Горизонты научного поиска

Эксперимент T2K вступает в новую фазу

В ноябре 2023 года на ускорителе J-PARC в Японии в рамках эксперимента T2K успешно возобновлен набор данных с использованием улучшенного нейтринного пучка и новых детекторов нейтрино. Произошло это благодаря слаженной работе большого коллектива физиков и инженеров, при активном участии сотрудников Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ.

В научном центре J-PARC были модернизированы ускорительный комплекс и канал нейтринного пучка для увеличения его мощности. Также было существенно обновлено оборудование для формирования пучка нейтрино. Благодаря этому стабильная эксплуатация нейтринного пучка была достигнута при рекордно высокой интенсивности (около 710 кВт), что примерно на 40% больше, чем до модернизации. В частности, ток, подаваемый на импульсные электромагниты, которые используются для фокусировки заряженных частиц в распадный канал, был увеличен с 250 до 320 кА. Это позволило дополнительно повысить интенсивность нейтринного пучка еще на 10%. Кроме того, в ближнем детекторе ND280 эксперимента T2K были установлены новые детекторы, которые позволяют исследовать нейтринные взаимодействия с еще большей точностью, чем ранее.

В новое детекторное оборудование входят:

• детектор SuperFGD, который используется как активная мишень и позволяет восстанавливать треки вокруг точки взаимодействия нейтрино;
• время-проекционная камера High-Angle TPC, которая измеряет импульсы заряженных частиц, испускаемых под большими углами в нейтрино-ядерных взаимодействиях;
• времяпролетные детекторы, которые могут определять направление движения и тип частиц.

Первые события - кандидаты на нейтринные взаимодействия были успешно зарегистрированы во время технического сеанса для запуска новых детекторов после начала эксплуатации обновленного нейтринного пучка.

Необходимо подчеркнуть, что детектор SuperFGD разрабатывался и изготавливался в России. Основными организациями-участниками этой работы были ИЯИ, ОИЯИ и ФИАН. Группа физиков и инженеров ЛЯП внесла важный вклад в создание этого нового типа мишени для нейтринных взаимодействий. Как отметил наш коллега профессор Ю.Г.Куденко (ИЯИ), регистрация первых событий знаменует рождение нового уникального нейтринного детектора SuperFGD.

В 2020 году коллаборация T2K опубликовала первое в истории самое сильное ограничение на параметр, который управляет нарушением симметрии между материей и антиматерией в лептонном секторе, в том числе и в нейтринных осцилляциях (так называемая фаза δ_CP). Благодаря внедрению новых технологий и усовершенствованиям эксперимента T2K он продолжит оставаться в авангарде исследований в области глубокого изучения свойств нейтрино и раскрытия тайны исчезновения антиматерии во Вселенной. Эти достижения позволят ученым получать более точные и надежные данные, что, в свою очередь, повысит качество полученных результатов и позволит продвинуть границы нашего знания об элементарных частицах и их роли в формировании нашего мира.

Цель эксперимента

Новая конфигурация ближнего детектора ND280

В эксперименте T2K [1] по исследованию нейтринных осцилляций (*1) используется пучок нейтрино от протонного ускорителя J-PARC в Токаи (префектура Ибараки) и два набора детекторов: комплекс ближних детекторов INGRID+ND280, расположенный на расстоянии 280 метров от мишени, и дальний детектор Super-Kamiokande в обсерватории Камиока (префектура Гифу), расположенный на расстоянии около 300 км. Измерения были начаты в 2010 году. В 2013 году впервые в мире в пучке мюонных нейтрино были напрямую обнаружены электронные нейтрино [2]. В 2014 году были начаты измерения с использованием пучка антинейтрино для проверки нарушения CP-симметрии в лептонном секторе (*2). В 2020 году были опубликованы важные результаты, которые позволили впервые установить сильные ограничения на возможные значения фазы δ_CP (*3) [3]. Для получения доказательства нарушения CP-симметрии в лептонном секторе необходима дальнейшая проверка, чтобы с высокой степенью достоверности исключить значения δ_CP 0 и ±180 градусов из возможного диапазона значений фазы δ_CP. Однако для такого подтверждения необходимо продолжить набор статистики с пучками нейтрино и антинейтрино, а также лучше понять свойства нейтрино-ядерных взаимодействий.

Для справки

(*1) Осцилляции нейтрино.
Это явление, предсказанное Бруно Понтекорво, при котором нейтрино одного типа в процессе своего движения периодически превращается в нейтрино другого типа. Экспериментальное открытие этого явления в конце XX века показало, что нейтрино обладают массой. За это открытие профессорам Takaaki Kajita и Arthur B.McDonald была присуждена Нобелевская премия по физике в 2015 году.

(*2) Нарушение CP-симметрии (зарядово-пространственной симметрии)
Символ C в CP-симметрии обозначает "преобразование C", которое меняет местами положительные и отрицательные электрические заряды, а P обозначает "преобразование P", которое меняет местами направления вверх-вниз, влево-вправо, вперед-назад по отношению к пространству, как если бы они были зеркальными отражениями. Когда одно и то же физическое явление происходит с одинаковой вероятностью при выполнении C-преобразования и "P-преобразования, это называется CP-симметрией. Если же оно не подчиняется CP-симметрии, то это называется нарушением CP-симметрии. Нарушение CP-симметрии является одним из условий, объясняющих тот факт, что в современной Вселенной преобладает материя, а не антиматерия. Однако наблюдаемое в кварковом секторе нарушение CP-симметрии настолько мало, что не может объяснить асимметрию между материей и антиматерией в современной Вселенной. Поэтому ожидается, что возможное наблюдение нарушения CP-симметрии в лептонном секторе позволит приблизиться к разгадке этой тайны.

(*3) Фаза δ_CP
Фаза δ_CP - это фундаментальный параметр слабого взаимодействия между элементарными частицами, введенный изначально для объяснения нарушения CP-симметрии в кварковом секторе. Фаза δ_CP может принимать значения от -180 до 180 градусов. В лептонном секторе, в том числе и для нейтрино, значения фазы δ_CP до недавнего времени были совершенно неизвестны. Эксперимент T2K в 2020 году исключил почти половину диапазона возможных значений фазы δ_CP с уровнем достоверности 99,7% (3 сигма).

Вторая фаза эксперимента

Международный эксперимент T2K, в котором участвуют около 570 сотрудников из 78 исследовательских институтов в 14 странах, запустил вторую фазу эксперимента с использованием улучшенного нейтринного пучка и модернизированного ближнего магнитного детектора ND280. Пучок нейтрино образуется от распадов пионов и каонов, которые рождаются при взаимодействии протонов с энергией 30 ГэВ от ускорителя J-PARC с углеродной мишенью. Для точного вычисления спектров и потоков нейтрино и антинейтрино в эксперименте T2K используются прецизионные измерения выходов адронов в протон-углеродных взаимодействиях при энергии 30 ГэВ, полученные при активном участии сотрудников ЛЯП ОИЯИ в эксперименте NA61/SHINE на ускорителе SPS (ЦЕРН). За последние годы была проделана важная работа по модернизации главного ускорителя J-PARC, включая источники питания для электромагнитов, что позволило уменьшить длительность цикла ускорения пучка протонов с 2,48 секунды до 1,36 секунды. Благодаря этому удалось существенно увеличить число сброшенных на мишень протонов для производства более интенсивного нейтринного пучка.

Обновленное оборудование для создания нейтринного пучка

Сотрудники группы пучка T2K также модернизировали и заменили оборудование для формирования нейтринного пучка, включая углеродную мишень, фокусирующие электромагниты и мониторы пучка. Ввод в эксплуатацию новой конфигурации нейтринного канала начался в ноябре 2023 года. Стабильная работа нейтринного пучка была успешно достигнута при рекордно высокой интенсивности (около 710 кВт), что примерно на 40% больше, чем до модернизации. Кроме того, в фокусирующих электромагнитах (рис. ниже) - ключевом оборудовании для формирования пучка нейтрино - ток, подаваемый на три электромагнита, был увеличен с 250 до 320 кА за счет модернизации источника питания и других компонентов. Это повысило эффективность фокусировки в распадный канал родительских частиц, таких как заряженные пионы и каоны, образующихся в мишени. В результате улучшилось качество нейтринного пучка и увеличилось количество наблюдаемых взаимодействий нейтрино примерно на 10%.

Новая конфигурация электромагнита для фокусировки заряженных частиц в распадный канал с улучшенной системой охлаждения для создания более интенсивного нейтринного пучка

Кроме того, коллаборация T2K начала наблюдения с использованием модернизированного ближнего детектора, расположенного на расстоянии 280 м от мишени. К октябрю 2023 года были установлены три новых типа детекторов. Уникальный детектор SuperFGD с массой около двух тонн чувствительного объема расположен в центре модернизированных детекторов. Он имеет инновационную структуру, состоящую из примерно двух миллионов кубиков из пластикового сцинтиллятора объемом 1 см³ с отверстиями. Благодаря использованию примерно 56 000 оптических волокон, пронизывающих кубики в трех направлениях, и фотодетекторов на концах волокон, заряженные частицы можно наблюдать с высоким пространственным разрешением в трех проекциях и реконструировать даже короткие треки.

Этапы сборки активной мишени детектора SuperFGD в научно-исследовательском центре J-PARC

Новая время-проекционная камера HA-TPC позволяет точно измерять импульсы заряженных частиц, рождающихся в нейтринных взаимодействиях в SuperFGD, которые испускаются под большими углами относительно направления нейтринного пучка. Наконец, окружающие всю эту конструкцию детекторы - это детекторы по времени пролета. Они используются для определения направления движения частиц и их идентификации. Участники коллаборации T2K установили все эти новые детекторы осенью 2023 года и сразу приступили к их техническому запуску. После начала набора данных с модернизированным нейтринным пучком в декабре 2023 года мы смогли наблюдать первые события - кандидаты на нейтринные взаимодействия. Следующий сеанс набора данных на ускорителе J-PARC запланирован на февраль-март 2024 года.

Перспективы

Благодаря этим усовершенствованиям эксперимент T2K вступает в новую фазу с улучшенным нейтринным пучком и новыми детекторами. Ускоритель J-PARC и нейтринная экспериментальная установка находятся в процессе модернизации, которая в итоге позволит увеличить мощность пучка до 1,3 МВт (1300 кВт). Благодаря обновленному оборудованию для получения нейтринного пучка, такому как электромагниты с улучшенной эффективностью фокусировки, станет возможным наблюдать примерно в три раза больше нейтринных взаимодействий за единицу времени, чем раньше, и уменьшить ошибку, возникающую из-за статистических неопределенностей. Кроме того, новый ближний детектор позволит более детально исследовать нейтрино-ядерные взаимодействия с рождением частиц под большими углами, что было невозможно при использовании прежней конфигурации детектора ND280. Это позволит лучше понять свойства нейтрино-ядерных взаимодействий и, следовательно, уменьшить систематические ошибки.

Новые детекторы SuperFGD и HA-TPC внутри магнита ND280

Зарегистрированное событие - кандидат на нейтринное взаимодействие в модернизированном детекторе

Кроме того, также улучшены характеристики детектора Super-Kamiokande, существенно увеличена эффективность регистрации нейтронов за счет растворения гадолиния в водяном эффективном объеме. Эксперимент T2K значительно повысит чувствительность измерений: благодаря всем этим усовершенствованиям можно будет более точно исследовать различия в поведении нейтрино и антинейтрино. Ожидается, что высокоинтенсивный протонный ускоритель J-PARC и нейтринная экспериментальная установка, которая состоит из нейтринного канала и комплекса ближних детекторов, будут играть ключевую роль в следующем поколении нейтринных исследований.

Новая фаза эксперимента T2K является важным шагом на пути к следующему поколению нейтринных экспериментов, таких как проект Hyper-Kamiokande [4] в Японии. Модернизированный ближний детектор ND280 будет одним из трех основных элементов в новом проекте Hyper-Kamiokande: нейтринный канал, ближний нейтринный детектор и новый дальний водный черенковский детектор, эффективный объем которого в восемь раз превышает объем действующего детектора Super-Kamiokande и строительство которого уже началось. Планируется, что эксперимент Hyper-Kamiokande начнет набор статистики в 2027 году, и, как ожидается, продолжит лидировать в мире в области научных исследований по физике нейтрино, приближая нас к раскрытию тайны исчезновения антиматерии в наблюдаемой Вселенной.

Предыдущие публикации можно посмотреть в №29 (26 июля 2013 г.) и №12 (17 апреля 2020 г.) еженедельника ОИЯИ.

Б.А.Попов, Ю.И.Давыдов,
участники эксперимента T2K

[1] The T2K Experiment, T2K Collaboration, K.Abe et al., Nucl.Instrum.Meth.A 659 (2011) 106-135; 1106.1238 [physics.ins-det]

[2] Observation of Electron Neutrino Appearance in a Muon Neutrino Beam, T2K Collaboration, K.Abe et al., Phys.Rev.Lett. 112 (2014) 061802; 1311.4750 [hep-ex] http://jinrmag.jinr.ru/win/2013/29/ko29.htm

[3] Constraint on the matter-antimatter symmetry-violating phase in neutrino oscillations, T2K Collaboration, K.Abe et al., Nature 580 (2020) 7803, 339-344 http://jinrmag.jinr.ru/2020/12/tk12.htm

[4] Hyper-Kamiokande Design Report, Hyper-Kamiokande Collaboration, K.Abe et al., 1805.04163 [physics.ins-det]