«Гіпер-Каміоканде» (Hyper-Kamiokande, Hyper-K) — нейтринна обсерваторія та експеримент, що будується в Хіді (Ґіфу) і Токаї (Ібаракі) в Японії. Експеримент проводить Токійський університет та Організація з дослідження прискорювачів високої енергії (KEK) у співпраці з інститутами з більш ніж 20 країн на шести континентах. Як наступник експериментів Супер-Каміоканде (також Super-K або SK) і , він має на меті пошук розпаду протонів і виявлення нейтрино від природних джерел, як-от Землі, атмосфери, Сонця і космосу, а також для вивчення нейтринних осциляцій у пучку нейтрино від прискорювача. Початок збору даних заплановано на 2027 рік.
Експеримент Гіпер-Каміоканде розташовуватиметься у двох місцях:
Пучок нейтрино буде вироблено в прискорювальному комплексі J-PARC і керуватиметься кількома ближніми і проміжними детекторами, розташованими в селі Токай (префектура Ібаракі), на східному узбережжі Японії. Основний детектор, також званий Гіпер-Каміоканде, будується під вершиною гори Нідзюго в місті Хіда (префектура Гіфу) в Японських Альпах. Детектор ГК використовуватимуть для пошуку розпадів протонів, вивчення нейтрино з природних джерел і слугуватиме далеким детектором для вимірювання прискорювальних осциляцій нейтрино на відстані, що відповідає першому осциляційному максимуму.
І експеримент цілком, і компонент далекого детектора мають одну й ту саму назву.
Фізична програма
Розпад протона Осциляції нейтрино — це квантово-механічне явище, за якого нейтрино під час руху змінюють свій аромат (стани нейтрино: , , ). Це пов'язано з тим, що ароматні стани нейтрино є сумішшю масових станів нейтрино (масові стани з масами відповідно). Імовірність осциляцій залежить від шести теоретичних параметрів:
три кути змішування (), що визначають змішування між масовими та ароматними станами дві різниці кавдратів мас ( і , де ) та одна комплексна фаза (), що відповідає за асиметрію матерії-антиматерії (порушення CP-симетрії) в нейтринних осциляціях,
та два параметри, які вибираються для конкретного експерименту:
енергія нейтрино база — відстань, пройдена нейтрино, в якому вимірюються осциляції.
Продовжуючи дослідження, проведені експериментом T2K, дальній детектор ГК виміряє енергетичні спектри електронних і мюонних нейтрино в пучку (в J-PARC виробляють майже чистий пучок мюонних нейтрино) і порівняє їх з очікуванням у разі відсутності осциляцій, яке спочатку розраховується на основі моделей потоку і взаємодії нейтрино й уточнюється за результатами вимірювань, що проводяться ближнім та проміжним детекторами. Пікова енергія пучка нейтрино ГК/T2K (600 МеВ) та відстань між детекторами J-PARC — ГК/СК (295 км) відповідає першому осциляційному максимуму для осциляцій, обумовлених . J-PARC вироблятиме окремо пучки нейтрино й антинейтрино, і нейтринні вимірювання в кожному режимі пучка дадуть , де — ймовірність того, що нейтрино, яке спочатку мало аромат α, згодом спостерігатиметься як таке, що має аромат β.
Порівняння ймовірностей появи нейтрино та антинейтрино дає змогу виміряти фазу . , яка лежить у діапазоні від -π до +π (від -180° до +180°), а 0 і ±π відповідають збереженню CP-симетрії. Очікується, що після 10 років збору даних HK підтвердить на рівні достовірності 5σ або вище, що CP-симетрія порушена в нейтринних осциляціях для 57 % можливих значень . Порушення CP є однією з умов, необхідних для утворення надлишку матерії над антиречовиною в ранньому Всесвіті, який зараз формує наш всесвіт, побудований з матерії. Прискорювальні нейтрино використовуватимуться також підвищення точності інших параметрів осциляцій, , і , і навіть для досліджень взаємодії нейтрино.
Щоб визначити порядок мас нейтрино (чи є власний стан маси легшим чи важчим, ніж і ), або, що еквівалентно, невідомий знак параметра , необхідно спостерігати нейтринні осциляції в речовині. Для параметрів пучка нейтрино, що використовується в ГК (295 км, 600 МеВ), ефект від проходження нейтрино через щільне середовище незначний. Крім прискорювальних нейтрино, в експерименті ГК вивчаються атмосферні нейтрино, якіі виникають при зіткненні космічних променів із земною атмосферою, у результаті чого утворюються нейтрино та інші частинки. Ці нейтрино утворюються у всіх точках земної кулі, що означає, що ГК має доступ до нейтрино, які пройшли широкий діапазон відстаней через речовину (від кількох сотень метрів до діаметра Землі). Ці нейтрино можна використати для визначення порядку маси нейтрино.
Зрештою, комбінований аналіз прискорювальних та атмосферних нейтрино забезпечить найбільшу чутливість до параметрів осциляцій ,
, знаку , і .
Нейтринна астрономія та геонейтрино
Під час вибухів наднових із гравітаційним колапсом ядра утворюється дуже багато нейтрино. Для наднової в галактиці Андромеди в детекторі ГК очікується від 10 до 16 нейтринних подій. Для галактичної наднової на відстані 10 кпк очікується від 50000 до 94000 нейтринних взаємодій протягом кількох десятків секунд. Для Бетельгейзе на відстані 0,2 кпк кількість подій може досягати 108 взаємодій на секунду, і таку високу швидкість подій враховано під час розробки електроніки детектора та системи збирання даних (DAQ), що означає, що дані не буде втрачено. Часові профілі кількості зареєстрованих у ГК подій та їхньої середньої енергії дають змогу перевірити моделі вибуху. Інформація про напрям нейтрино в ГК може слугувати раннім попередженням для електромагнітних спостережень наднових, її можна використати в інших багатоканальних спостереженнях.
Нейтрино, які кумулятивно утворюються при вибухах наднових протягом усієї історії Всесвіту, називають реліктовими нейтрино наднових (SRN) або дифузним нейтринним тлом наднових (DSNB) і несуть інформацію про історію зореутворення. Через низький поток (кілька десятків/см/с) їх досі не виявлено. Очікується, що за десять років збору даних ГК виявить близько 40 подій SRN у діапазоні енергій 16-30 МеВ. Для сонячних електронних нейтрино цілі експерименту ГК такі:
Пошук асиметрії день/ніч у потоці нейтрино, обумовленої різною відстанню, пройденою в речовині (вночі нейтрино, перш ніж потрапити в детектор, додатково перетинають Землю), і, отже, різною ймовірністю осциляцій, викликаної ефектом речовини. Вимірювання ймовірності «виживання» електронного нейтрино () для енергій нейтрино між 2 і 7 МеВ — тобто між областями, де домінують осциляції у вакуумі та осциляції в речовині, відповідно — які чутливі до нових фізичних моделей на зразок стерильних нейтрино або нестандартних взаємодій. Перше спостереження нейтрино з hep-каналу: , передбаченого стандартною сонячною моделлю. Порівняння потоку нейтрино із сонячною активністю (наприклад, 11-річним сонячним циклом).
Внаслідок розпадів радіонуклідів усередині Землі утворюються геонейтрино. Дослідження геонейтрино на Гіпер-Каміоканде дадуть змогу оцінити хімічний склад ядра Землі, який пов'язаний із генеруванням геомагнітного поля.
Осциляції прискорювальних та атмосферних нейтрино Розпад вільного протона на легші субатомні частинки ніколи не спостерігався, але його передбачають деякі теорії великого об'єднання (ТВО) і він є результатом порушення баріонного числа (B). Порушення баріонного числа — одна з умов, необхідних для пояснення переважання у Всесвіті матерії над антиматерією. Основними каналами, що вивчаються на ГК, є , який вводять багато моделей ТВО, і , передбачений теоріями, які включають суперсиметрію. Очікується, що після десяти років збирання даних (у разі, якщо розпад не спостерігатиметься) ГК збільшить нижню межу середнього часу життя протона від до років для його найчутливішого каналу розпаду () і від до років для .
Темна матерія Темна матерія — це гіпотетична форма матерії, що не світиться, запропонована для пояснення численних астрономічних спостережень, які свідчать про існування в галактиках додаткової невидимої маси. Якщо частинки темної матерії слабко взаємодіють між собою, то вони можуть, унаслідок анігіляції чи розпаду, виробляти нейтрино. Ці нейтрино можуть бути видимі в детекторі ГК як надлишок нейтрино з напряму великих гравітаційних потенціалів, як-от галактичний центр, Сонце або Земля, над ізотропним нейтринним атмосферним фоном.
Опис експерименту
Експеримент Гіпер-Каміоканде складається з , ближніх детекторів, проміжного детектора та далекого детектора (також званого Гіпер-Каміоканде). Всі перелічені вище елементи слугуватимуть для вивчення нейтринних осциляцій у прискорювачі. Далекий детектор також використовуватимуть для пошуку розпаду протона та вивчення нейтрино із природних джерел. Перед запуском експерименту ГК експеримент T2K завершить збирання даних, і в експеримент ГК увійдуть пучок нейтрино і ближні детектори, а проміжний і далекий детектори буе побудовано заново.
Пучок нейтрино Основна стаття: https://en.wikipedia.org/wiki/T2K_experiment#Neutrino_beam
Основна стаття: https://en.wikipedia.org/wiki/T2K_experiment#Beam_upgrade
Ближні детектори Основна стаття: https://en.wikipedia.org/wiki/T2K_experiment#Near_detectors
Основна стаття: https://en.wikipedia.org/wiki/T2K_experiment#ND280_Upgrade
Проміжний черенковський водний детектор Проміжний водяний черенковський детектор (IWCD) буде розташовано на відстані близько 750 м (2460 футів) від місця виробництва нейтрино. Це буде заповнений водою циліндр діаметром 10 м (33 фути) і висотою 50 м (160 футів) із конструкцією висотою 10 м (33 фути), оснащеною приблизно 400 модулями multi-PMT (mPMT), кожен із яких складається з дев'ятнадцяти фотоелектронних помножувачів (ФЕП) діаметром 8 см (3,1 дюйма), уміщених у водонепроникний корпус. Конструкція переміщатиметься у вертикальному напрямку за допомогою крана, забезпечуючи вимірювання взаємодії нейтрино під різними кутами до центру пучка нейтрино, від 1° внизу до 4° угорі, що відповідає різним спектрам енергії нейтрино. Комбінуючи результати, отримані під різними кутами, можна отримати результати майже моноенергетичного спектра нейтрино, не покладаючись на теоретичні моделі взаємодії нейтрино для відновлення енергії нейтрино. Використання детектора того ж типу, що й далекий детектор, із майже таким самим кутовим та імпульсним аксептансом, дає змогу порівнювати результати цих двох детекторів, не покладаючись на моделювання відгуку детектора. Ці два факти, незалежність від моделей взаємодії нейтрино та відгуку детектора, дадуть змогу ГК мінімізувати систематичну похибку в аналізі осциляцій. Додатковими перевагами такої конструкції детектора є можливість пошуку осциляцій стерильних нейтрино для різних кутів нахилу осі та отримання чистішої вибірки електронно-нейтринних взаємодій, частка яких більша за більших кутів нахилу осі.
Далекий детектор Гіпер-Каміоканде
Детектор Гіпер-Каміоканде побудують на висоті 650 м (2130 футів) під вершиною гори Нідзюуго в шахті Точибора, за 8 км (5 миль) на південь від детектора Супер-Каміоканде (СК). Обидва детектори перебуватимуть під однаковим кутом (2,5°) до центру пучка нейтрино і на однаковій відстані (295 км (183 милі)) від місця виробництва пучка в J-PARC.