Hyper-Kamiokande
Hyper-Kamiokande — преемник Super-Kamiokande, который строится сейчас в префектуре Гифу в Японии. С примерно 258 000 тоннами воды он станет крупнейшим детектором своего типа — примерно восьмикратным по отношению к предшественнику.
Устройство
Принцип остаётся тем же, что лежал в основе Нобелевской премии 2015 года. Большой бак с очень чистой водой стоит глубоко под горой. Если нейтрино попадает в электрон или в атомное ядро, возникает заряженная частица, движущаяся в воде быстрее, чем свет в этой среде. При этом она тянет за собой световой конус — черенковское излучение, — который рисует на стенке бака кольцо.
Из положения кольца следует направление, из его яркости — энергия, из его резкости — сорт частицы.
Бак имеет около 68 метров в диаметре и 71 метр в высоту. Он лежит примерно в 600 метрах под горой Нидзюго, в нескольких километрах от прежней площадки.
Не только больше
Выигрыш состоит не в одном лишь объёме. Новые световые датчики достигают примерно двойной чувствительности обнаружения по сравнению с прежними трубками и заметно лучшего временно́го разрешения.
То и другое вместе означает: не только больше событий, но и более отчётливые. Восстановление события становится точнее, различение электрона и мюона — надёжнее, а и то и другое решающе для главного вопроса.
Главный вопрос: нарушение CP
Как уже и в T2K, детектор будет мишенью нейтринного пучка из ускорительного центра J-PARC в Токае, на расстоянии 295 километров. Мощность пучка должна вырасти до 1,3 мегаватта.
Вопрос звучит так: ведут ли себя нейтрино и антинейтрино по-разному?
За этим стоит один из величайших открытых вопросов вообще. При Большом взрыве материя и антиматерия должны были возникнуть в равном количестве и без остатка уничтожить друг друга. То, что материя существует — а с ней звёзды, планеты и мы, — требует асимметрии. В кварковом секторе такая известна, но её далеко не достаточно.
Лептонный сектор — следующее место, где ищут. T2K дал в 2020 году первые указания; Hyper-Kamiokande должен решить вопрос с пятикратной значимостью.
Что детектор будет делать ещё
Сверхновые. При взрыве звезды в нашей Галактике коллаборация ожидает несколько десятков тысяч событий в течение секунд. Для сравнения: SN 1987A дала во всём мире в общей сложности 24. Из такого объёма данных коллапс ядра звезды можно было бы проследить почти кинематографически — секунда за секундой, с энергиями и направлениями.
Возможным станет, кроме того, поиск диффузного фона нейтрино от сверхновых — суммы всех звёздных взрывов в истории Вселенной. Это был бы взгляд на звездообразование на протяжении миллиардов лет.
Распад протона. Вопрос, с которого некогда начинались детекторы в Камиоке, остаётся открытым. Hyper-Kamiokande должен поднять нижнюю границу времени жизни протона примерно на порядок величины.
Атмосферные и солнечные нейтрино. Детектор работает и без пучка, измеряя атмосферные нейтрино, а также солнечные нейтрино с большой статистикой. По прохождению сквозь Землю можно дополнительно ограничить порядок масс нейтрино.
Два пути к одной цели
Hyper-Kamiokande и DUNE подступаются к одним и тем же вопросам с разной техникой: вода против жидкого аргона, 295 против 1 300 километров базы.
Это не состязание, а хорошая практика. У обеих схем разные систематические слабости: одна чувствительнее к эффекту MSW при прохождении сквозь земную кору, другая видит события подробнее. Если они придут к одному и тому же результату, он будет надёжным.
Состояние
Выемка каверны началась в 2021 году. По нынешнему плану работа должна начаться ближе к концу этого десятилетия. Участвуют несколько сотен исследователей из более чем двадцати стран.
Связанные понятия
- Super-Kamiokande — предшественник
- DUNE — американский аналог
- T2K — пучок из Токая
- Такааки Кадзита — Нобелевская премия за детектор-предшественник
Источники
- Коллаборация Hyper-Kamiokande: Hyper-Kamiokande Design Report, arXiv:1805.04163 (2018).