[Wróć do strony głównej]

Eksperyment T2K (Tokai to Kamioka)

Updated: 2020-10-07

Wstęp

Neutrino to cząstka elementarna, czyli podstawowy składnik materii, którego nie da się podzielić na mniejsze elementy. Neutrina należą do tej samej rodziny cząstek co elektron, ale w przeciwieństwie do elektronu nie mają ładunku elektrycznego, a także są od niego dużo lżejsze.

Są trzy rodzaje neutrin: neutrina elektronowe, neutrina mionowe i neutrina taonowe. (Mion i taon są cięższymi "braćmi" elektronu). Oscylacje to proces kwantowo-mechaniczny, w którym neutrina - w funkcji czasu, a więc w trakcie poruszania się w przestrzeni - zmieniają swój rodzaj.

Każda cząstka elementarna posiada swoją antycząstkę. Antycząstki tworzą antymaterię. Istnieją więc też trzy antyneutrina: antyneutrino elektronowe, antyneutrino mionowe i antyneutrino taonowe.

Antyneutrina również oscylują między sobą, tzn. mogą zmieniać się w inny rodzaj antyneutrin.

O projekcie

T2K (Tokai to Kamioka) to eksperyment badający oscylacje neutrin, prowadzony w Japonii przez zespół około 500 fizyków i inżynierów z ponad 60 instytucji naukowych z kilkunastu krajów z Europy, Azji i Ameryki Północnej.

Na wschodnim wybrzeżu Japonii w miejscowości Tokai za pomocą protonów o energii 30 GeV, przyspieszanych w ośrodku akceleratorowym J-PARC (Japan Proton Accelerator Research Complex), wytwarzana jest wiązka neutrin mionowych.

Wiązka, po 280 metrach, przechodzi przez układ dwóch głównych bliskich detektorów: jeden na osi wiązki (INGRID), zaś drugi - odchylony o 2.5° od osi wiązki (ND280). W detektorach tych badany jest kierunek wiązki i zawartość różnego rodzaju neutrin w wiązce oraz rozkład ich energii przed zajściem zjawiska oscylacji. Blisko miejsca produkcji wiązka jest bardzo intensywna, co pozwala na badanie tam również oddziaływań neutrin.

Po przebyciu kolejnych 295 kilometrów pod ziemią (tam nie ma żadnego tunelu, wiązka przechodzi przez ziemię!), wiązka neutrin przechodzi przez daleki detektor Super-Kamiokande odchylony o 2.5° od osi wiązki. Bada się tam jaka część neutrin z wiązki pozostała neutrinami mionowymi, a ile przeoscylowało w neutrina elektronowe.

Średnia energia neutrin zmniejsza się wraz z odchyleniem od osi wiązki. Kąt 2.5° został wybrany, aby w dalekim detektorze zmaksymalizować prawdopodobieństwo oscylacji, które zależy od stosunku energii neutrin do odległości, jaką przebywają.

Detektor Super-Kamiokande znajduje się w kopalni Mozumi, 1000 m pod szczytem góry Ikeno w Alpach Japońskich. Jest to ogromny walec (o wysokości 40 m i średnicy 40) wypełniony wodą. Na jego ścianach znajduje się ponad 13000 fotopowielaczy, czyli czujników rejestrujących światło Czerenkowa wytwarzane przez cząstki naładowane wyprodukowane w oddziaływaniach neutrin. Światło Czerenkowa powstaje, gdy naładowana cząstka (np. elektron lub jego cięższy brat mion) porusza się w ośrodku (w tym wypadku w wodzie) szybciej niż światło. Nic nie może się poruszać szybciej niż wynosi prędkość światła w próżni, ale w wodzie światło porusza się o około 25% wolniej, dlatego da się je ‘wyprzedzić’.

W T2K zamiast wiązki neutrin mionowych może być też wytwarzana wiązka antyneutrin mionowych, dla których bada się, ile antyneutrin mionowych pozostało w wiązce, a ile zamieniło się w antyneutrina elektronowe. Porównując liczbę neutrin elektronowych, które pojawiły się w wiązce neutrin mionowych, z liczbą antyneutrin elektronowych, które pojawiły się w wiązce antyneutrin mionowych można ocenić, czy prawdopodobieństwo oscylacji jest takie samo dla neutrin i antyneutrin i w ten sposób sprawdzić, czy symetria między materią a antymaterią jest zachowywana czy też łamana.

Parametr, który opisuje łamanie symetrii między materią a antymaterią nazywa się fazą δCP i może on przyjmować wartość od -180 do 180 stopni. W kwietniu 2020 roku w czasopiśmie Nature, eksperyment T2K po raz pierwszy z dużym prawdopodobieństwem, sięgającym 99.7%, był w stanie wykluczyć prawie połowę możliwych wartości tego parametru, a dotychczasowe wyniki wskazują, że łamanie tej symetrii dla neutrin może być bardzo duże [ Obserwacja różnicy zachowania neutrin i antyneutrin w eksperymencie T2K - komunikat prasowy].

Wszechświat zbudowany jest z materii i zawiera bardzo niewielkie ilości antymaterii (czyli istnieje asymetria między materią a antymaterią). Natomiast w mikroświecie większość zjawisk fizycznych jest symetryczna, to znaczy taka sama dla cząstek materii jak i cząstek antymaterii, a różnice dotąd obserwowane są za małe, żeby wyjaśnić przewagę materii nad antymaterią we Wszechświecie. Wyniki dostarczone przez eksperyment T2K są więc bardzo ważne, gdyż wskazują na dużą różnicę w oscylacjach neutrin i antyneutrin, a zatem przybliżają nas do zrozumienia zagadki powstania naszego, zdominowanego przez materię, Wszechświata.

Eksperyment T2K zbiera dane od początku 2010. Obecnie trwają prace nad zwiększeniem intensywności wiązki neutrin, zmodernizowaniem bliskiego detektora ND280, a w dalszej perspektywie nad budową 5-krotnie większego dalekiego detektora Hyper-Kamiokande oraz budową (w odległości około 1-2 km od miejsca produkcji wiązki) pośredniego wodnego detektora Czerenkowa. Ma to na celu ostateczne potwierdzenie, czy symetria materia/antymateria jest łamana w oscylacjach neutrin, a jeżeli tak, to w jakim stopniu.

Wkład IFJ

Inżynierowie z DAI (Dział Budowy Aparatury i Infrastruktury Naukowej IFJ PAN) zaangażowani byli w budowę detektora ND280, co obejmowało projekt i budowę systemu montażu poddetektora SMRD (ang. Side Muon Range Detector).

Fizycy z zakładu 15 IFJ PAN są zaangażowani w badanie oddziaływań neutrin w bliskim detektorze ND280. Dobra znajomość ich oddziaływań (w tym prawdopodobieństwa zajścia oddziaływania danego typu, rodzaje i energie cząstek produkowanych w tych oddziaływaniach) jest niezbędna dla precyzyjnych pomiarów parametrów oscylacji, a także innych badań związanych z neutrinami.

W trwające obecnie prace nad modernizacją detektora ND280 zaangażowali się ponownie inżynierowie z DAI, którzy projektują i budują części do nowych komór projekcji czasowej [Wkład DAI do eksperymentu T2K (2008-2009)] ang. Side Muon Range Detector.

Najważniejsze wyniki

Do najważniejszych wyników otrzymanych przez eksperyment T2K należą: