Гипер-Камиоканде

Гипер-Камиоканде (Hyper-Kamiokande) — это крупномасштабный нейтринный эксперимент, который является следующим поколением детектора после Супер-Камиоканде (Super-Kamiokande). Он разрабатывается международной коллаборацией ученых, включая Японию, США, Канаду, европейские страны и другие, с целью изучения фундаментальных свойств нейтринов, а также наблюдения астрофизических явлений и поиска редких процессов, таких как распад протона.

 

История и контекст

Гипер-Камиоканде — это эволюция предыдущих экспериментов, таких как Kamiokande и Super-Kamiokande, которые внесли значительный вклад в физику нейтринов. Kamiokande в 1980-х годах впервые подтвердил существование солнечных нейтринов и нейтринов от сверхновой SN1987A, а Super-Kamiokande, запущенный в 1996 году, доказал явление нейтринных осцилляций, за что в 2015 году была вручена Нобелевская премия по физике (Такааки Кадзита и Артур Макдональд).

Гипер-Камиоканде был предложен в начале 2010-х годов как более мощный инструмент для углубленного изучения нейтринной физики. Проект получил официальное одобрение правительства Японии в 2020 году, и строительство началось с расчетом на запуск эксперимента в 2027–2028 годах.

 

Конструкция и технические характеристики

Гипер-Камиоканде представляет собой водный черенковский детектор, расположенный глубоко под землей, чтобы минимизировать влияние космических лучей. Основные характеристики:

• Расположение: Детектор будет построен в шахте Камиока, префектура Гифу, Япония, на глубине около 650 метров под горой Икенояма, примерно в 8 км от места, где находится Super-Kamiokande.
• Размеры и объем:
  • Резервуар цилиндрической формы диаметром 71 м и высотой 74 м.
  • Общий объем воды: около 260 000 тонн (из них 190 000 тонн — активный объем для детектирования).
  • Это в 5 раз больше, чем у Super-Kamiokande (50 000 тонн).
• Фотоумножители (ФЭУ):
  • Около 40 000 высокочувствительных фотоумножителей (диаметром 50 см) для регистрации черенковского излучения, возникающего при прохождении заряженных частиц через воду.
  • Дополнительно около 5 000 ФЭУ меньшего размера для повышения разрешения и эффективности.
  • Усовершенствованные ФЭУ имеют более высокую квантовую эффективность (до 30% по сравнению с 20% у Super-Kamiokande).
• Чистота воды: Вода в детекторе будет сверхчистой, с минимальным содержанием примесей, чтобы обеспечить максимальную прозрачность для света черенковского излучения.
• Экранирование: Толстый слой горной породы вокруг детектора защищает от космических лучей, а дополнительные системы подавляют фоновое излучение.

 

Принцип работы

Гипер-Камиоканде использует метод черенковского детектирования. Когда нейтрино взаимодействует с ядрами атомов воды, образуются заряженные частицы (например, электроны или мюоны), которые движутся быстрее света в воде (но не в вакууме). Это вызывает излучение черенковского света в виде конуса. Фотоумножители регистрируют этот свет, а анализ его интенсивности, направления и времени позволяет определить тип частицы, ее энергию и направление.

Основные типы взаимодействий:

• Заряженный ток (CC): Нейтрино превращается в лептон (электрон, мюон или тау), который вызывает черенковское излучение.
• Нейтральный ток (NC): Нейтрино передает энергию ядру, вызывая испускание других частиц.
• Электронное рассеяние: Нейтрино рассеивается на электроне, передавая ему энергию.

 

Научные цели

Гипер-Камиоканде имеет широкий спектр научных задач, охватывающих физику элементарных частиц, астрофизику и космологию. Основные направления:

1. Нейтринные осцилляции

• Измерение параметров осцилляций:
  • Гипер-Камиоканде будет изучать осцилляции нейтринов (переход между электронными, мюонными и тау-нейтринами) с высокой точностью.
  • Основной фокус — определение углов смешивания (θ12, θ23, θ13) и разности квадратов масс (Δm²).
• Нарушение CP-инвариантности:
  • Одной из главных целей является поиск CP-нарушения в нейтринном секторе, то есть различий в поведении нейтринов и антинейтринов.
  • Это может дать ключ к объяснению барионной асимметрии Вселенной (почему материи больше, чем антиматерии).
  • Для этого будут использоваться нейтринные пучки из ускорителя J-PARC (Токай, 295 км от детектора), где создаются мюонные нейтрино и антинейтрино.
• Иерархия масс:
  • Определение порядка масс нейтринных состояний (нормальная или инвертированная иерархия).
  • Это критически важно для построения полной теории нейтринной физики.

2. Распад протона

• Гипер-Камиоканде будет искать признаки распада протона, предсказанного теориями великого объединения (GUT) и некоторыми моделями суперсимметрии.
• Основные каналы распада, которые будут изучаться: $p\to e^{+}{\pi }^0$ и $p\to \bar{\nu }{K}^{+}$.
• Ожидаемая чувствительность: нижний предел времени жизни протона > $10^{35}$ лет, что на порядок выше текущих ограничений от Super-Kamiokande.

3. Астрофизические нейтрино

• Солнечные нейтрино:
  • Изучение нейтрино от ядерных реакций в Солнце для проверки моделей солнечной активности.
  • Гипер-Камиоканде сможет регистрировать нейтрино с энергиями от 3 МэВ (по сравнению с 5 МэВ у Super-Kamiokande).
• Нейтрино от сверхновых:
  • Детектор будет наблюдать нейтринные вспышки от взрывов сверхновых в нашей галактике и соседних галактиках.
  • Ожидается регистрация тысяч событий от сверхновой на расстоянии 10 кпк (как в центре Млечного Пути).
  • Это позволит изучить физику коллапса звезд и нейтринные процессы.
• Космические нейтрино:
  • Поиск реликтовых нейтрино из ранней Вселенной.
  • Изучение высокоэнергичных нейтрино от астрофизических источников, таких как гамма-всплески и активные ядра галактик.

4. Атмосферные нейтрино

• Атмосферные нейтрино, образующиеся при взаимодействии космических лучей с атмосферой Земли, предоставляют естественный источник для изучения осцилляций.
• Гипер-Камиоканде сможет собирать данные с высокой статистикой благодаря большому объему детектора.

 

Экспериментальная программа

Гипер-Камиоканде будет работать в нескольких режимах:

• Пучковый эксперимент:
  • Использование нейтринного пучка от ускорителя J-PARC (эксперимент T2HK — Tokai-to-Hyper-Kamiokande).
  • Пучок проходит 295 км под землей, что оптимально для наблюдения осцилляций мюонных нейтрино в электронные.
  • Ближний детектор (ND280 и новый промежуточный детектор) будет измерять характеристики пучка до осцилляций.
• Атмосферный режим:
  • Сбор данных от атмосферных нейтрино без использования пучка.
• Астрофизический режим:
  • Постоянный мониторинг нейтрино от Солнца, сверхновых и других источников.

 

Инновации и улучшения по сравнению с Super-Kamiokande

• Масштаб: В 5 раз больший объем позволяет собирать больше событий, улучшая статистическую точность.
• Чувствительность: Новые фотоумножители и электроника повышают разрешение и снижают порог детектирования.
• Дополнительный детектор: Планируется второй детектор в Южной Корее (на расстоянии ~1100 км от J-PARC) для изучения осцилляций на большей базовой линии (проект T2HKK). Это улучшит измерение CP-нарушения.
• Снижение фона: Улучшенные алгоритмы анализа данных и более совершенные системы фильтрации фона.

 

Ожидаемые результаты

• CP-нарушение: Ожидается чувствительность к CP-нарушению на уровне 3σ через 10 лет работы при определенных значениях параметра δCP.
• Иерархия масс: Определение иерархии с вероятностью >90% для большинства сценариев.
• Распад протона: Установление новых пределов времени жизни протона, что либо подтвердит, либо опровергнет некоторые GUT-модели.
• Астрофизика: Углубленное понимание процессов в сверхновых, солнечной активности и космологических явлений.
• Новые физические явления: Возможное открытие стерильных нейтрино, нестандартных взаимодействий или других эффектов за пределами Стандартной модели.

 

Финансирование и международное сотрудничество

• Основной вклад в финансирование вносит Япония через Министерство образования, культуры, спорта, науки и технологий (MEXT).
• Дополнительное финансирование предоставляют страны-участники, включая США, Канаду, Францию, Италию, Швейцарию, Польшу и другие.
• Коллаборация включает более 500 ученых из 20 стран (по состоянию на 2023 год).
• Стоимость проекта оценивается в ~600–800 млн долларов США, включая строительство и 10 лет эксплуатации.

 

Хронология и статус проекта

• 2011–2018: Разработка концепции и технического дизайна.
• 2020: Официальное одобрение проекта правительством Японии.
• 2021–2024: Начало строительства шахты и инфраструктуры.
• 2027–2028: Планируемый запуск детектора.
• 2030-е годы: Получение первых значимых результатов.

 

Значение для науки

Гипер-Камиоканде имеет потенциал стать ключевым экспериментом в физике XXI века. Его результаты могут:

• Пролить свет на фундаментальные вопросы о природе нейтринов и их роли во Вселенной.
• Подтвердить или опровергнуть теории великого объединения.
• Дать новые данные о формировании и эволюции звезд.
• Помочь понять, почему Вселенная состоит преимущественно из материи.

 

Связанные проекты

• DUNE (США): Конкурирующий эксперимент по изучению нейтринных осцилляций с использованием жидкого аргона.
• JUNO (Китай): Эксперимент для измерения параметров осцилляций с реакторными нейтрино.
• IceCube (Антарктида): Детектор для высокоэнергичных нейтрино, дополняющий астрофизические исследования.