T2K 실험

T2K experiment

T2K("토카이에서 카미오카로")는 가속기 중성미자의 진동을 연구하는 입자물리학 실험이다.이 실험은 약 500명의 물리학자와 엔지니어들이 유럽, 아시아, 북아메리카의[1] 여러 나라의 60개 이상의 연구 기관과 국제적으로 협력하여 수행되며, 인정받는 CERN 실험(RE13)이다.[2][3]T2K는 2010년부터 2021년까지 1단계 운영에서 데이터를 수집했다.데이터 2단계(T2K-II)는 2023년부터 시작해 2027년 T2K-하이퍼카미오칸데 실험의 후속작까지 지속될 것으로 예상된다.[4]: 12, 20 null

T2K는 뮤온 중성미자 빔에서 전자 중성미자의 출현을 관찰한 최초의 실험이었다.[5]또한 진동 매개변수 θ에23[6] 대한 세계 최고의 측정과 중성미자 진동에서 물질-항물질 비대칭의 힌트를 제공했다.[7][8]중성미자-안티뉴트리노 진동 비대칭의 측정은 우리 물질이 지배하는 우주의 존재에 대한 설명에 더 가까워지게 할 수도 있다.[9][10]null

뮤온 뉴트리노의 강렬한 빔은 일본 동해안의 도카이(東海)에 있는 J-PARC 시설(일본 프로톤 가속기 연구단지)에서 생산된다.빔은 기후 현 히다 시에 있는 295 킬로미터(183 mi) 떨어진 곳에 위치한 슈퍼 카미오칸데 원탐지기 쪽으로 향한다.중성미자 유속의 특성과 구성은 우선 J-PARC 현장의 빔 생산 장소에서 280m(920ft)에 위치한 근거리 검출기 계통에 의해 측정되었다가 다시 슈퍼 카미오칸데 검출기에서 측정된다.이 두 위치에서 서로 다른 중성미자 향료의 함량을 비교하면 근거리와 원거리 검출기 사이의 경로에서 진동 확률을 측정할 수 있다.슈퍼카미오칸데는 뮤온과 전자 중성미자 모두의 상호작용을 탐지할 수 있어, 뮤온 중성미자 플럭스의 소멸은 물론 빔의 전자 중성미자 출현도 측정할 수 있다.[11]null

물리 프로그램

T2K 실험은 2003년에 다음과 같은 측정 목표를 가지고 제안되었다.[11]

  • ν
    μ     → ν
    e     진동 발견, 따라서 마지막 미지의 혼합각 θ이13 0이 아니라는 확인.
  • 뮤온 중성미자 소멸 연구를 통한 진동 매개변수 Δm 및 θ의23 정확한 측정.
  • 중성 전류 중성미자 상호작용의 결함으로 관찰될 수 있는 멸균 중성미자 진동을 검색한다.
  • 소수의 GeV 에너지 범위에서 서로 다른 유형의 중성미자와 표적에 대한 다양한 상호작용 단면 측정.

T2K 실험은 2010년 데이터 수집이 시작된 이래 세계적인 수준의 결과 목록을 제공하는 데 성공했다.

  • 뮤온 중성미자 빔(
    ν
    μ
    e    → neut)
    에서 전자 중성미자 외관 확인은 한 향기에서 생산된 중성미자를 다른 향으로 명시적으로 관찰한 최초의 사례였다.[5][12]
  • θ23 파라미터의 가장 정밀한 측정.[6]
  • ND280[13] 및 광범위한 슈퍼 카미오칸데[14] 검출기의 연구에 기초한 멸균 중성미자 진동 파라미터에 대한 제한.
  • electron[15][16]과muon 중성미자와 antineutrinos를 포함해 포함한 단면적 측정은 최종 state,[21]일관성 있는 파이온 production,[22]중립 현재 interactions,[23]등에서 탄소, 물과 같은 다른 목표에 pions[18][19][20], 싱글 파이온을 가지고 현재(CC)interactions,[17]CC상호 작용을 청구했다.과 철분을 제공한다.[24]
  • 중성미자 진동에서 물질-항물질 비대칭성을 담당하는 ΔCP 변수에 대한 첫 번째 중요한 제약 조건.[8]

Δ는CP -³에서 to까지의 값(즉, -180° ~ 180°그리고 중성미자의 진동을 안티뉴트리노의 진동과 비교하여 측정할 수 있다.CP 대칭은 보존될 것이며, 따라서 진동 확률은 중성미자와 안티뉴트리노의 경우, Δ가CP 0 또는 ± Δ에 대해서도 동일할 것이다.T2K는 가능한 값의CP 거의 절반에 가까운 3㎛(99.7%) 유의수준에서 불합격하여 Δ에 대한 가장 강력하면서도 강력한 제약을 제공하였고, 유의수준 95%에서 양쪽 CP 보존 포인트를 배제하고 중성미자 분야에서 CP 위반이 클 수 있다는 강한 암시를 주었다.CP 위반은 러시아의 물리학자 안드레이 사하로프가 제안한 조건 중 하나로, 현재 우리 물질로 만들어진 우주를 형성하고 있는 초기 우주의 반물질과 관련하여 물질의 과잉을 생산하는데 필요한 조건이다.쿼크 부분에서의 CP 위반은 1964년에 이미 확인되었지만,[25] 관측된 물질-항물질 불균형을 설명하기에는 너무 작다.중성미자 분야에서 강력한 CP 위반은 렙토제시스라고 불리는 과정을 통해 물질 과잉생산을 초래할 수 있으며, 따라서 그러한 측정은 우주가 어떻게 형성되었는지 이해하는 중요한 단계가 될 것이다.[8][26][27]null

NOvA 실험은 ν
μ→
ν
e→ν
μ→
ν
e→ν 진동 채널의 비교를 통해 Δ를CP 측정할 수 있는 다른 중성미자 진동 실험이다.NOvA는 미국에서 실시되며, 페르밀랍의 빔 생산 장소와 미네소타주 애쉬 리버의 원탐지기 사이의 810 km 거리에서 가속 중성미자 진동을 측정한다.NOvA는 T2K 결과와 약간의 장력에 있는 Δ의CP 덜 정밀한 측정을 제공했다.T2K 최적점은 신뢰도 90%에서 NOvA에 의해 소외된 지역에 있다.두 실험의 일관성을 정량화하기 위해 두 실험에서 데이터에 대한 공동 적합성을 얻기 위한 연구가 진행 중이다.[28][29]null

만약 CP대칭 얼마나 자주'o'를 단축은 T2K의 향후 업그레이드 Δm223과θ23 매개 변수고 따라서 이론 모델 중성미자 발전기에 사용되는 개선 중성 미립자 상호 작용에 대한 우리의 이해를 늘려 나갈 것이라고 단면적 측정뿐만 아니라δCP 위상 및 확인에 대한 추가 규제의 더 정확한 측정을 제공할 것으로 예상된다r비올라를 연주T2K-II에서 3σ의 유의 수준에서 중성미자 진동에서 테드, 하이퍼 카미오칸데 실험에서 5σ.[30][31]null

중성미자 빔

시설물 전체의 조감도
카미오카 방향으로 양성자 빔을 보내기 위해 2008년 시공 중인 초전도 자석
중성미자 빔 생산 계획

T2K uses a muon neutrino or muon antineutrino beam produced at the J-PARC facility using a proton beam gradually accelerated to 30 GeV by a system of three accelerators: first to 400 MeV energy by the Linac linear accelerator, then up to 3 GeV by the RCS (Rapid Cycle Synchrotron), and finally up to 30 GeV by the MR synchrotron (Main Ring).양자는 흑연 표적에 충돌하여 주로 피온과 카온을 생성하는데, 이 메온은 3개의 자성 뿔에 의해 집중되어 붕괴 볼륨이라는 터널로 향한다.경음기 극성에 따라 양의 입자나 음의 입자가 집중된다.양의 피온과 카온은 주로 μ와+
μ로
μ 부패하여 뮤온 중성미자 빔을 형성하고, 음의 피온과 카온은 주로 μ와−
μ로
μ 부패하여 뮤온 안티뉴트리노 빔을 형성한다.남은 모든 하드론과 충전된 렙톤은 75톤의 흑연 블록(일명 빔 덤프)에 의해 정지되고 땅속에서는 중성미자가 먼 검출기를 향해 지하로 이동한다.[11]null

오프 축 빔

T2K는 오프 축 중성미자 빔의 개념이 실현된 첫 실험이다.J-PARC의 중성미자 빔은 슈퍼 카미오칸데 원탐지기 및 근거리 탐지기 중 하나인 ND280에서 2~3도 떨어진 곳으로 향하도록 설계되었다.중성미자의 평균 에너지는 빔 축으로부터의 편차에 따라 감소한다.원거리 검출기에 해당하는 거리에서의 진동 확률을 극대화하기 위해 오프축 각도를 2.5°로 선택했는데, 295km(183 mi)의 경우 약 600 MeV NUTrinos에 대해 최대치를 나타낸다.이 중성미자 에너지 범위에서, 지배적인 유형의 중성미자 상호작용은 전하 전류 quaselastic 상호작용이며, 이 상호작용하는 중성미자의 에너지는 생산되는 전하 렙톤의 운동량과 방향에 기초해야만 재구성할 수 있다.높은 중성미자 에너지는 오프 축 구성에 의해 억제되어 T2K 실험에서 진동 분석의 배경인 메손 생산과의 상호작용 횟수가 감소한다.[11][32]null

주변 검출기

근접한 검출기[11] 단지는 흑연 표적에서 280m(920ft) 거리에 위치해 있다.그것의 목적은 진동 전 중성미자 유속을 측정하고 중성미자 상호작용을 연구하는 것이다.이 시스템은 다음과 같은 3가지 주요 검출기로 구성된다.

  • 중성미자 빔의 축에 위치한 INGRID 검출기(Interactive Neutrino GRID),
  • ND280 검출기는 빔 축으로부터 2.5° 떨어진 곳에 위치한다. 즉, 원 검출기와 동일한 각도로 위치한다.
  • WAGASCI-BabyMIND(WAGER Grid SCIntillator Detector – 프로토타입 자화 철 중성미자 검출기)는 1.5° 오프 축 각도에 위치한 자화 중성미자 검출기로, 높은 평균 중성미자 에너지에서 오프 축 각도와 단면으로 에너지 스펙트럼 변동을 탐색하기 위해 제작되었다.[33][34]

신호 판독값

검출기 주변 T2K의 섬광기 작동 원리

ND280의 Time Projection Chamber를 제외하고, 인근 검출기의 전체 활성 물질(입자 추적 활성화)은 플라스틱 섬광기다.플라스틱 섬광기 바 및 평면에서 충전된 입자를 통과하여 발생하는 빛은 파장을 변화시키는 섬유에 의해 수집되며 섬유 한쪽 끝 또는 양쪽 끝에 위치한 하마마츠 멀티픽셀 광자 카운터에 의해 검출된다.섬광기 막대는 층으로 구성되며, 두 개의 인접한 층의 막대가 서로 수직으로 되어 있어 통과 입자에 대한 3D 정보를 함께 제공한다.[11]null

잉그리드 검출기

INGRID 검출기의 주요 목적은 중성미자 상호작용을 직접 검출하여 빔의 방향과 강도를 매일 모니터링하는 것이다.INGRID 검출기는 16개의 동일한 모듈을 십자가 모양으로 배열하고, 7개는 수직으로, 7개는 수평 암으로 배열하고, 2개는 크로스 외부의 모듈로 구성한다.팔의 높이와 폭은 10미터(33피트)이다.단일 모듈은 철과 플라스틱 섬광기의 층을 교대로 구성한다.추가로 4개의 섬광기 거부권[note 1] 층이 모듈을 측면에 둘러싸고 외부로부터 들어오는 입자와 모듈 내부의 상호작용으로 생성된 입자를 구별한다.한 모듈의 철 총 중량은 7.1톤이며 모듈 중량의 96%를 차지한다.중성미자 빔 축에는 수직 암과 수평 암 사이의 교차 중간에는 0.55톤의 질량을 가진 플라스틱 섬광기(Proton Module)의 층으로만 만들어진 추가 모듈이 있다.그것의 목적은 quasielastic 상호작용을 등록하고 얻은 결과를 시뮬레이션과 비교하는 것이다.[11]null

ND280 검출기

ND280 건설 중
ND280 디텍터의 분해된 보기

ND280 검출기는 원거리 검출기와 동일한 오프축 각도에서 플럭스, 에너지 스펙트럼 및 전자 중성미자 빔 오염을 측정하는 데 사용된다.ND280은 또한 다양한 종류의 뮤온과 전자 중성미자와 안티뉴트리노 상호작용을 조사한다.이 모든 것을 통해 원거리 검출기의 예상 교호작용 수와 교호작용 유형을 추정할 수 있어 중성미자 상호작용 및 플럭스 모델과 관련된 중성미자 진동 분석에서 계통 오차를 줄일 수 있다.[11]null

ND280은 내부 하위 검출기(Pi-Zero 검출기) 세트와 3회 투영 챔버와 인터리브된 2개의 미세 결로 검출기가 포함된 추적기로 구성되며, 바구니라는 금속 프레임 안에 배치된다.바구니는 전자기 열량계와 UA1 실험에서 재활용된 자석으로 둘러싸여 0.2T 균일한 수평 자기장을 생성하며 측면 뮤온 범위 검출기를 구성하는 섬광기로 계측된다.[11]null

Pi-Zero 검출기

Pi-Zero 검출기 체계.

P0D(Pi-Zero0
)
 검출기(Pi-Zero)는 40개의 플라스틱 섬광기 모듈 평면을 포함하고 있으며, 중앙 부분에는 물과 두꺼운 황동 시트를 채울 수 있는 2.8 cm 두께의 백이 인터리브되어 있고, 주변 영역 2개에서는 섬광기 모듈이 납 시트로 샌드위치되어 있다.봉지에 물이 있는 모드와 없는 모드 간의 상호작용의 양을 비교함으로써 물에서 발생하는 중성미자 상호작용의 수를 추출할 수 있다. – 원 검출기 Super-Kamiokande 내부의 표적 물질이다.전체 활성 P0D 용적의 크기는 약 2.1m × 2.2m × 2.4m(XXXY×Z)이며, 물을 포함한 질량과 없는 질량은 각각 15.8t, 12.9t이다.null

Pi-Zero 검출기의 주요 목표는 물에서 중성미자 상호작용 시 중성미자 생성되는 중성미자를 측정하는 것이다.


ν
μ + N →
ν
μ + N’ +
π0

이 반응은 전자 중성미자 상호작용을 모방할 수 있다. 왜냐하면 π0
 붕괴의 광자는 슈퍼 카미오칸데 검출기에서 전자로서 잘못 재구성될 수 있기 때문이다. 따라서 이 반응은 전자 중성미자 상호작용을 모방할 수 있고 전자 중성미자 외관 측정에서 중요한 배경을 구성한다.[11][35]null

시간 투영 챔버

3개의 TPC(Time Projection Chambers)는 가스가 꽉 찬 직사각형 박스로, 중앙에 음극면이 있고 양쪽에 음극과 평행한 MicroMegas 모듈을 판독한다.TPC는 대기압에서 아르곤 기반의 드리프트 가스로 채워진다.TPC를 가로지르는 전하 입자들은 그들의 트랙을 따라 가스를 이온화시킨다.이온화 전자는 음극에서 TPC의 측면으로 표류하며, 이 전자는 마이크로Megas에 의해 감지되며, 여기서 이 전자는 통과 충전된 입자의 경로에 대한 3D 이미지를 제공한다.Y와 Z 좌표는 MicroMegas 모듈에서 검출된 이온화 전자의 위치를 기준으로 하며, X 좌표는 전자 드리프트 시간을 기준으로 한다.자기장에서는 이 경로의 곡률로 입자의 전하와 운동량을 결정할 수 있으며, 단위 거리당 이온화 전자의 양은 베테-블록 공식에 근거하여 입자를 식별하는 데 사용된다.[11][36]null

미세 결로 검출기

첫 번째와 두 번째 TPC 뒤에 FGD(정밀 분해 검출기)가 두 개 배치된다.FGD와 TPC가 함께 ND280의 추적기를 구성한다.FGD는 중성미자 상호작용에 대한 활성 목표 질량을 제공하며 양성자 반동의 짧은 트랙을 측정할 수 있다.첫 번째 FGD는 섬광기 층으로만 구성되며, 두 번째 FGD는 섬광기와 물의 층이 교대로 구성된다.두 번째 FGD는 슈퍼 카미오칸데 검출기가 수성 기반이기 때문에 부분적으로 물로 구성되어 있다.탄소와 물 위의 단면은 두 FGD에서 중성미자 상호작용의 비교를 통해 결정할 수 있다.[11][37]

전자기칼로리미터

전자기 칼리미터(ECAL)는 내부 검출기(P0D, TPC, FGD)를 둘러싸고 있으며, 납 흡수기 시트가 있는 섬광기 층으로 구성된다.그것의 역할은 중성 입자, 특히 광자를 감지하고 에너지와 방향을 측정하는 것뿐만 아니라 식별에 관련된 추가 정보를 제공하는 충전 입자를 감지하는 것이다.[11][38]null

측면 뮤온 범위 검출기

측면 뮤온 범위 검출기(SMRD)는 자석의 틈새에 삽입되는 섬광기 모듈로 구성된다.SMRD는 빔 방향에 대해 검출기 내부를 큰 각도로 빠져나가는 뮤온을 기록한다.나머지 유형의 입자(중미소 제외)는 대부분 칼로리미터에서 정지한다.SMRD는 또한 우주 광선의 방아쇠 역할을 할 수 있다.마지막으로, 주변 벽과 자석의 빔 상호작용을 식별하는 데 도움이 될 수 있다.[11][39]null

와가시-베이비마인드

WAGASCI-BabyMIND(빨간색 선) 및 ND280(검은색 선) 검출기의 현장에서 예상되는 T2K 중성미자 유량

WAGASCI-BabyMIND는 중성미자 상호작용 연구에 전념하는 INGRID 및 ND280 검출기 옆에 위치한 새로운 검출기다.그것은 2019/2020년 동계 주행 동안 전체 검출기 설정을 사용하여 최초의 중성미자 빔 데이터를 제공했다.[33][34]null

WAGASCI-BabyMIND는 다음과 같은 몇 가지 하위 검출기로 구성된다.

  • 주 물 대상 및 입자 추적기 역할을 하는 두 개의 새로운 물 실링기 검출기(WAGASCI, WAter-Grid-SCIntillator-Detector)섬광기 바의 3D 격자 모양의 구조는 물로 채워진 빈 공간을 만든다.

이러한 구조 덕분에 높은 물 대 섬광기 질량 비(80% HO2 + 20% CH)를 얻었으며 수용도는 높고 모든 방향에서 거의 일정하다.[33][34]null

  • INGRID 검출기와 동일한 프로토온 모듈 1개는 주 CH 대상 및 입자 추적기 역할을 하는 일반 플라스틱 섬광기(CH) 막대로 제작된다.[33][34]
  • 옆으로 흐르는 뮤온을 감지하기 위한 비자기 뮤온 분광계인 월MRD(Wall Muon Range Detector) 2개.그것들은 활성 섬광기와 얽힌 패시브 철면으로 만들어진다.[33][34]
  • 원 베이비MIND(원형 자화 철 중성미자 검출기)는 앞으로 가는 뮤온을 감지하기 위한 자화된 뮤온 분광계다.BabyMIND는 샌드위치처럼 자화된 페라이트 모듈과 얽힌 섬광 모듈의 원래 구성을 스포츠화한다.모듈은 쉽게 재배열하여 자기장을 실험의 특정한 요구에 적응시킬 수 있다.자기장은 페라이트 내부에서만 생성되기 때문에 ND280처럼 주변의 빈 공간을 자화해야 하는 자석에 비해 전력 효율이 매우 높다.그러나 자기장은 뮤온의 이동량에 비해 균일하지 않으며, 이는 모멘텀 재구성에 여전히 개방적인 도전을 제기한다.[33]

검출기의 모든 활성 물질은 플라스틱 섬광기로 구성되며, 신호 판독 섹션에 설명된 대로 읽힌다.[33][34]null

WAGASCI-BabyMIND 검출기의 주요 목표는 ND280 검출기에 대한 상호 보완성 덕분에 달성되는 T2K 진동 분석의 체계적 오류를 줄이는 것이다.

  • ND280(80% CH + 20% HO2)과 SK(순수 HO2)의 서로 다른 목표 재료는 단면 모델에 의존하여2 CH 단면 추정치를 CH 단면 추정치에서 분리하도록 한다.WAGASCI 물-scintillator 모듈의 물 분율은 80%로 물(HO2)과 플라스틱(CH) 사이의 충전 전류 중성미자 단면비를 3% 정확도로 측정할 수 있다.[33][34]
  • 새 검출기는 높은 정밀도, 낮은 모멘텀 임계값 및 완전한 각도 허용으로 다양한 충전 전류 중성미자 상호작용 채널의 측정을 제공한다.이는 높은 각도에서 생성되는 입자에 대한 플럭스 및 단면 모델 불확실성을 구속할 것이다.또한 이러한 자산은 중성미자와 2핵의 경계 상태 또는 중성미자에 의해 생성된 입자의 표적핵 내부에서 재해석을 통해 중성미자의 상호작용에서 생성된 저 모멘텀 하드론의 탐지를 용이하게 하며, 따라서 원 검출기에서 그러한 상호작용에 대한 더 나은 모델링이 될 것이다.[33][34]
  • ND280 및 INGRID 검출기와 동일한 거리 280m에 위치하지만 1.5도의 다른 오프축 각도에서 중성미자 빔의 에너지 스펙트럼이 검출기에 해당하는 각 오프축 각도에 대해 서로 다른 에너지에 대해 정점을 이루도록 한다.이러한 검출기의 측정 조합은 에너지의 함수로 중성미자 횡단면에 개선된 제약을 제공할 것이다.[33][34]

슈퍼카미오칸데

주요 기사:슈퍼카미오칸데
슈퍼카미오칸데 검출기의 전자 및 뮤온 검출

슈퍼카미오칸데 검출기는 히다 시 카미오카 지역의 이케노 산 아래 모즈미 광산의 지하 1000m 지점에 위치한다.높이와 직경 약 40m의 스테인리스 원통형 탱크로, 5만t의 물을 채우고 약 13,000개의 광전자 증배관(PMT)을 계측했다.충전된 입자가 이 매질에서 빛보다 빠르게 물 속에서 움직이면서 방출되는 체렌코프 빛의 원뿔을 감지한다.ν과
μ ν의
e 전하 전류 quasielastic 상호작용(CCQE)에서 생성되는 뮤온과 전자를 각각 측정하는 것이 목표다.상대적으로 질량이 크기 때문에 뮤온은 대개 방향을 바꾸지 않고 따라서 PMT가 맑고 날카로운 고리로 관측하는 체렌코프 빛의 원뿔이 잘 정의된 원뿔을 생산한다.이와는 대조적으로, 전자는 질량이 작기 때문에 더 산란하기 쉽고 거의 항상 전자파 샤워를 생성하는데, PMT는 가장자리가 퍼지르르한 고리로 관측한다.중성미자 에너지는 CCQE 상호작용에서 생성된 충전된 렙톤의 방향과 에너지를 기반으로 계산된다.이러한 방법으로 ν과
μ spectra
e 스펙트럼을 결정하여 뮤온 중성미자 소멸 및 전자 중성미자 출현과 관련된 진동 파라미터를 측정하게 된다.[11][40]null

역사

T2K는 1999년부터 2004년까지 진행된 KEK to Kamioka(K2K) 실험의 후속작이다.K2K 실험에서는 쓰쿠바(일본)의 KEK 시설에서 뮤온 중성미자의 가속 빔이 생산되어 250km 떨어진 곳에 위치한 슈퍼카미오칸데 검출기로 보내졌다.K2K 실험 결과는 뮤온 중성미자의 소멸을 99.9985%(4.3㎛)의 신뢰 수준에서 확인했으며, 대기 중성미자에 대한 슈퍼 카미오칸데 검출기에 의해 측정된 진동 매개변수의 이전 측정치와 일치했다.[41][42]null

중성미자 빔라인 건설은 2004년에 시작되었고 2009년에 성공적으로 위탁되었다.전체 INGRID 검출기와 ND280 검출기(전자파 열량계의 배럴 부분 제외)의 대다수는 2009년에 건설이 완료되었다.이 열량계의 누락된 부분은 2010년 가을에 설치되었다.T2K 원검출기는 대형 슈퍼카미오칸데 검출기로 1996년부터 가동돼 대기, 태양, 가속기 중성미자의 양성자 수명과 진동 등을 연구해 왔다.[11]null

T2K 실험은 2010년 1월에 물리학 분석을 위해 중성미자 데이터를 취하기 시작했으며, 처음에는 불완전한 ND280 검출기로, 2010년 11월부터 완전한 설정을 시작했다.2011년 3월 도호쿠 대지진에 의해 1년간 데이터 수집이 중단되었다.양성자 빔 전력, 즉 중성미자 빔 강도는 지속적으로 증가하여 2020년 2월까지 중성미자-모드에서는 데이터의 55%와 항니뇨-모드에서는 45%의 데이터를 가진 3.621×10[43] 양성자를 목표로 515kW의 전력과 총 누적 양성자 수에 도달했다.[4]: 12 null

미래계획

T2K 실험은 2020년까지 현재의 형태로 운영되었다.2021년에 가돌리늄을 슈퍼 카미오칸데 원거리 검출기에 탑재한 최초의 데이터 실행이 이루어졌다.[4]: 12 2021–2022년에는 중성미자 빔라인과 검출기 근처 ND280의 주요 업그레이드가 수행될 것이다.2023년부터 2026년까지 T2K 실험(T2K-II)의 2단계 내에서 중성미자 데이터를 취하게 된다.[44][30]2027년, T2K 실험의 후속인 하이퍼 카미오칸데(HK) 실험은 새로운 25만 톤급 물 체렌코프 원탐지기인 하이퍼 카미오칸데 검출기로 발사될 것이다.[4]: 20 [45][46]HK 실험에서는 약 2km(1.2 mi) 거리에 중간수 체렌코프 검출기를 추가로 설치하는 것도 검토된다.[46]null

T2K-II

T2K 실험의 2단계는 2023년 초에 시작되어 HK 실험의 착수에 따라 2026년까지 지속될 것으로 예상된다.진동 매개 변수의 1.7°의 정밀도와 1%뿐만 아니라 중성미자 분야에서 matter-antimatter 비대칭 3σ 이상의 δCP의 가능한 진정한 가치의 광범위한 수준 –는 매개 변수가 CP(matter-antimat한 확인과 함께 T2K-II의 물리학은 목표들이 측정 θ23과 Δm223.착륙)대칭이러한 목표를 달성하려면 통계적, 체계적 오류를 줄여야 한다.따라서 빔라인과 ND280 검출기를 대폭 업그레이드하고, SK 물을 가돌리늄으로 도핑하여 원거리 검출기에서 ν
/차별을 허용하며, 소프트웨어 및 분석 방법의 개선이 이루어질 것이다.[30]null

빔 업그레이드

빔 업그레이드 계획은 J-PARC 메인 링 가속기를 2021년에 1년 동안 정지해야 하며, 그 후 HK 실험이 시작될 때까지 양성자 빔의 출력이 지속적으로 증가해야 한다.빔의 출력은 2022년에 750 kW에 도달한 후 2029년까지 1.3 MW까지 증가해야 한다.[47]null

2020년 2월, 양성자 빔 출력은 펄스당 2.7x1014 양자로, 펄스 간 2.48초(일명 반복 사이클)로 515kW에 도달했다.750 kW에 도달하려면 반복 주기가 펄스당 2.0x1014 양자로 1.32초로 감소하는 반면, 1.3 MW의 경우 반복 주기는 1.16초로 더 감소하고 펄스당 양성자 수는 3.2x10으로14 증가해야 한다.1차 양성자 빔 출력을 높이는 것 외에도, 선택된 전하를 가진 2차 입자(피온, 카온 등)를 중심으로 하는 경음기 내 전류도 250kA에서 320kA로 증가한다.이렇게 되면 우현 중성미자(중성모드빔의 중성미자, 반중성모드빔의 중성미자)의 양이 10% 증가하고, 잘못된 신호 중성미자(중성모드빔의 중성미자, 반중성모드빔의 중성미자)의 양이 5~10%[47][48]가량 감소하게 된다.null

반복 주기를 단축하려면 메인 링 전원 공급장치의 주요 업그레이드, 포커싱 경음기 전원 공급장치의 사소한 업그레이드 등 일련의 하드웨어 업그레이드가 필요하며, 이 모든 업그레이드는 2021년 긴 셧다운 기간에 설치될 예정이다.경음기 전류를 증가시키려면 경음기 전원 공급 장치를 추가로 사용해야 한다.한편, 더 높은 양성자 빔 출력은 흑연 표적, 자기 경음기 및 빔 덤프와 같은 2차 빔 라인 구성 요소의 냉각 용량 향상과 더 많은 양의 조사 냉각수의 폐기를 요구한다.[47][48]null

ND280 업그레이드

계획된 업그레이드 후 ND280 디텍터의 내부 구성표

현재 ND280 검출기의 설계는 전진 렙톤(무온과 전자)의 검출과 재구성에 최적화되어 있지만, 상호 작용하는 중성미자의 방향에 관해서 거의 수직으로, 후방으로 생성되는 입자의 재구성 효율이 낮을 뿐만 아니라, 지나치게 높은 것 등 여러 한계를 가지고 있다.생성된 피온과 녹아웃된 핵(프로톤과 중성자)의 큰 부분을 재구성하기 위한 운동량 임계값.충전 전류 준탄성(CCQE) 상호작용에서, 검출기 근처 ND280의 지배적인 상호작용, 생산된 렙톤의 운동학적 상호작용은 유입 중성미자 에너지의 재구성에 충분하다.그러나 추가 입자(피온, 카온, 핵)가 손실된 다른 유형의 중성미자 상호작용은 CCQE로 잘못 재구성될 수 있으며 재구성된 중성미자 에너지 스펙트럼에 편향을 도입할 수 있다.따라서 추가 입자와 핵 영향에 민감하도록 검출기를 최적화하는 것이 필수적이다.null

이러한 문제를 해결하기 위해 다음과 같은 세 가지 주요 조치를 취해야 한다.

  • 검출기는 중성미자 상호작용의 최종 상태에서 핵들을 효율적으로 검출할 필요가 있다.이를 위해 검출 임계값을 낮출 필요가 있다.
  • 고각 및 역방향 트랙은 잘 재구성해야 한다.이는 타이밍 정보를 사용하여 전진 트랙에서 후진 트랙 사이의 각 합격과 차별의 효율성을 높임으로써 달성된다.
  • 마지막으로, 보다 나은 재구성 능력으로 특징지어지는 ND280 검출기의 추적기 부분의 총 기준 부피(중수소 상호작용에 이용 가능한 질량)를 중성미자 상호작용 속도를 증가시키기 위해 확대해야 한다.

ND280 검출기 업그레이드(ND280 업그레이드)는 P0D 하위 검출기의 일부를 세 가지 유형의 새로운 하위 검출기로 교체하여 이러한 요구 사항을 해결한다.기존의 다운스트림 부품은 2개의 미세한 눈금 섬광 검출기(FGD)와 3개의 시간 투영 챔버(TPC)로 구성되며 샌드위치 구조를 유지하고 전방 렙톤과 높은 모멘텀 하드론을 계속 검출한다.The upstream part which now hosts the P0D sub-detector will be replaced by three novel sub-detectors: a scintillating 3D target (Super Fine-Grained Detector or SuperFGD), two new TPCs on top and below the SuperFGD (High-Angle TPCs or HATPCs), and six Time-of-Flight (TOF) detectors surrounding the new structure.이러한 각 하위 검출기는 아래에 간략하게 설명되어 있다.[49]ND280에 신규 서브디텍터 설치가 2022년 이뤄진다.[44][50]: 18 null

슈퍼FGD

SuperFGD는 약 200만3 1cm 섬광 폴리스티렌 큐브로 구성된 2 X 2.5m(6ft 7 in × 6 ft 7 in × 1 ft 8 in) 검출기다.정육면체들은 대상의 상호작용 동안 생성되는 입자에 의해 방출되는 빛을 감지하도록 설계된 일련의 광섬유로 짜여져 있다.현재의 FGD와 달리 SuperFGD는 3배 투사형 2D 판독값을 가지고 있어 준3D 판독값을 제공한다.이 판독값 구성은 모든 방향에서 거의 균일하게 짧은 트랙의 탐지를 증가시킨다.SuperFGD는 기하학적 구조와 TOF 및 HATPC와 결합되어 있어 빠른 중성자를 검출할 수 있는 기능을 가지고 있어 항뉴트리노 에너지의 재구성에 유용할 수 있다.[49]null

HATPC

HATPC(High Angle Time Projection Chamber)는 들어오는 중성미자 빔에 수직인 평면에서 SuperFGD를 둘러싸게 된다.둘 다 트랙 재구성을 위해 마이크로메가스 모듈 기술을 사용하기 때문에 기존 TPC와 디자인이 비슷하다.HATPC의 주요 소설 특징은 고각 커버리지와는 별도로 저항성 마이크로메가스 기술의 사용이다.후자는 마이크로메가스 모듈의 충전 공유 기능을 증가시키기 위해 저항성 물질의 층을 적용하는 것으로 구성된다.이것은 판독 채널의 수를 줄이고 현재 TPC에 있는 것과 같은 공간 해상도를 허용한다.[49]null

토프

HATPC와 SuperFGD를 둘러싼 6개의 Time-of-Flight(TOF) 검출기는 600ps의 타이밍 분해능으로 각 크로스 트랙의 비행시간 측정을 통해 입자 방향감을 식별하도록 설계된 일련의 플라스틱 섬광기 층이다.실제 ND280에서 트랙 방향 감각을 결정하는 기능은 활성 내부 검출기 외부에서 생성되는 배경을 줄이는 데 매우 중요한 것으로 입증되었다.[49]null

중성미자 진동물리학에 미치는 영향

ND280 업그레이드가 T2K 분석에 미치는 영향은 두 가지다.첫째로, 2톤의 슈퍼FGD 목표치에 따른 통계량 증가는 특정 표본의 데이터 양을 거의 두 배로 증가시킬 것이다.둘째로, 보다 목적적합한 새로운 구성을 통해 추가 최종 상태 입자를 더 잘 검출할 수 있을 것이다. 즉, 각도 허용 증가 덕분에 고각 입자가 검출될 수 있고, 검출 임계값이 낮아져 활력이 떨어지는 입자가 발생할 수 있다.이 검출기 허용 개선은 원거리 검출기(SK)에서 사용할 수 있는 거의 동일한 위상 공간을 커버하는 데 중요하다.또한 최종 상태 입자는 진동 분석의 체계적 영향을 구속하는 데 필수적인 핵 영향을 조사할 수 있다.이는 중성미자 진동 물리학에서 반포함형 또는 배타적 모델을 사용하는 것으로 전환하는 과정에서도 중요한 단계로서, 예측에서 최종 상태 렙톤만 사용하는 현재의 포괄적 모델과는 대조적이다.[49]null

SK-gd

T2K – 2단계 내에서 개선해야 할 세 번째 요소는 지금까지 초순수로 채워졌던 슈퍼 카미오칸데에 가돌리늄을 도입하는 것이다.SK는 등록된 입자의 전하를 측정할 수 없다.즉, 생산된 렙톤에 의한 전하량에 근거한 안티뉴트리노−
 상호작용과 중성미자를 구별할 수 없다는 것이다(예를 들어 μ는 μ에
μ 의해 생성되고 μ는+
μ에
μ 의해 생성된다).(안티) 중성자-핵 상호작용에서, 충전된 렙톤 생산과는 별도로, 핵은 대개 핵으로부터 실현된다.전하 보존 때문에 중성미자의 경우 대부분 양성자, 안티뉴트리노의 경우 중성자:


ν
l +
n
 →
ℓ−
 +
p

ν
l +
p
 →
ℓ+
 +
n
.[51]: 23

체렌코프 에너지 임계값(체렌코프 빛을 생성하기 위한 충전된 입자의 최소 총 에너지)은 입자 질량에 비례하며, 물에서는 전자의 경우 0.8 MeV, 뮤온의 경우 160 MeV, 양성자의 경우 1400 MeV와 같다.[52]따라서 중성미자 상호작용에서 방출된 양성자는 종종 문턱 아래로 떨어져서 발견되지 않은 채로 남아 있다.중성자는 중성자 입자로서 체렌코프 빛을 내지 않는다.그러나 흥분 상태로 들어가는 다른 핵에 의해 흡수될 수 있으며, 흥분 상태에서 감마선이 생성된다.높은 에너지 광자(가돌리늄의 총 에너지는 약 8 MeV)는 원자로부터 전자를 산란시키고/또는 전자-양전자 쌍을 생성하며, 그 후 체렌코프 빛을 생성한다.가돌리늄은 열 에너지에서 중성자 포획에 대한 단면이 가장 높은 자연 발생 원소다.25 meV 중성자의 경우 가돌리늄 단면이 수소 단면보다 약 10배5 높다.SK에서 포획될 중성자 분율은 0.01% Gd 농도의 경우 50%이고, 0.1% 농도의 경우 90%이다. - SK에서 계획된 최종 Gd 농도의 경우.중성자 포획으로부터의 신호는 충전된 렙톤 신호와 관련하여 밀리초(포획 전 중성자가 물을 가로질러 이동하는 시간 + Gd가 흥분 상태에 머무르는 시간)만큼 지연되며, 일반적으로 50 cm(포획 전 중성자가 이동한 거리) 이내에 나타난다.중성미자 상호작용 지점그러한 이중 플래시 이벤트(충전된 렙톤에서 나오는 첫 번째 플래시, Gd 제제 광자에서 나오는 두 번째 플래시)는 안티뉴트리노 상호작용의 특징이다.[53][54]null

Gd2(SO4)/38 13t 첫 적재 SK워터에 들어가는 HO2(가돌리늄(III)황산옥타하이드레이트)는 7월 실시됐다.2020년 8월 gd 농도 0.011%로 이어진다.T2K는 2021년 3~4월 SK에서 gd와 함께 첫 데이터를 수집했다.가돌리늄 도포수를 사용하면 SK에서 가장
e 반응성이 높지만 아직 다른 소스에서 중성미자와 구별할 수 없는 원격 초신성 중성미자를 연구할 수 있게 된다.또한 우리 은하의 초신성 폭발에 대한 검출기 성능을 개선하고 가속 중성미자 진동에서 물질-항물질 차이를 더 잘 연구할 것이다.[53][54]

하이퍼 카미오칸데 실험

주요 기사:하이퍼카미오칸데

T2K 실험의 후속인 하이퍼 카미오칸데(HK) 실험은 현재 사용되고 있는 가속기와 중성미자 빔라인 업그레이드된 시스템과 근거리 검출기의 업그레이드된 세트를 사용한다.그것과는 별도로 새로운 원거리 검출기, 하이퍼 카미오칸데 검출기, 그리고 아마도 새로운 중간 검출기가 만들어질 것이다.빔과 관련된 업그레이드 작업과 ND280 검출기의 업그레이드는 T2K 실험의 단계 2가 시작되기 전에 아직 수행될 것이다.HK 실험은 2027년경 가동을 시작할 것으로 예상된다.[4]: 20 [46][55][56]null

하이퍼 카미오칸데 검출기

하이퍼 카미오칸데 검출기는 슈퍼카미오칸데 검출기보다 5배(물 258kton) 큰 물 체렌코프 검출기가 된다.직경 74m(243ft) 및 높이 60m(200ft)의 실린더로, 직경 50cm(20인치)의 광전자 증배관 40000개와 직경 20cm(7.9인치)의 광전자 증배관 6700개가 있다.It will be located 8 kilometres (5.0 mi) south from the Super-Kamiokande detector in the Tochibora mine, 650 metres (2,130 ft) under the peak of Nijuugo Mountain, at the same off-axis angle (2.5°) to the neutrino beam centre and in the same distance (295 kilometres (183 mi)) from the beam production place at J-PARC.HK 검출기(Detector) 구축은 2020년에 시작됐으며 2027년에 데이터 수집이 시작될 것으로 예상된다.[4]: 24 [46][55]null

중급수 체렌코프

중간 물 체렌코프 검출기(IWCD)는 중성미자 생산 장소에서 0.7–2.0km(0.43–1.24 mi) 거리에 위치한다.직경 10m(33ft)의 물과 직경 10m(33ft)의 높이 50m(160ft)의 물로 채워진 실린더로, 직경 20cm(7.9인치)의 광전자 증배관 약 3000개로 계측된다.구조물은 크레인 시스템에 의해 수직 방향으로 이동하며, 1° ~ 4°에 걸쳐 서로 다른 오프 축 각도에서 중성미자 상호작용의 측정을 제공하며, 따라서 다양한 에너지 스펙트럼에 대해 측정한다.서로 다른 오프 축 각도의 결과를 결합하면 중성미자 에너지를 재구성하기 위한 중성미자 상호작용의 이론적 모델에 의존하지 않고 거의 단색 중성미자 스펙트럼에 대한 결과를 추출할 수 있다.각도와 운동량 수용도가 거의 동일한 원거리 검출기와 동일한 유형의 검출기를 사용하면 검출기 응답 시뮬레이션에 의존하지 않고 이 두 검출기의 결과를 비교할 수 있다.중성미자 상호작용 및 검출기 응답 모델로부터의 독립성인 이 두 가지 사실은 진동 분석에서 체계적 오류를 최소화할 수 있을 것이다.그러한 검출기 설계의 추가적인 장점은 서로 다른 오프 축 각도에 대해 멸균 진동 패턴을 검색할 수 있고 더 큰 오프 축 각도에 대해 분율이 더 큰 전자 중성미자 상호작용의 더 깨끗한 샘플을 얻을 수 있다는 것이다.[46]: 47–50 [57][58]null

IWCD는 2024년 최종 확정돼 2025년부터 데이터를 취합해 HK 실험을 시작할 예정이다.[59]null

참고 항목

메모들

  1. ^ 거부권은 이벤트를 수락하기 위해 어떠한 활동도 등록되어서는 안 되는 검출기의 일부분이다.그러한 요건은 선택된 샘플의 배경 사건 수를 구속할 수 있다. 여기서 배경은 검출기 외부에서 생성된 입자로부터 나온다.

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