейтрино, производимые NuMI в Фермилабе вблизи Чикаго, затем наблюдаются двумя детекторами, один расположен очень близко к тому месту, где производится нейтринный луч, и ещё один гораздо более крупный детектор, расположенный в 735 км в северной Миннесоте.
Проблема солнечных нейтрино, или проблема дефицита солнечных нейтрино, — проблема астрофизики, которая состояла в различии между теоретически предсказанным и наблюдаемым количеством нейтрино, излучаемых Солнцем. Проблема считается решённой: обнаружены нейтринные осцилляции, из-за которых часть электронных нейтрино превращается в нейтрино других типов, не наблюдаемые в нейтринных детекторах некоторых видов. С учётом осцилляций, поток нейтрино всех типов согласуется со значениями, которые предсказываются теорией.
Эта страница основана на статье Википедии. Текст доступен на условиях лицензии CC BY-SA 4.0; могут применяться дополнительные условия. Изображения, видео и звуки доступны по их собственным лицензиям.