T2K実験

T2K（「東海から神岡へ」）は、加速器ニュートリノの振動を研究する素粒子物理学実験です。この実験は、ヨーロッパ、アジア、北米のいくつかの国から60を超える研究機関と約500人の物理学者とエンジニアの国際協力により日本で実施されており^{[1] 、} CERNの公認実験（RE13）です。^{[2] [3]} T2Kは、2010年から2021年までの第1フェーズの運用でデータを収集しました。第2フェーズのデータ​​収集（T2K-II）は2023年に開始され、T2Kの後継であるハイパーカミオカンデ実験が2027年に開始されるまで続く予定です。^{[4] : 12、20}

T2K実験は、ミューニュートリノビーム中に電子ニュートリノが出現することを観測した最初の実験でした。^{[5]また、振動パラメータ}θ ₂₃の測定でも世界最高値を示しました。^[6]ニュートリノ振動における物質と反物質の大きな非対称性のヒントも得られました。 ^{[7] [8]ニュートリノと反ニュートリノの振動の非対称性の測定は、}物質が支配的な宇宙の存在の説明に近づく可能性があります。^{[9] [10]}

強力なミューニュートリノビームは、日本東海岸の東海村にあるJ-PARC施設（大強度陽子加速器施設）で生成されます。ビームは、295キロメートル（183マイル）離れた岐阜県飛騨市にあるスーパーカミオカンデ後置検出器に向けられます。ニュートリノフラックスの特性と組成は、まずJ-PARCサイトのビーム生成場所から280メートル（920フィート）離れた場所にある前置検出器システムで測定され、次にスーパーカミオカンデ検出器で再度測定されます。これら2つの場所で異なるフレーバーのニュートリノの内容を比較することで、前置検出器と遠置検出器の間の途中での振動確率を測定できます。スーパーカミオカンデは、ミューニュートリノと電子ニュートリノの両方の相互作用を検出できるため、ビーム内でのミューニュートリノフラックスの消失と電子ニュートリノの出現を測定できます。^[11]

T2K実験は2003年に以下の測定目標を掲げて提案された。^[11]

• の発見
  ν
  _μ→
  ν
  _e 振動、そして最後の未知の混合角θ13がゼロではないことが確認されまし_た。
• 振動パラメータΔmの正確な測定²
  ₂₃およびミューニュートリノ消失研究によるθ _{23 。}
• 中性カレントニュートリノ相互作用の欠損として観測される可能性のあるステライルニュートリノ振動の探索。
• 数 GeV のエネルギー範囲における、さまざまな種類のニュートリノとターゲットのさまざまな相互作用断面積の測定。

2010 年にデータ収集が開始されて以来、T2K 実験は次のような世界クラスの成果を次々と提供することに成功しました。

• ミューニュートリノビーム中の電子ニュートリノの出現の確認（
  ν
  _μ→
  ν
  _eこれは、あるフレーバーで生成されたニュートリノが別のフレーバーでも明示的に観測された初めての例であった。^{[5] [12]}
• θ23パラメータの最も正確な測定値。_[ ^6]
• 近距離ND280 ^[13]および遠距離スーパーカミオカンデ^{[14]検出器の研究に基づく}ステライルニュートリノ振動パラメータの制限。
• 電子^{[15] [16]}およびミューニュートリノと反ニュートリノの様々な断面積測定。これには、包括荷電カレント（CC）相互作用^[17] 、パイオンなしのCC相互作用^{[18] [19] [20]}および最終状態に単一のパイオンがあるCC相互作用^[21]、コヒーレントパイオン生成^{[22] 、中性}カレント相互作用^{[23]など、}炭素、水、鉄などのさまざまなターゲットに対するものが含まれます。^[24]
• ニュートリノ振動における_物質-反物質非対称性の原因となるδCPパラメータに対する最初の重要な制約。 ^[8]

δ _{CP は}- πからπ (すなわち -180° から 180°)までの値を取り、ニュートリノの振動と反ニュートリノの振動を比較することによって測定できます。 δ _{CP が}0 または ± πに等しい場合、 CP 対称性は保存されるため、ニュートリノと反ニュートリノの振動確率は同じになります。 T2K はδ _CPに対して初めてかつ最も強い制約を与え、3σ (99.7%) の有意水準でほぼ半分の可能な値を棄却し、95% の有意水準で両方の CP 保存点を除外し、ニュートリノセクターで CP 対称性の破れが大きい可能性があることを強く示唆しました。 CP 対称性の破れは、ロシアの物理学者アンドレイ・サハロフによって提唱された条件の 1 つであり、現在の物質でできた宇宙を形成している初期宇宙で物質が反物質に対して過剰になるために必要です。クォークセクションのCP対称性の破れは1964年にすでに確認されているが^[25]、観測された物質・反物質の不均衡を説明するには小さすぎる。ニュートリノセクターの強いCP対称性の破れは、レプトン生成と呼ばれるプロセスを通じて物質の過剰生成につながる可能性があり、したがってそのような測定は宇宙がどのように形成されたかを理解するための重要なステップとなるだろう。^{[8] [26] [27]}

NOvA実験は_{、ニュートリノ振動実験}のもう一つの実験であり、
ν
_μ→
ν
_eそして
ν
_μ→
ν
_e振動チャネル。NOvAは米国で実施され、フェルミ国立加速器研究所のビーム生成場所とミネソタ州アッシュリバーの後置検出器の間の810kmの距離で加速器ニュートリノ振動を測定します。NOvAはT2Kの結果とわずかに矛盾する、 δCPの測定精度が低いものでした。T2Kのベストフィットポイントは、信頼水準₉₀％でNOvAが不利な領域にあります。両実験のデータのジョイントフィットを取得して、両者の整合性を定量化する作業が進行中です。^{[28] [29]}

T2Kの将来のアップグレードにより、Δmのより正確な測定が可能になると期待されている。²
₂₃およびθ ₂₃パラメータ、ニュートリノ相互作用の理解を深め、ニュートリノ生成器に使用される理論モデルを改善する断面積測定、δ _CP位相のさらなる制限、ニュートリノ振動におけるCP対称性が保存されているか破れているかの確認（T2K-II実験では3σ有意水準、ハイパーカミオカンデ実験では5σ有意水準）^{[30] [31]}

T2K は、 J-PARC施設で生成されたミューオンニュートリノまたはミューオン反ニュートリノビームを使用します。このビームは、3 つの加速器システムによって徐々に 30 GeV まで加速された陽子ビームを使用して生成されます。3 つの加速器システムでは、まず Linac 線形加速器によって 400 MeV のエネルギーまで加速され、次に RCS (ラピッドサイクルシンクロトロン) によって 3 GeV まで加速され、最後に MRシンクロトロン(メインリング) によって 30 GeV まで加速されます。陽子はグラファイトターゲットに衝突して中間子(主にパイ中間子とカオン) を生成します。これらの中間子は、3 つの磁気ホーンのセットによって収束され、崩壊体積と呼ばれるトンネルに導かれます。ホーンの極性に応じて、正または負の粒子が収束されます。正のパイ中間子とカオンは、主に
μ⁺
そして
ν
_μ、ミューオンニュートリノビームを形成し、負のパイ中間子とK中間子は主に
μ⁻
そして
ν
_μ、ミューオン反ニュートリノビームを形成する。残りのハドロンと荷電レプトンは75トンのグラファイトブロック（いわゆるビームダンプ）によって止められ、地中に閉じ込められるが、ニュートリノは地下を遠方検出器に向かって移動する。^[11]

T2Kは、オフアクシスニュートリノビームの概念が実現された最初の実験です。J-PARCのニュートリノビームは、スーパーカミオカンデ後置検出器と前置検出器の1つであるND280から2〜3度離れて向けられるように設計されています。ニュートリノの平均エネルギーは、ビーム軸からの偏差とともに減少します。オフアクシス角度は、後置検出器に対応する距離での振動の確率を最大化するために2.5°に選択されました。これは、約600MeVニュートリノの場合、295キロメートル（183マイル）で最大になります。このニュートリノエネルギー範囲では、ニュートリノ相互作用の主なタイプは荷電電流準弾性相互作用であり、この場合、相互作用するニュートリノのエネルギーは、生成された荷電レプトンの運動量と方向に基づいてのみ再構築できます。より高いニュートリノエネルギーはオフアクシス構成によって抑制され、中間子生成との相互作用の数が減少する。これはT2K実験における振動解析の背景となる。^{[11] [32]}

近接検出器複合体^[11]はグラファイトターゲットから280メートル（920フィート）の距離に設置されています。その目的は、振動前のニュートリノフラックスを測定し、ニュートリノ相互作用を研究することです。このシステムは3つの主要な検出器で構成されています。

• ニュートリノビームの軸上に配置されたINGRID検出器（インタラクティブニュートリノグリッド）
• ND280 検出器はビーム軸から 2.5° 離れた位置、つまり遠方検出器と同じ角度に配置されます。
• WAGASCI-BabyMIND（WAter Grid SCIntillator Detector – プロトタイプの磁化鉄ニュートリノ検出器）は、1.5°のオフ軸角度に配置された磁化ニュートリノ検出器であり、オフ軸角度によるエネルギースペクトルの変化と、より高い平均ニュートリノエネルギーでの断面積を調査するために構築されました。^{[33] [34]}

ND280の時間投影チャンバーを除いて、近接検出器の活性材料（粒子追跡を可能にする）はすべてプラスチック シンチレータです。プラスチックシンチレータバーとプレーン内を通過する荷電粒子によって生成された光は、波長シフト ファイバーによって収集され、ファイバーの片側または両端にある浜松ホトニクスのマルチピクセル光子カウンターによって検出されます。シンチレータバーは層状に構成されており、隣接する2つの層のバーは互いに垂直であり、通過する粒子に関する3D情報を一緒に提供します。^[11]

INGRID 検出器の主な目的は、ニュートリノ相互作用を直接検出することにより、ビームの方向と強度を毎日監視することです。INGRID 検出器は、十字形に配置された 16 個の同一モジュール (垂直アームに 7 個、水平アームに 7 個) と、十字形の外側にある 2 個のモジュールで構成されています。アームの高さと幅は 10 メートル (33 フィート) です。1 つのモジュールは、鉄とプラスチック シンチレータの交互の層で構成されています。さらに 4 層のシンチレータ veto ^{[注 1]}がモジュールの側面を囲み、外部から進入する粒子とモジュール内部の相互作用によって生成された粒子を区別します。1 つのモジュールに含まれる鉄の総質量は 7.1 トンで、モジュール重量の 96% を占めています。ニュートリノ ビーム軸上、垂直アームと水平アームの間の十字形の中央には、質量 0.55 トンのプラスチック シンチレータの層のみで構築された追加モジュール (陽子モジュール) があります。その目的は、準弾性相互作用を記録し、得られた結果をシミュレーションと比較することです。^[11]

ND280検出器は、遠方検出器と同じオフ軸角度で、フラックス、エネルギースペクトル、電子ニュートリノビーム汚染を測定するために使用されます。ND280は、さまざまな種類のミューオンおよび電子ニュートリノと反ニュートリノの相互作用も調査します。これらすべてにより、遠方検出器での相互作用の予想される数と種類を推定することができ、ニュートリノ相互作用とフラックスのモデルに関連するニュートリノ振動解析の系統的誤差を減らすことができます。^[11]

ND280は、バスケットと呼ばれる金属フレームの中に、パイゼロ検出器と2つの細粒度検出器と3つの時間投影チャンバーが交互に配置されたトラッカーからなる内部サブ検出器のセットで構成されています。バスケットは、電磁カロリメータと、0.2 Tの均一な水平磁場を生成するUA1実験からリサイクルされた磁石に囲まれており、サイドミューオンレンジ検出器を構成するシンチレータ面が装備されています。^[11]

パイゼロ（
π⁰
) 検出器 (P0D) には 40 枚のプラスチック製シンチレータ モジュール プレーンが含まれており、中央部分には水と厚い真鍮板を充填できる厚さ 2.8 cm のバッグが挟まれており、2 つの周辺領域ではシンチレータ モジュールが鉛板で挟まれています。バッグに水が入っている場合と入っていない場合のモード間の相互作用量を比較することで、後置検出器スーパーカミオカンデ内のターゲット物質である水上で発生するニュートリノ相互作用の数を抽出することができます。P0D の有効容積全体の大きさは約 2.1 m × 2.2 m × 2.4 m (X×Y×Z) で、質量は水が入っている場合と入っていない場合でそれぞれ 15.8 トンと 12.9 トンです。

Pi-Zero 検出器の主な目的は、水上での中性カレントニュートリノ相互作用 における中性パイ中間子生成の測定です。

ν
_μ+N →
ν
_μ+ ん' +
π⁰

この反応は電子ニュートリノの相互作用を模倣することができる。
π⁰
崩壊はスーパーカミオカンデ検出器で電子として誤って再構成される可能性があるため、この反応は電子ニュートリノ相互作用を模倣し、電子ニュートリノ出現測定の重要な背景を構成する可能性がある。^{[11] [35]}

3 つのタイム プロジェクション チャンバー(TPC) は、中央に陰極面があり、両側に陰極と平行に読み出し用のMicroMegasモジュールがある、気密性の高い長方形の箱です。TPC は、大気圧下でアルゴンベースのドリフト ガスで満たされています。TPC を横切る荷電粒子は、その軌道に沿ってガスをイオン化します。イオン化電子は陰極から TPC の側面にドリフトし、MicroMegas によって検出されて、通過する荷電粒子の経路の 3D 画像が提供されます。Y 座標と Z 座標は、MicroMegas モジュールで検出されたイオン化電子の位置に基づいており、X 座標は電子のドリフト時間に基づいています。磁場では、この経路の曲率によって粒子の電荷と運動量を決定でき、単位距離あたりのイオン化電子の量を使用して、ベテ・ブロッホの式に基づいて粒子を識別します。^{[11] [36]}

2 つの細粒検出器 (FGD) が、第 1 および第 2 TPC の後に配置されています。FGD と TPC が一緒になって ND280 のトラッカーを構成します。FGD はニュートリノ相互作用のアクティブターゲット質量を提供し、陽子反跳の短い飛跡を測定できます。第 1 FGD はシンチレータ層のみで構成され、第 2 FGD はシンチレータと水の交互層で構成されています。スーパーカミオカンデ検出器は水ベースであるため、第 2 FGD は部分的に水で構成されています。炭素と水の断面積は、2 つの FGD でのニュートリノ相互作用の比較から決定できます。^{[11] [37]}

電磁カロリメータ（ECal）は内部検出器（P0D、TPC、FGD）を取り囲み、鉛吸収シートで挟まれたシンチレータ層で構成されています。その役割は、中性粒子、特に光子を検出し、そのエネルギーと方向を測定するとともに、荷電粒子を検出してそれらの識別に関連する追加情報を提供することです。^{[11] [38]}

サイドミューオンレンジ検出器（SMRD）は、磁石の隙間に挿入されるシンチレータモジュールで構成されています。SMRDは、ビーム方向に対して大きな角度で検出器の内部から逃げるミューオンを記録します。残りの種類の粒子（ニュートリノを除く）は、ほとんどがカロリメータで停止します。SMRDは宇宙線のトリガーとしても機能します。最後に、周囲の壁と磁石自体でのビームの相互作用を識別するのに役立ちます。^{[11] [39]}

WAGASCI-BabyMINDは、ニュートリノ相互作用研究専用のINGRIDおよびND280検出器の隣に設置された新しい検出器です。2019/2020年の冬季実験中に、完全な検出器セットアップを使用して最初のニュートリノビームデータを提供しました。^{[33] [34]}

WAGASCI-BabyMIND は、いくつかのサブ検出器で構成されています。

• 2 つの新しい水シンチレータ検出器(WAGASCI、WAter-Grid-SCIntillator-Detector) は、主な水ターゲットおよび粒子追跡装置として機能します。シンチレータ バーの 3D グリッドのような構造により、水で満たされた中空の空洞が作成されます。

このような構造のおかげで、高い水対シンチレータ質量比（80％H ₂ O + 20％CH）が得られ、受容性は高く、あらゆる方向でほぼ一定です。^{[33] [34]}

• 1つの陽子モジュールはINGRID検出器と同じもので、普通のプラスチック シンチレータ（CH）バーで作られており、主なCHターゲットと粒子追跡装置として機能します。^{[33] [34]}
• 2台のWallMRD（壁ミューオン距離検出器）は、横向きのミューオンを検出するための非磁化ミューオン分光計です。これらは、受動的な鉄板と能動的なシンチレータ板が絡み合って作られています。 [ ^{33] [34]}
• BabyMIND（プロトタイプの磁化鉄ニュートリノ検出器）は、前方に向かうミューオンを検出するための磁化ミューオンスペクトロメータです。BabyMINDは、サンドイッチのように磁化されたフェライトモジュールと絡み合ったシンチレーションモジュールの独自の構成を備えています。モジュールは簡単に再配置でき、実験の特定のニーズに合わせて磁場を調整できます。磁場はフェライト内部のみに生成されるため、ND280のように周囲の空きスペースを磁化する必要がある磁石に比べて電力効率が非常に高くなります。ただし、磁場はミューオンの移動量全体で均一ではなく、これが運動量の再構築にまだ未解決の課題をもたらします。^[33]

検出器内の活性物質はすべてプラスチックシンチレータで構成されており、信号読み出しのセクションで説明したように読み取られます。^{[33] [34]}

WAGASCI-BabyMIND 検出器の主な目標は、T2K振動解析における系統的誤差の削減であり、これは ND280 検出器との相補性により達成されます。

• ND280（80% CH + 20% H ₂ O）とSK（純H _{2 O）のターゲット材料が異なるため、H 2} Oの断面積推定値をCHの断面積推定値から分離するには断面積モデルに頼らざるを得ない。WAGASCI水シンチレータモジュールの水の割合は80%であり、水（H ₂ O）とプラスチック（CH）の荷電電流ニュートリノ断面積比を3%の精度で測定することができる。^{[33] [34]}
• 新しい検出器は、高精度、低い運動量閾値、および全角度受容性を備えたさまざまな荷電電流ニュートリノ相互作用チャネルの測定を提供します。これにより、高角度で生成される粒子のフラックスおよび断面積モデルの不確実性が制限されます。これらの資産は、ニュートリノと2つの核子の境界状態との相互作用で生成される低運動量ハドロンの検出、またはニュートリノによって生成された粒子の標的核内での再相互作用を通じて生成される低運動量ハドロンの検出を容易にし、遠方検出器でのそのような相互作用のより優れたモデル化を可能にします。^{[33] [34]}
• ND280およびINGRID検出器と同じグラファイトターゲットから280メートルの距離に設置されているが、軸外角が1.5度異なるため、ニュートリノビームのエネルギースペクトルは、検出器に対応する軸外角ごとに異なるエネルギー付近でピークに達します。これらの検出器からの測定値を組み合わせることで、ニュートリノの断面積をエネルギーの関数としてより正確に制限することができます。^{[33] [34]}

スーパーカミオカンデ検出器は、飛騨市神岡地区の池ノ山の麓、茂住鉱山の地下1000メートルに位置しています。高さと直径が約40メートルのステンレス製の 円筒形のタンクで、5万トンの水が満たされ、約13,000個の光電子増倍管（PMT）が装備されています。この検出器は、水中を光よりも速く移動する荷電粒子から放出されるチェレンコフ光の円錐を検出します。その目的は、水中の荷電電流準弾性相互作用（CCQE）で生成されるミューオンと電子を測定することです。
ν
_μそして
ν
_e、それぞれである。比較的大きな質量のため、ミューオンは通常方向を変えず、そのため、PMT によって明瞭でシャープなリングとして観測されるチェレンコフ光の明確な円錐を生成する。対照的に、電子は質量が小さいため散乱を受けやすく、ほとんどの場合、PMT によってぼやけたエッジを持つリングとして観測される電磁シャワーを生成する。ニュートリノエネルギーは、CCQE 相互作用で生成された荷電レプトンの方向とエネルギーに基づいて計算される。このように、
ν
_μそして
ν
_eスペクトルが決定され、ミューニュートリノの消失と電子ニュートリノの出現に関連する振動パラメータの測定につながる。 ^{[11] [40]}

T2K実験は、1999年から2004年まで実行されたKEK-Kamioka ( K2K )実験の後継です。K2K実験では、ミューニュートリノの加速器ビームが筑波（日本）のKEK施設で生成され、 250 km離れた場所にあるスーパーカミオカンデ検出器に送られました。K2K実験の結果は、ミューニュートリノの消失を99.9985%（4.3 σ）の信頼水準で確認し、スーパーカミオカンデ検出器によって測定された大気ニュートリノの振動パラメータの以前の測定値と一致しました。^{[41] [42]}

ニュートリノビームラインの建設は2004年に始まり、2009年に無事に稼働しました。INGRID検出器全体とND280検出器の大部分（電磁カロリメータのバレル部分を除く）の建設は2009年に完了しました。カロリメータの不足部分は2010年秋に設置されました。T2K遠距離検出器は大型のスーパーカミオカンデ検出器で、1996年から稼働しており、陽子の寿命と大気、太陽、加速器ニュートリノの振動を研究しています。^[11]

T2K実験は、2010年1月に物理解析のためのニュートリノデータの取得を開始した。当初は不完全なND280検出器で取得し、2010年11月から完全なセットアップで開始した。データ収集は、 2011年3月の東北地方太平洋沖地震により1年間中断された。陽子ビーム出力、つまりニュートリノビーム強度は着実に増加し、2020年2月には515kWの出力と、標的上の蓄積陽子総数が3.6×10 ²¹陽子^[43]に達し、データの55%がニュートリノモード、45%が反ニュートリノモードであった。^{[4] : 12}

T2K実験は現在の形で2020年まで運用されました。2021年には、スーパーカミオカンデ後置検出器にガドリニウムを搭載した最初のデータランが行われました。 ^{[4] : 12} 2021年から2022年には、ニュートリノビームラインとND280前置検出器の大規模なアップグレードが行われます。2023年から2026年までは、T2K実験の第2フェーズ（T2K-II）でニュートリノデータが取得されます。^{[44] [30] 2027年には、T2K実験の後継であるハイパーカミオカンデ（HK）実験が、新しい25万トンの水}チェレンコフ後置検出器であるハイパーカミオカンデ検出器とともに開始されます。^{[4] : 20  [45] [46]} HK実験では、約2キロメートル（1.2マイル）の距離に追加の中間水チェレンコフ検出器を建設することも検討されている。^[46]

T2K実験のフェーズIIは2023年初頭に開始され、HK実験の開始に続いて2026年まで続く予定である。T2K-IIの物理目標は、振動パラメータθ ₂₃とΔ mの測定である。²
₂₃それぞれ1.7°と1%の精度でニュートリノセクターの物質-反物質非対称性を3σ以上のレベルで確認し、CP（物質-反物質）非対称性の原因となるパラメータであるδCPの真の値の広い範囲で確認_すること。これらの目標を達成するには、統計的および系統的誤差の削減が必要です。そのため、ビームラインとND280検出器の大幅なアップグレード、SK水へのガドリニウムのドーピングにより、
ν
/ 遠方検出器の識別、ソフトウェアと解析方法の改良が行われる予定である。^[30]

ビームアップグレード計画では、2021年にJ-PARCメインリング加速器を1年間停止し、その後HK実験の開始まで陽子 ビーム出力を徐々に増加させる必要がある。ビーム出力は2022年に750kWに達し、2029年までに1.3MWに増加する予定である。^[47]

2020年2月、陽子ビーム出力は、1パルスあたり2.7x10 ^{14 個}の陽子とパルス間2.48秒（いわゆる繰り返し周期）で515kWに達しました。750kWに到達するには、繰り返し周期を1.32秒に短縮し、1パルスあたり2.0x10 ^{14 個}の陽子にします。一方、1.3MWの場合は、繰り返し周期をさらに1.16秒に短縮し、1パルスあたりの陽子数を3.2x10 ¹⁴に増やす必要があります。一次陽子ビーム出力の増加に加えて、選択した電荷を持つ二次粒子（パイ中間子、カオンなど）を集束させるホーンの電流も250kAから320kAに増加します。これにより、正しい符号のニュートリノ（ニュートリノモードビーム中のニュートリノと反ニュートリノモードビーム中の反ニュートリノ）の量が10％増加し、間違った符号のニュートリノ（ニュートリノモードビーム中の反ニュートリノと反ニュートリノモードビーム中のニュートリノ）の量が約5〜10％減少します。^{[47] [48]}

繰り返し周期の短縮には、メインリング電源の大幅なアップグレードと集束ホーン電源のマイナーアップグレードを含む一連のハードウェアアップグレードが必要であり、これらはすべて2021年の長期停止期間中にインストールされる予定です。ホーン電流を増やすには、追加の（3番目の）ホーン電源を使用する必要があります。一方、陽子ビームの高出力化には、グラファイトターゲット、磁気ホーン、ビームダンプなどの二次ビームラインコンポーネントの冷却能力の向上と、より多くの照射済み冷却水の廃棄が必要になります。^{[47] [48]}

ND280検出器の現在の設計は、前進するレプトン（ミューオンと電子）の検出と再構成に最適化されていますが、相互作用するニュートリノの方向に対してほぼ垂直かつ後方に生成された粒子の再構成効率が低い、生成されたパイ中間子とノックアウトされた核子（陽子と中性子）の大部分を再構成するには運動量閾値が高すぎるなど、多くの制限もあります。ND280前置検出器で支配的な相互作用である荷電電流準弾性（CCQE）相互作用では、生成されたレプトンの運動学は、入射ニュートリノエネルギーの再構成に十分です。ただし、追加の粒子（パイ中間子、K中間子、核子）が失われた他のタイプのニュートリノ相互作用は、CCQEとして誤って再構成され、再構成されたニュートリノエネルギースペクトルにバイアスを導入する可能性があります。したがって、追加の粒子や核効果に対して感度を持つように検出器を最適化することが不可欠です。

これらの問題に対処するには、主に次の 3 つの対策を講じる必要があります。

• 検出器は、ニュートリノ相互作用の最終状態にある核子を効率的に検出する必要があります。そのためには、検出閾値を下げる必要があります。
• 高角度のトラックと後進トラックは適切に再構築する必要があります。これは、タイミング情報を使用して、角度許容度と後進トラックと前進トラックの識別効率を高めることによって実現されます。
• 最後に、ニュートリノ相互作用の速度を上げるためには、再構成能力に優れた ND280 検出器の追跡部の全基準体積 (ニュートリノ相互作用に利用できる質量) を拡大する必要があります。

ND280 検出器のアップグレード (ND280 アップグレード) は、P0D サブ検出器の一部を 3 種類の新しいサブ検出器に置き換えることで、これらの要件に対応します。2 つの細粒度シンチレーション検出器 (FGD) と 3 つの時間投影チャンバー (TPC) で構成される既存の下流部分は、サンドイッチ構造を維持し、前方に向かうレプトンと高運動量ハドロンを検出し続けます。現在 P0D サブ検出器を収容している上流部分は、3 つの新しいサブ検出器に置き換えられます。シンチレーション 3D ターゲット (超細粒度検出器または SuperFGD)、SuperFGD の上下にある 2 つの新しい TPC (高角度 TPC または HATPC)、および新しい構造を囲む 6 つの飛行時間 (TOF) 検出器です。これらのサブ検出器のそれぞれについて、以下で簡単に説明します。^[49] ND280への新しいサブ検出器の設置は2022年に行われる予定である。^{[44] [50] : 18}

SuperFGD ^[51]は、2 x 2 x 0.5 メートル (6 フィート 7 インチ x 6 フィート 7 インチ x 1 フィート 8 インチ) の検出器で、約 200 万個の 1 cm ³ シンチレーション ポリスチレン キューブで構成されています。キューブは一連の光ファイバーで編まれており、ターゲット内での相互作用中に生成された粒子が放出する光を検出するように設計されています。現在の FGD とは異なり、SuperFGD は 3 倍の投影 2D 読み出しを備えており、準 3D 読み出しを提供します。この読み出し構成により、すべての方向でほぼ均一に短いトラックの検出が向上します。その形状と TOF および HATPC との組み合わせにより、SuperFGD は高速中性子を検出する能力があり、これは反ニュートリノエネルギーの再構築に役立つ可能性があります。^[49]

高角度時間投影チャンバー（HATPC）は、入射ニュートリノビームに垂直な平面でスーパーFGDを取り囲みます。その設計は既存のTPCと似ており、どちらもトラック再構成にMicroMegasモジュール技術を使用しています。HATPCの主な新しい特徴は、高角度カバレッジに加えて、抵抗性MicroMegas技術を使用していることです。^[52]後者は、抵抗性材料の層を適用して、MicroMegasモジュールの電荷共有機能を高めます。これにより、読み出しチャネルの数が減り、現在のTPCと同等の空間分解能が可能になります。^[49]

HATPCとSuperFGDを取り囲む6つの飛行時間型（TOF）検出器は、140ps程度の時間分解能で各交差トラックの飛行時間を測定することにより粒子の方向を識別するように設計された一連のプラスチック シンチレータ層です。 ^[53]トラック方向の方向を決定する機能は、実際のND280で、アクティブな内部検出器の外側で生成されるバックグラウンドを減らすために重要であることが証明されています。^[49]

ND280 アップグレードが T2K の解析に及ぼす影響は 2 つあります。まず、2 トンの SuperFGD ターゲットによる統計の増加により、特定のサンプルのデータ量がほぼ 2 倍になります。次に、より重要な点として、新しい構成により、追加の最終状態粒子の検出が改善されます。つまり、角度受容度の増加による高角度粒子と、検出しきい値の低下による低エネルギー粒子です。この検出器受容度の向上は、遠方検出器 (SK) で利用できるほぼ同じ位相空間をカバーするために重要です。さらに、最終状態粒子により、振動解析の体系的効果を制限するために不可欠な核効果を調べることができます。これは、予測に最終状態レプトンのみを使用する現在の包括的モデルとは対照的に、ニュートリノ振動物理学で半包括的または排他的モデルを使用する移行においても重要なステップです。^[49]

T2KフェーズIIで改善される3つ目の要素は、これまで超純水で満たされていたスーパーカミオカンデへのガドリニウムの導入です。SKは記録された粒子の電荷を測定することができません。つまり、生成されたレプトンの電荷に基づいてニュートリノと反ニュートリノの相互作用を区別することができません（例：
μ⁻
によって生産される
ν
_μその間
μ⁺
による
ν
_μ）。（反）ニュートリノ原子核相互作用では、荷電レプトンの生成とは別に、原子核から核子が生成されることが多い。電荷保存則により、ニュートリノの場合は主に陽子、反ニュートリノの場合は中性子となる。

ν
_l+
ん
→
ℓ⁻
+
p

ν
_l+
p
→
ℓ⁺
+
ん
. ^{[54] : 23}

チェレンコフエネルギー閾値（チェレンコフ光を生成する荷電粒子の最小全エネルギー）は粒子の質量に比例し、水中では電子では0.8 MeV、ミューオンでは160 MeV、陽子では1400 MeVに等しい。^[55]そのため、ニュートリノ相互作用で放出された陽子は閾値を下回り、検出されないままになることが多い。中性粒子である中性子はチェレンコフ光を生成しない。しかし、他の原子核に吸収されて励起状態になり、脱励起中にガンマ線を生成する。高エネルギー光子（ガドリニウムの場合、全エネルギーは約8 MeV）は、原子から電子を散乱させ、電子陽電子対を生成し、チェレンコフ光を生成する。ガドリニウムは、熱エネルギーでの中性子捕獲断面積が最も大きい天然元素である。 25 meV 中性子の場合、ガドリニウムの断面積は水素の約 10 ⁵倍です。SK で捕捉される中性子の割合は、0.01% Gd 濃度で 50%、0.1% 濃度で 90% です。これは SK で計画されている最終的な Gd 濃度です。中性子捕捉からの信号は、荷電レプトンの信号に対して 1 ミリ秒未満 (捕捉前に中性子が水面を移動する時間と Gd が励起状態にある時間の合計) 遅れており、通常はニュートリノ相互作用点から 50 cm (捕捉前に中性子が移動した距離) 以内に現れます。このような二重フラッシュ イベント (荷電レプトンからの最初のフラッシュ、Gd 脱励起光子からの 2 番目のフラッシュ) は、反ニュートリノ相互作用の兆候です。^{[56] [57]}

2020年7月から8月にかけて、SK水に13トンのGd ₂ (SO ₄ ) ₃ ·8 H ₂ O（硫酸ガドリニウム(III)八水和物）を初めて投入し、0.011%のGd濃度を実現しました。T2Kは2021年3月から4月にかけてSKでGdを使用した最初のデータを収集しました。ガドリニウムを添加した水を使用することで、遠方の超新星ニュートリノの研究が可能になります。
ν
_eはSKで最も反応性が高いが、他の発生源からのニュートリノと区別がつかなかった。また、この技術により、銀河系内の超新星爆発の検出器の性能が向上し、加速器ニュートリノ振動における物質と反物質の違いをより詳細に研究できるようになる。^{[56] [57]}

T2K実験の後継であるハイパーカミオカンデ（HK）実験では、現在使用されている加速器とニュートリノビームラインのアップグレードされたシステムと、アップグレードされた前置検出器のセットが使用されます。それとは別に、新しい後置検出器であるハイパーカミオカンデ検出器と、おそらく新しい中間検出器も構築されます。ビーム関連のアップグレード作業の一部とND280検出器のアップグレードは、T2K実験のフェーズIIの開始前にまだ実行されていません。HK実験は2027年頃に運用を開始する予定です。^{[4] : 20  [46] [58] [59]}

• 神岡宇宙素粒子研究施設

ウィキメディア・コモンズには、T2K に関連するメディアがあります。

• T2K実験公式サイト
• スーパーカミオカンデ公式サイト 2021-03-18ウェイバックマシンにアーカイブ
• スーパーカミオカンデリアルタイムモニター
• ニュートリノ物理学 – T2K 実験 – YouTube
• 日本のビッグ物理学の内幕 | パート 1: スーパーカミオカンデ – YouTube