T2K

J-PARC est un nouvel accélérateur de particules plus puissant que (en)KEK utilisé dans l'expérience K2K. Le synchrotron est finalement capable d'accélérer des protons de 30 GeV /C (50 GeV /C prévu initialement). Les protons en collision sur une cible de carbone produiront des pions qui se désintègrent en muons et en neutrinos muoniques. La puissance du faisceau devrait être de 0,75 MW et fournir 110 fois plus d'événements de neutrinos que K2K. Le tube de désintégration de pions doit être suffisamment long pour que le maximum de pions se désintègrent en muons et neutrinos muoniques et suffisamment court pour que ces muons ne se désintègrent pas à leur tour en électrons, neutrinos électroniques et antineutrinos muoniques, ce qui apporterait d'une part une pollution de neutrino électronique au faisceau de neutrinos muoniques et d'autre part une pollution d'antineutrinos muoniques et réciproquement selon la polarisation du champ magnétique de la corne magnétique.

Le faisceau de neutrinos à J-PARC est conçu de sorte qu'il forme un angle de 2.5° par rapport au détecteur lointain Super Kamiokande. Cela réduit le flux de neutrinos qui atteignent le détecteur, mais offre un spectre d'énergie plus approprié aux oscillations de neutrino. Hors axe, l'énergie de pointe est faible, les énergies plus élevées étant supprimées. À la distance entre Tokai et Kamioka, l'oscillation maximale des neutrinos devrait se produire à des énergies inférieures à 1 GeV.

Il est composé de 3 TPCs et de 2 FGDs entrelacés.

La chambre à projection temporelle (Time Projection Chamber ou TPC) sera capable de mesurer le moment (moment d'une force (mécanique) des particules produites dans le détecteur. Les détecteurs à grains fins (Fine-Grained Detector ou FGD) constitueront la cible des interactions des neutrinos et pourront mesurer la courte trace du proton de recul. Le second FGD est partiellement composé d'eau afin de pouvoir comparer les sections efficaces du détecteur proche et du détecteur lointain (Super-Kamiokande, composé exclusivement d'eau) sur des noyaux équivalents.

Ce trajectomètre détectera les courants quasi-élastiques afin de mesurer le flux et le spectre des neutrinos muoniques avant oscillation, des autres courants chargés afin d'évaluer les erreurs de reconstruction de l'énergie dans Super-Kamiokande, des courants neutres et de la contamination du faisceau en neutrinos électroniques qui constituent les bruits de fond principaux de l'expérience.

Le détecteur Pi Zero est composé de couches de scintillateurs et de plomb utilisé pour mesurer les pions neutres produits dans les interactions de courant neutre.

La phase II de l’expérience T2K devrait commencer en 2022 et durer jusqu’en 2025 ou 2026, suivie par la mise en service de l’expérience HK. Les objectifs physiques de T2K-II consistent en une mesure des paramètres d’oscillation θ₂₃ et Δm(su) avec une précision de 1.7° et 1% respectivement, ainsi qu’une confirmation au niveau de 3σ ou plus de l’asymétrie matière-antimatière dans le secteur neutrino pour un large panel de vraies valeurs possibles de δ_CP – le paramètres responsables de l’asymétrie CP (matière-antimatière). Afin d’atteindre ces objectifs, les erreurs statistiques et systématiques doivent être réduites, ce qui implique une mise à niveau conséquente de la ligne de faisceau et du détecteur ND280, ainsi que des améliorations du software et des méthodes d’analyse[9].

La stratégie de mise à jour du faisceau requiert l’arrêt de l’accélérateur circulaire principal de J-PARC durant une année en 2021, suivi par une augmentation graduelle constante de la puissance du faisceau de proton jusqu’à ce que l’expérience HK débute. La puissance du faisceau devrait atteindre 750 kW en 2022, puis s’élever à 1,3 MW d’ici à 2029[12].

En février 2020, la puissance du faisceau de protons a atteint 515 kW avec 2.7x10¹⁴ protons par impulsion et 2.48 secondes entre chaque impulsion (cycle de répétition). Afin d’atteindre 750 kW, le cycle de répétition sera réduit à 1.32 s avec 2.0x10¹⁴ protons par impulsion, tandis que pour une puissance de 1,3 MW, le cycle de répétition sera réduit jusqu’à 1.16 s et le nombre de protons par impulsion augmenté à 3.2x10¹⁴. En plus d’augmenter la puissance du faisceau de protons primaire, le courant dans les cornes magnétiques qui focalisent les particules secondaires possédant une charge électrique choisie (les pions, les kaons, etc.), sera également augmenté de 250 kA à 320 kA. Cela aura pour effet d’augmenter le nombre de neutrinos du bon signe (neutrinos lorsque le faiseau est en mode neutrino et anti-neutrinos lorsqu’il est en mode anti-neutrino) de 10% et de réduire le nombre de neutrinos de mauvais signe (anti-neutrinos lorsque le faiseau est en mode neutrino et neutrinos lorsqu’il est en mode anti-neutrino) d’environ 5-10%[12] - [13].

La réduction du cycle de répétition demandera une série de mises à jour du hardware qui seront toutes effectuées durant l’arrêt de 2021. Celles-ci incluent une mise à jour importante de l’alimentation électrique de l’anneau principal et une mise à jour mineure de l’alimentation électrique des cornes magnétiques. L’augmentation du courant des cornes magnétiques demandera une alimentation électrique supplémentaire (troisième). Par ailleurs, afin d’atteindre la puissance maximale du faisceau de protons, le perfectionnement de la capacité de refroidissement des composants de la ligne de faisceau secondaire, tels que la cible en graphite, les cornes magnétiques et l’absorbeur de faisceau ("beam dump"), ainsi qu’une plus grande quantité d’eau de refroidissement à disposition seront nécessaires[12] - [13].

Schéma de la partie interne du détecteur ND280 après la mise à niveau prévue.

Le design actuel du détecteur ND280 est optimisé pour la détection et la reconstruction des leptons (muons et électrons) dirigés vers l’avant (par rapport à la direction du faisceau de neutrinos) mais il a un certain nombre de limitations, comme la faible efficacité de reconstruction des particules produites presque perpendiculaires et vers l’arrière par rapport à la direction du neutrino impliqué dans l’interaction, ainsi qu’un seuil de quantité de mouvement trop élevé pour reconstruire une bonne partie des pions produits et des nucléons éjectés (protons et neutrons) lors de cette même interaction. En ce qui concerne les interactions à courant chargé quasi-élastiques (CCQE), représentant le type d’interaction dominant dans le détecteur proche ND280, la cinématique du lepton produit suffit à reconstruire l’énergie initiale du neutrino. Cependant, d’autres types d’interactions dans lesquelles des particules supplémentaires (pions, kaons, nucléons) ont été manquées, peuvent être reconstruites à tort comme CCQE et peuvent introduire un biais dans le spectre d’énergie reconstruite du neutrino. C’est pourquoi il est essentiel d’optimiser le détecteur afin de le rendre sensible à ces particules supplémentaires et aux effets nucléaires.

Trois mesures principales doivent être prises afin de répondre à ces problèmes:

• Le détecteur doit détecter de manière efficace les nucléons qui résultent des interactions de neutrinos avec le noyau. Pour cela, le seuil de détection doit être abaissé.
• Les traces formant un grand angle avec la direction du neutrino initial ou orientées dans le sens inverse du neutrino initial doivent être bien reconstruites. Cet objectif peut être atteint en augmentant l’ouverture angulaire du détecteur et en améliorant l’efficacité avec laquelle les traces dirigées vers l’arrière sont identifiées par rapport à celles dirigées vers l’avant, à l’aide d’informations temporelles.
• Enfin, le volume fiducial total (la masse disponible pour les interactions de neutrinos) de la partie du détecteur ND280 dédiée au tracking (à la reconstruction des traces), caractérisée par une meilleure capacité de reconstruction que les autres parties, doit être agrandie afin d’augmenter le taux des interactions de neutrinos.

La mise à niveau du détecteur ND280 répond à ces exigences en remplaçant une partie du sous-détecteur POD par trois types de nouveaux sous-détecteurs. La partie existante en aval, qui consiste en deux détecteurs à scintillation à grains fins (FGDs) et trois chambres à dérive (TPCs) intercalés, conservera sa structure en sandwich et continuera de détecter les leptons et les hadrons de grande impulsion dirigés vers l’avant. La partie en amont, qui contient actuellement le sous-détecteur P0D sera remplacé par trois nouveaux sous-détecteurs: une cible à scintillateur 3D (Super Fine-Grained Detector ou SuperFGD), deux nouveaux TPCs au-dessus et au-dessous du SuperFGD (High-Angle TPCs ou HATPCs) et six détecteurs à temps de vol (TOF) entourant la nouvelle structure. Chacun de ces sous-détecteurs est décrit brièvement ci-dessous[14].

Le SuperFGD est un détecteur de 2 m x 2 m x 0,5 m constitué d’approximativement 2 million de cubes scintillants en polystyrène d’1 cm³. Chaque cube est traversé par trois fibres optiques orthogonales afin de détecter la lumière émise par les particules produites durant les interactions dans la cible. Chaque fibre optique traverse toute une rangée de cubes jusqu’à atteindre l’extérieur du détecteur où elle est connectée à un SiPM. Lorsqu’une interaction se produit dans un certain cube, le signal enregistré dans une seule fibre permet de déterminer uniquement deux des trois coordonées (X, Y et Z) de ce cube. En combinant les informations des trois fibres optiques, il est possible d’identifier exactement le cube dans lequel l’interaction s’est produite. Ce système de lecture, différent de celui des FGDs actuels, est qualifié de “quasi-3D”. Grâce à cette configuration de lecture, la détection des traces courtes est améliorée de façon presque uniforme dans toutes les directions. Du fait de sa géométrie et de son couplage avec les TOF et les HATPCs, le SuperFGD est capable de détecteur des neutrons rapides, ce qui pourrait être utile pour la reconstruction de l’énergie des antineutrinos.[14]

Les chambres à dérive pour les traces ayant des angles importants (HATPCs) entoureront le SuperFGD dans le plan perpendiculaire au faisceau de neutrino entrant. Leur design est similaire à celui des TPCs existants, puisque tous deux utilisent la technologie des modules MicroMegas pour la reconstruction des traces. La principale caractéristique innovante des HATPCs, en dehors du fait qu’ils couvrent des angles élevés, réside dans l’utilisation de la technologie de MicroMegas résistifs. Celle-ci consiste à appliquer une couche de matériau résistif afin d’augmenter la capacité de partage de charge des modules MicroMegas. Cela réduit le nombre de canaux de lecture et permet d’atteindre une résolution spatiale aussi bonne que celle des TPCs actuels[14].

Les six détecteurs à temps de vol (TOF) entourant les HATPCs et SuperFGD sont une série de couches de scintillateurs plastiques conçus afin d’identifier le sens dans lequel une particule se déplace au moyen d’une mesure du temps de vol de chaque trace les traversant avec une résolution en temps de 600 ps. La capacité de déterminer le sens des traces s’est montrée critique dans ND280 afin de réduire le bruit de fond généré en dehors des détecteurs internes actifs[14].

L’impact que la mise à niveau de ND280 aura sur les analyses de T2K est double. Premièrement, une augmentation des statistiques grâce à la cible SuperFGD de 2 tonnes permettra de quasiment doubler la quantité de données dans certains échantillons. Deuxièmement et principalement, la nouvelle configuration permettra une meilleure détection des particules supplémentaires dans l’état final après l’interaction, i.e. les particules qui résultent des interactions de neutrinos avec le noyau et/ou des effets nucléaires: les particules émises à un angle élevé grâce à l’acceptance angulaire augmentée et les particules moins énergétiques, grâce aux seuils de détection moins élevés. L’amélioration de l’angle d’incidence du détecteur est importante afin de couvrir presque le même espace de phase que celui disponible dans le détecteur lointain (SK). De plus, les particules d’état final permettront d’explorer les effets nucléaires qui sont essentiels afin de contraindre les effets systématiques dans l’analyse d’oscillation. C’est une étape importante également pour la transition à l’utilisation de models semi-inclusifs ou exclusifs dans la physique des oscillations de neutrinos, à l’opposé des modèles actuels qui sont inclusifs et utilisent uniquement le lepton d’état final dans leurs prédictions[14].

L’expérience Hyper-Kamiokande (HK), qui succédera à l’expérience T2K, utilisera le système mis à niveau de l’accélérateur et de la ligne de faisceau de neutrinos actuellement utilisés, ainsi que le détecteur proche avec l’ensemble de ses améliorations. En dehors de ça, un nouveau détecteur lointain, le détecteur Hyper-Kamiokande, et éventuellement un nouveau détecteur intermédiaire seront construits. Une partie des travaux de mise à jour concernant le faisceau et le détecteur ND280 seront réalisés avant le début de la phase II de l’expérience T2K. L’expérience HK devrait commencer à opérer en 2027 environ[11] - [15] - [16].

Le détecteur Hyper-Kamiokande sera un détecteur à eau Cherenkov, 5 fois plus grand (258 kton d’eau) que le détecteur Super-Kamiokande. Ce sera un cylindre de 74 mètres de diamètre et de 60 mètres de hauteur avec 40000 tubes photomultiplicateurs de 50 cm de diamètre et 6700 tubes photomultiplicateurs de 20 cm de diamètre. Il se situera à 8 km au sud du détecteur Super-Kamiokande dans la mine de Tochibora, à 650 mètres sous le sommet de la montagne Nijuugo, au même angle désaxé (2.5°) par rapport au centre du faisceau de neutrinos et à la même distance (295 km) du point de production du faisceau à J-PARC. La construction du détecteur HK devrait commencer en 2020 et le début de la prise de données est prévue pour 2027[11] - [15].

Le détecteur Cherenkov à eau intermédiaire (IWCD) se situera à une distance de 0.7–2 km du point de production des neutrinos. Ce sera probablement un cylindre rempli d’eau d’un diamètre de 10 m et d’une hauteur de 50 m contenant une strucutre instrumentée haute de 10 m qui comprendrait environ 30000 tubes photomultiplicateurs de 20 cm de diamètre. La structure sera déplacée verticalement par un système de grues, permettant ainsi de mesurer des interactions de neutrinos à différents angles désaxés, allant de 1° à 4°, ce qui donnera lieu à des spectres d’énergie différents. En combinant les résultats de différents angles désaxés, il est possible d’extraire les résultats pour un spectre de neutrinos quasiment monochromatique sans avoir besoin de se baser sur des modèles théoriques d’interactions de neutrinos pour en reconstruire l’énergie. L’utilisation du même type de détecteur que le détecteur lointain, avec presque la même ouverture angulaire et la même gamme de quantité de mouvement, permet de comparer les résultats des deux détecteurs sans dépendre de simulations de la réponse du détecteur. Ces deux caractéristiques, l’indépendence par rapport aux interactions de neutrinos et celle par rapport aux modèles de réponse du détecteur, permettront de minimiser les erreurs systématiques dans l’analyse d’oscillation. Un autre avantage d’un tel design de détecteur réside en la possibilité de rechercher un motif d’oscillation de neutrinos stériles pour différents angles désaxés et d’obtenir un échantillon plus pur d’interactions de neutrinos électroniques, dont la fraction augmente lorsqu’on s’éloigne de l’axe[11].^:47–50[17] - [18]

Il est prévu que l’IWCD soit finalisé en 2024 et commence à prendre des mesures en 2025, même avant la mise en route de l’expérience HK[19].