miniaturadaimagem|Visão geral da experiência Hyper-Kamiokande Hyper-Kamiokande (também chamado de Hyper-K ou HK) é um observatório e experiência de neutrinos em construção em Hida, Gifu e em Tokai, Ibaraki no Japão. É coordenado pela Universidade de Tóquio e pela High Energy Accelerator Research Organization (KEK), em colaboração com institutos de mais de 20 países em seis continentes. Como sucessor das experiências Super-Kamiokande (também Super-K ou SK) e T2K, HK foi projectado para procurar o decaimento de protões e detectar neutrinos de fontes naturais como a Terra, a atmosfera, o Sol e o cosmos, bem como como estudar as oscilações de neutrinos do feixe de neutrinos do acelerador artificial. O início da tomada de dados está previsto para 2027.
A experiência Hyper-Kamiokande estará em dois locais:
O feixe de neutrinos será produzido no complexo do acelerador J-PARC (36.445°N 140.606°E) e estudado por um conjunto de detectores a curta e intermédia distância localizados em Tokai, prefectura de Ibaraki, na costa este do Japão. O detector principal, também chamado de Hyper-Kamiokande (HK), está a ser construído sob o pico da montanha Nijuugo na cidade de Hida, prefeitura de Gifu, nos Alpes Japoneses (). O detector HK vai ser usado para procurar o decaimento de protões, estudar neutrinos de fontes naturais, e vai servir como detector distante para a medição das oscilações de um feixe de neutrinos de acelerador à distância correspondente ao primeiro máximo de oscilação.
Programa de física Oscilações de neutrinos Atmosféricos e de Aceleradores As oscilações de neutrinos são um fenómeno da mecânica quântica em que os neutrinos mudam o seu sabor (os sabores dos neutrinos: ,,) durante o seu trajeto, causado pelo fato de que os estados de sabor dos neutrinos são uma mistura dos estados de massa dos neutrinos (estados de massa ν1, ν2, ν3 com massas m1, m2, m3, respectivamente). As probabilidades de oscilação dependem de seis parâmetros teóricos:
três ângulos de mistura (θ12, θ23 e θ13) que governam a mistura entre estados de massa e sabor, duas diferenças de massa ao quadrado (∆m221 e ∆m232, onde ∆m2ij = m2i – m2j) uma fase (δCP) responsável pela assimetria matéria-antimatéria (violação da simetria CP) nas oscilações de neutrinos,
e dois parâmetros que são escolhidos especificamente para uma dada experiência:
energia dos neutrinos baseline – a distância percorrida pelos neutrinos na qual as oscilações são medidas.
Continuando os estudos realizados pela experiência T2K, o detector HK vai medir o espectro de energia de neutrinos de electrão e de neutrinos de muão no feixe (produzido no J-PARC como um feixe quase puro de neutrinos de muão) e compará-lo com o esperado no caso de não existirem oscilações, que é inicialmente calculado com base em modelos do fluxo e interacção dos neutrinos, melhorados com medições realizadas pelos detectores a curta e intermédia distância do início do feixe.
Para o pico de energia do feixe HK/T2K (600 MeV) e a distância entre o J-PARC e os detectores HK/SK (295 km), isto corresponde ao primeiro máximo de oscilação, para oscilações dominadas por ∆m232. O feixe de neutrinos do J-PARC vai operar separadamente em modos optimizados para neutrinos e antineutrinos. Isto significa que as medições de neutrinos em cada modo do feixe vão dar informações sobre a probabilidade de sobrevivência dos (anti)neutrinos de muão P → , P → , e sobre a probabilidade de aparecimento de (anti)neutrinos de electrão P → , P → , onde Pνα → Pνβ é a probabilidade que um neutrino originalmente de sabor α seja observado com sabor β. miniaturadaimagem| A capacidade do Hyper-K de excluir a conservação do CP em função do valor real de δCP A comparação das probabilidades de aparecimento de neutrinos e antineutrinos (P→ versus P→ ) permite a medição da fase δCP. δCP varia de a (de a ), e 0 e ±π correspondem à conservação da simetria CP. Após 10 anos de coleta de dados, espera-se que HK confirme se a simetria CP é violada nas oscilações dos neutrinos para 57% dos possíveis valores de δCP com um nível de confiança de 5σ ou melhor. A violação do CP é uma das condições necessárias para produzir o excesso de matéria em relação a antimatéria no universo primitivo, que forma agora o nosso universo construído por matéria. Neutrinos de acelerador serão usados também para aumentar a precisão dos outros parâmetros de oscilação, |∆m232|, θ23 e θ13, bem como para estudos de interação de neutrinos.
Para determinar a ordem das massas dos neutrinos (se o estado próprio de massa ν3 é mais leve ou mais pesado que ν1 e ν2), ou equivalentemente o sinal desconhecido do parâmetro ∆m232, as oscilações dos neutrinos devem ser observadas em matéria. Com os neutrinos de feixe em HK (295 km, 600 MeV), o efeito da matéria é pequeno. Além dos neutrinos de feixe, HK estuda neutrinos atmosféricos, criados por raios cósmicos que colidem com a atmosfera terrestre, produzindo neutrinos e outros subprodutos. Estes neutrinos são produzidos em todos os pontos do globo, o que significa que HK tem acesso a neutrinos que percorreram uma ampla gama de distâncias através de matéria (desde algumas centenas de metros até ao diâmetro da Terra). Estas amostras de neutrinos podem ser usadas para determinar a ordem das massas dos neutrinos.
Por fim, uma análise combinada de neutrinos de feixe e de neutrinos atmosféricos fornecerá a maior sensibilidade aos parâmetros de oscilação δCP, |∆m232|, ∆m232, θ23 e θ13.
Astronomia de Neutrinos e Geoneutrinos Explosões de supernovas com colapso do núcleo produzem grandes quantidades de neutrinos. Para uma supernova na galáxia de Andrômeda, são esperados entre 10 a 16 eventos de neutrinos no detector distante HK. Para uma supernova galáctica a uma distância de 10 kpc, são esperadas cerca de 50000 a 94000 interações de neutrinos durante algumas dezenas de segundos. Para Betelgeuse à distância de 0.2 kpc, essa taxa pode atingir até 108 interações por segundo, e esta taxa de eventos tão alta foi levada em consideração no design dos sistemas de electrónica e aquisição de dados (DAQ) do detector, o que significa que nenhum dado será perdido. Perfis temporais do número de eventos registados em HK e a sua energia média permitirão testar modelos da explosão. Informações direcional dos neutrinos no detector distante HK podem fornecer um aviso antecipado para a observação eletromagnética de supernovas e podem ser usadas em outras observações de multi-mensageiros.
Os neutrinos produzidos cumulativamente por explosões de supernovas ao longo da história do universo são chamados de neutrinos relíquia de supernova (SRN) ou fundo difuso de neutrinos de supernova (DSNB) e transportam informações sobre a história da formação estelar. Devido ao baixo fluxo (algumas dezenas/cm2/seg.), ainda não foram descobertos. Com dez anos de coleta de dados, espera-se que HK detecte cerca de 40 eventos SRN na faixa de energia de 16 a 30 MeV.
Para solares, os objetivos da experiência HK são:
Procurar uma assimetria dia-noite no fluxo de neutrinos solares - resultante de diferentes distâncias percorridas na matéria (durante a noite os neutrinos atravessam adicionalmente a Terra antes de entrar no detector) e, portanto, as diferentes probabilidades de oscilação causadas pelo efeito da matéria. Medição da probabilidade de sobrevivência de para energias de neutrinos entre 2 e 7 MeV – ou seja, entre regiões dominadas por oscilações no vácuo e oscilações na matéria, respectivamente – que é sensível a novos modelos físicos, como neutrinos estéreis ou interações para lá do Modelo Padrão. A primeira observação de neutrinos hep: previsto pelo modelo solar padrão. Comparação do fluxo de neutrinos com a atividade solar (por exemplo, ao longo do ciclo solar de 11 anos).
Os geoneutrinos são produzidos em decaimentos de radionuclídeos no interior da Terra. Os estudos de geoneutrinos em Hyper-Kamiokande ajudará a avaliar a composição química do núcleo da Terra, que está ligada à geração do campo geomagnético.
Decaimento de protões O decaimento de um protão livre em partículas subatómicas mais leves nunca foi observado, mas é previsto por algumas teorias de grande unificação (GUT) e resulta da violação do número bariónico (B). A violação B é uma das condições necessárias para explicar a predominância da matéria sobre a antimatéria no universo. Os principais canais estudados por HK são →+, que é favorecido por muitos modelos GUT, e → +, previsto por teorias incluindo supersimetria. Após dez anos de coleta de dados, caso nenhum decaimento seja observado, espera-se que HK aumente o limite inferior da vida média do protão de 1.6x1034 para 6.3x10 34 anos para o canal de decaimento ao qual é mais sensível (→+) e de 0.7x10 34 a 2.0x10 34 anos para o canal →+.
Matéria escura A matéria escura é uma forma hipotética e não luminosa de matéria proposta para explicar numerosas observações astronómicas que sugerem a existência de massa invisível adicional nas galáxias. Se as partículas de matéria escura interagirem fracamente, elas poderão produzir neutrinos por meio de aniquilação ou decaimento. Esses neutrinos podem ser visíveis no detector HK como um excesso de neutrinos na direção de grandes potenciais gravitacionais, como o centro galáctico, o Sol ou a Terra, sobre um fundo isotrópico de neutrinos atmosféricos.
Descrição da experiência A experiência Hyper-Kamiokande consiste numa linha de feixe de neutrinos de acelerador, um conjunto de detectores próximos, o detector intermédio e o detector distante (também chamado de Hyper-Kamiokande). O detector distante por si só será usado para procurar o decaimento de protões e estudos de neutrinos de fontes naturais. Todos os elementos acima servirão para os estudos de oscilação de neutrinos do acelerador. Antes de lançar a experiência HK, a experiência T2K terminará a coleta de dados e HK usará a sua linha de feixe de neutrinos e conjunto de detectores próximos, enquanto os detectores intermediários e distantes terão que ser construídos.
Feixe de neutrinos
Detectores próximos
Detector Cherenkov de água intermédio O Detector Cherenkov de Água Intermédio (Intermediate Water Cherenkov Detector, IWCD) estará localizado a uma distância de cerca de do local de produção de neutrinos. Será um cilindro cheio de água de de diâmetro e de altura com uma estrutura de de altura instrumentada com cerca de 400 módulos multi-PMT (mPMTs), cada um consistindo de dezenove Tubos FotoMultiplicadores (PMTs) com de diâmetro encapsulados em um recipiente à prova de água. A estrutura será movida na direção vertical por um sistema de guindaste, fornecendo medições da interações de neutrinos em diferentes ângulos fora do eixo (ângulos em relação ao centro do feixe de neutrinos), abrangendo de 1° na parte inferior a 4° na parte superior, e assim para diferentes espectros de energia de neutrinos.A energia média dos neutrinos diminui com o desvio em relação ao eixo do feixe. Combinando os resultados de diferentes ângulos fora do eixo, é possível extrair os resultados para o espectro quase monoenergético dos neutrinos sem depender de modelos teóricos de interações de neutrinos para reconstruir a energia dos neutrinos. O uso do mesmo tipo de detector que o detector distante, com quase a mesma aceitação angular e de momento, permite a comparação dos resultados desses dois detectores sem depender de simulações de resposta do detector. Esses dois factos, independentes da interação de neutrinos e dos modelos de resposta do detector, permitirão que HK minimize o erro sistemático na análise das oscilações. Vantagens adicionais do design deste detector são a possibilidade de procurar padrões de oscilação de neutrinos estéreis para diferentes ângulos fora do eixo e obter uma amostra mais limpa da interações de neutrinos de eléctrão, cuja fração é maior para ângulos maiores fora do eixo.
Detector Distante Hiper-Kamiokande