Das Universum ist mit Materie gefüllt, während Antimaterie sehr selten ist. Die Vorherrschaft der Materie ermöglichte es komplexen Strukturen wie Galaxien, Sternen, Planeten und schließlich uns, sich zu bilden und so zu existieren, wie wir sie heute beobachten. Der Urknall erzeugte die gleiche Menge an Materie und Antimaterie: Jedes Teilchen hätte sich daher mit einem entsprechenden Antiteilchen vernichten sollen, um das Universum mit Licht (Photonen) und sonst nichts zu füllen.
Abbildung 1: Ist die Symmetrie zwischen den Oszillationen von Neutrinos und Antineutrinos gebrochen?
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Eine kleine Asymmetrie zwischen Materie und Antimaterie ist notwendig, um dieses katastrophale Ende zu vermeiden. Ein sehr rätselhaftes Teilchen, das Neutrino, könnte den Schlüssel zu diesem Geheimnis bergen.
Das Neutrino ist das am wenigsten verstandene Teilchen des Standardmodells. Eines der wenigen Dinge, die wir darüber wissen, ist, dass Neutrinos in mindestens drei Arten (Elektron-, Myon- und Tau-Neutrinos) existieren müssen und dass diese Zustände "oszillieren", während sich die Neutrinos durch Raum und Zeit ausbreiten. Genauer gesagt werden Neutrinos in Wechselwirkungen der anderen Teilchen des Standardmodells in einem definierten Flavour-Zustand erzeugt, aber sie breiten sich in definierten Massenzuständen aus, die linearen Kombinationen (Quantenüberlagerungen) von Flavour-Zuständen entsprechen.
Folglich hat ein Neutrino mit gegebener Energie, das in einem bestimmten Flavour-Zustand erzeugt wird, eine genau definierte Wahrscheinlichkeit, nach Zurücklegung einer bestimmten Distanz in einem anderen Flavour-Zustand detektiert zu werden. Dieses Phänomen ist nur möglich, wenn Neutrinos massive Teilchen sind, im Gegensatz zu dem, was das Standardmodell vorhersagt.
Sehr interessanterweise eröffnet dieses Phänomen die Möglichkeit für eine neue Quelle der Materie-Antimaterie-Asymmetrie im Universum: Wenn Neutrinos und Antineutrinos (ihre Antiteilchen) unterschiedlich oszillieren, könnten sie eine entscheidende Rolle im Mechanismus gespielt haben, der zur starken Vorherrschaft der Materie im Universum führte.
Von T2K zu Hyper-Kamiokande
Neutrino-Oszillationen wurden Ende der 90er Jahre entdeckt und mit dem Nobelpreis für Physik 2015 ausgezeichnet. Seitdem wurden die Oszillationen im Rahmen verschiedener Experimente untersucht, wobei insbesondere Neutrinos aus kosmischer Strahlung, der Sonne, Kernreaktoren und Teilchenbeschleunigern genutzt wurden. Letztere haben die einzigartige Fähigkeit, einen Strahl von Neutrinos oder Antineutrinos mit optimierter Flavour und Energie in die gewünschte Richtung zu erzeugen.
Abbildung 2: Schematische Ansicht des in Bau befindlichen Fern-Detektors Hyper-Kamiokande in Japan.
Bildrechte: Hyper-K collaboration
Eine Reihe von Detektoren, die in der Nähe der Neutrinoquelle platziert sind, wird verwendet, um die Menge der produzierten Neutrinos und ihre Wechselwirkungswahrscheinlichkeit mit Materie zu charakterisieren. Ein großer "Fern-Detektor" fängt die Neutrinos in Hunderten von Kilometern Entfernung von der Quelle ab, um die Oszillationswahrscheinlichkeit von einer Flavour zur anderen zu messen. Dieser Ansatz wird heute vom Experiment Tokai To Kamioka (T2K) in Japan genutzt, zu dem das Irfu entscheidende Beiträge leistet.
T2K wird bis 2027 in Betrieb sein, dann wird sein Nachfolger, Hyper-Kamiokande (HK), die Nachfolge antreten. HK wird einen mehr als doppelt so intensiven Neutrinostrahl und einen mehr als achtmal größeren Fern-Detektor als T2K haben. HK wird den Nahe-Detektor von T2K (ND280), der kürzlich verbessert wurde, erben.
Dank der erheblichen Steigerung der Statistik der produzierten und detektierten Neutrinos wird HK in der Lage sein, die mögliche Asymmetrie zwischen der Oszillation von Neutrinos und Antineutrinos zu entdecken und neue Antworten auf das große Rätsel der Materie-Antimaterie-Asymmetrie im Universum zu liefern.
Hyper-Kamiokande@Irfu
Das Irfu ist an vorderster Front dieser großen experimentellen Anstrengung beteiligt und hat bereits eine führende Rolle beim Redesign des ND280-Detektors gespielt. Das Institut beteiligt sich nun am Bau des neuen Fern-Detektors von HK. Die großen Herausforderungen für diesen neuen Detektor hängen mit seiner Größe zusammen: ein zylindrischer Tank von 72 m Höhe und 68 m Durchmesser, der 260 Kilotonnen Wasser enthält (siehe Abbildung 2), wo das Cherenkov-Licht, das von geladenen Teilchen aus Neutrino-Wechselwirkungen erzeugt wird, von etwa 13.000 Photomultipliern (PMTs) gesammelt wird. Die Signale der PMTs werden von mehr als tausend elektronischen Karten ausgelesen.
Abbildung 3: Prototyp des am Irfu entwickelten Elektronikmoduls für die erste Stufe der Taktverteilung des HK-Fern-Detektors. Das Modul verfügt über 32 optische Ports und wurde für eine deterministische Latenz mit geringer Instabilität (einige Pikosekunden) optimiert.
Um präzise Messungen der Oszillationen zu ermöglichen, müssen alle Ausleseeinheiten dieses gigantischen Detektors korrekt zeitlich synchronisiert und energie-mäßig kalibriert werden, um die Einheitlichkeit ihrer Antwort zu gewährleisten. Das Irfu steht im Zentrum dieser Herausforderungen und entwickelt insbesondere ein neues Elektronikmodul für das System zur Taktverteilung an die Tausenden von Ausleseeinheiten. Das Irfu unterstützt auch über seine Außenstelle am CERN die Entwicklung der Testbank, die zur präzisen Kalibrierung der elektronischen Ausleseeinheiten dienen und sicherstellen soll, dass sie die Spezifikationen erfüllen.
Um die technologische Herausforderung, der wir gegenüberstehen, zu verdeutlichen, sei erwähnt, dass wir eine Genauigkeit in der Energieskala der Neutrinos in der Größenordnung von 0,5 % gewährleisten müssen, was eine Anforderung von 0,1 % an die Kalibrierung der Ladungslinearität der elektronischen Auslesekarten nach sich zieht.
Darüber hinaus muss, um eine räumliche Auflösung von besser als 15 cm für Cherenkov-Lichtwege von 100 Metern zu gewährleisten, ein Verteilungssystem eingerichtet werden, das in der Lage ist, einen Takt mit einer zeitlichen Stabilität von besser als 100 ps an 13.000 PMTs zu senden, die über eine zylindrische Fläche von mehr als 15.000 Quadratmetern verteilt sind. Zu diesem Zweck wird ein mehrstufiger Ansatz umgesetzt, und das Irfu entwickelt die erste Stufe dieses Systems: Das neue in Abbildung 3 gezeigte Elektronikmodul weist eine zufällige (deterministische) Instabilität von weniger als 4ps (2ps) auf.
Abbildung 4: Der Hyper-Kamiokande-Detektor wird 600 m unter der Erde in der Kamioka-Mine in Hida City, Gifu, platziert, wo der größte jemals von Menschen gegrabene Kavernenraum ausgehoben wird (links). Die PMTs werden beschafft und vor ihrer Installation getestet (rechts).
Der Bau des HK-Detektors ist im Gange. Wie Abbildung 4 zeigt, sind der Aushub der Kaverne und der Kauf der PMTs weit fortgeschritten. Die Datennahmephase soll Anfang 2028 beginnen.
Die Empfindlichkeit von Hyper-Kamiokande gegenüber der Oszillationsasymmetrie zwischen Neutrinos und Antineutrinos
Das Irfu leitet auch die Hauptanstrengung in der Analyse, um die Empfindlichkeit des HK-Experiments für Oszillationsmessungen genau abzuschätzen, und insbesondere für die Entdeckung einer möglichen Asymmetrie zwischen der Oszillation von Neutrinos und Antineutrinos (siehe Abbildung 5).
Die jüngsten Ergebnisse von T2K deuten auf eine sehr große Neutrino-Antineutrino-Asymmetrie hin, in welchem Fall HK nach etwa 2 Jahren Datennahme (bei 5 Standardabweichungen) definitiv auf die Existenz dieser Asymmetrie schließen könnte. In Abbildung 5 wird auch die Auswirkung systematischer Unsicherheiten auf die Oszillationsmessungen abgeschätzt, was die entscheidende Rolle des Nahe-Detektors ND280 für eine so bedeutende Entdeckung quantifiziert.
Tatsächlich ist für die präzise Messung von Neutrino-Oszillationen eine korrekte Modellierung der Wechselwirkungswahrscheinlichkeit von Neutrinos mit Materie im Detektor erforderlich. Das Irfu war maßgeblich an der Entwicklung von Kernphysikmodellen für Neutrino-Wechselwirkungen beteiligt und ist ein wichtiger Beitragender zu deren direkten Messungen mit den Daten von ND280.
Abbildung 5: Links, das Entdeckungspotenzial (in Anzahl der Standardabweichungen) für die Asymmetrie zwischen der Oszillation von Neutrinos und Antineutrinos in Abhängigkeit von der Anzahl der Jahre der Datennahme bei HK. Zwei verschiedene Werte des Parameters δCP, der die Asymmetrie parametrisiert, werden getestet: -90° entspricht der maximalen Asymmetrie, wie die vorläufigen Ergebnisse von T2K anzeigen, -45° entspricht einer Asymmetrie von 50 %. Rechts, der Anteil der Werte des Parameters δCP, für die HK die Asymmetrie bei 5 (oder 3) Standardabweichungen entdecken kann, in Abhängigkeit von der Anzahl der Jahre der Datennahme.
Zusammenfassend wird das Irfu dank seines entscheidenden Beitrags zum Nahe- und Fern-Detektor von HK, seiner einzigartigen Expertise in Kernphysik und seiner führenden Rolle bei der Analyse der Neutrino-Oszillationen ein wesentlicher Akteur bei den zukünftigen Entdeckungen von HK sein.