T2K (Tokai to Kamioka, “De Tokai a Kamioka”) es un experimento de neutrinos con una instalación “long-baseline” (consistente en un acelerador de partículas con una larga línea de propagación del haz) que se desarrolla en Japón y que se centra en el estudio de las oscilaciones de neutrinos. Los neutrinos son partículas elementales de tres “sabores”: electrónico, muónico y tauónico. Sólo interactúan a través de la fuerza nuclear débil y son muy difíciles de detectar, ya que rara vez interactúan con la materia. Los neutrinos electrónicos se producen en grandes cantidades en el Sol, siendo capaces estos neutrinos solares de atravesar toda la Tierra sin interactuar.
T2K realizó una búsqueda de oscilaciones de neutrinos muónicos a neutrinos electrónicos, anunciando los primeros indicios experimentales de las mismas en junio de 2011. Estas oscilaciones nunca habían sido observadas por ningún experimento anterior. T2K también está realizando mediciones de oscilaciones entre neutrinos muónicos y neutrinos tauónicos (que ya habían sido observadas en experimentos anteriores), las cuales serán las mediciones más precisas hasta la fecha sobre la probabilidad de estas oscilaciones y de la diferencia entre las masas de dos de los neutrinos (para ser precisos, T2K mide la diferencia entre los cuadrados de estas masas).
El haz de neutrinos de T2K
El experimento T2K envía un intenso haz de neutrinos muónicos desde Tokai, que se encuentra en la costa este de Japón, hasta Kamioka, a una distancia de 295 km en el oeste de Japón. El haz de neutrinos se produce en colisiones entre un haz de protones y un blanco de grafito; estas colisiones producen piones, que se coliman en un haz mediante dispositivos magnéticos llamados, por su forma, “horns” o bocinas. Estos piones se desintegran rápidamente en muones y neutrinos muónicos. Los muones y los protones y piones restantes del haz son detenidos por una segunda capa de grafito (denominada “beam dump” que actúa como colector del haz), pero los neutrinos son capaces de atravesar esta capa. La energía de los neutrinos en el haz es importante, ya que las oscilaciones dependen de ella: los neutrinos de baja energía oscilan en una distancia más corta que los neutrinos de alta energía. El haz de neutrinos de T2K tiene un rango de energías centrado en 600 MeV, ya que los neutrinos muónicos con esta energía tienen más probabilidades de oscilar tras recorrer 295 km.
T2K también ha comenzado (en 2014) a tomar datos utilizando un haz de antineutrinos muónicos. Ello está motivado porque se cree que en el Big Bang se produjeron cantidades iguales de materia y antimateria y no se entiende aún por qué el Universo actual está compuesto íntegramente de materia. Así, utilizar un haz de antineutrinos permitirá buscar una respuesta a este problema, comparando las oscilaciones de antineutrinos con las de neutrinos.
Los detectores de T2K
The caption in the figure should be modified to: Componentes del detector cercano ND280
Es esencial que la dirección del haz de neutrinos sea estable con una precisión de 1/20 de grado y que la intensidad del haz sea constante a lo largo del tiempo. La dirección y la intensidad del haz se comprueban diariamente mediante las interacciones de los neutrinos con el hierro presente en el detector cercano “Interactive Neutrino GRID” (INGRID), compuesto una red interactiva de módulos verticales y horizontales. Dicho detector está situado a 280 metros del blanco de grafito, y centrado en la dirección del haz de neutrinos.
T2K estudia las oscilaciones de neutrinos con dos detectores distintos, ambos situados a 2,5 grados respecto a la dirección central del haz de neutrinos. El detector cercano, llamado ND280 (NearDetector280), también se encuentra a 280 metros del objetivo, y mide el número de neutrinos muónicos en el haz antes de que se produzcan oscilaciones. Los neutrinos de T2K tienen energías mucho más altas que los neutrinos solares, siendo más probable que estos neutrinos de alta energía interactúen con la materia. Un pequeño número de neutrinos muónicos interactúan con el centelleador o el agua presente en el ND280, y muchas de estas interacciones producen un muón. El muón es una partícula cargada, y puede detectarse ya que ioniza el gas que se coloca inmediatamente después de los puntos de interacción. Estas mediciones del ND280 se utilizan para predecir el número de neutrinos muónicos que se verían en el “detector lejano” de SuperKamiokande si no hubiera oscilaciones.
La mayoría de los neutrinos atraviesan el ND280 sin interactuar, y éstos viajan a una velocidad cercana a la de la luz hasta Super Kamiokande (Super K). Este detector se encuentra a 1.000 metros bajo tierra en el oeste de Japón, a 295 km del blanco de grafito donde se producen los neutrinos en Tokai. En el detector Super K, los neutrinos entran en un cilindro muy grande de agua ultrapura. Una vez más, la mayoría de los neutrinos pasan sin interactuar pero, debido a las altas energías de los neutrinos y a la intensidad del haz, algunos interactúan con el agua.
Muchas de las interacciones de los neutrinos muónicos producen muones, mientras que las interacciones de los neutrinos electrónicos suelen producir electrones. Los muones y los electrones son partículas cargadas que desplazan a los electrones del agua a su paso. Cuando los electrones del agua vuelven a su posición de equilibrio tras el paso de la partícula cargada, emiten luz. Si la partícula cargada que la atraviesa se desplaza a una velocidad superior a la de la luz en el agua (que es tres cuartas partes de su velocidad en el vacío), esta luz se emite en forma de un cono conocido como radiación de Cherenkov. Las paredes de Super K están revestidas con más de 10.000 tubos fotomultiplicadores sensibles, que detectan el cono de luz Cherenkov en forma de anillo. Super K puede distinguir los muones (que producen un anillo nítido) de los electrones (que producen un anillo más difuso).
Para ver un evento casi en directo en Super K, haz clic aquí. Verás un mapa de los fototubos dentro del detector Super-K, de un suceso registrado hace poco tiempo. La visualización se actualizará cada pocos segundos. Se trata sólo de una muestra aleatoria de los sucesos registrados cada segundo en Super-K. (Para una explicación de la visualización de sucesos, haz clic aquí). La mayoría de los sucesos que verás serán trazas de muones descendentes desde la atmósfera, ¡NO neutrinos del haz T2K! De hecho, la mayoría de las interacciones de neutrinos que “filtramos” de entre los millones de sucesos registrados en Super-K están causadas por neutrinos procedentes del Sol o de la atmósfera terrestre. Sólo unos pocos cientos de interacciones de neutrinos al año se deben a los neutrinos del haz que llega desde el J-PARC en Tokai.
Las oscilaciones de neutrinos muónicos a neutrinos electrónicos fueron observadas en Super K como anillos difusos de electrones producidos en interacciones de neutrinos electrónicos con el agua. Se han observado 28 eventos de neutrinos electrónicos en Super K, mientras que sólo se habrían esperado 4,6 si no hubiera oscilaciones. La probabilidad de que estos 28 sucesos se deban a un proceso distinto de las oscilaciones de neutrinos muónicos a neutrinos electrónicos es ínfima, del orden de 10-13, y confirma que estas oscilaciones se están produciendo.
T2K también está estudiando las oscilaciones de neutrinos muónicos a neutrinos tauónicos, las cuales se observan como una reducción en el número de neutrinos muónicos detectados en Super K en comparación con la predicción de ND280 en ausencia de oscilaciones.
Ventajas de un Experimento Off-Axis (“fuera del eje”)
T2K es el primer experimento de neutrinos off-axis del mundo, con ND280 y Super K situados a 2,5 grados del centro del haz de neutrinos.
La parte fuera del eje (off-axis) del haz tiene un rango de energías más estrecho que la parte en el eje (on-axis), lo que significa que una fracción mayor de neutrinos cambian de sabor cuando llegan a Super K. Además, la medida más importante es la de la energía del neutrino y esta medida se realiza con mayor precisión a partir de sucesos en los que un neutrino interactúa con un neutrón en el detector para producir un muón y un protón. La parte fuera del eje del haz tiene una mayor fracción de estos sucesos que la parte en el eje, lo que permite a T2K realizar mediciones más precisas de la energía de los neutrinos. Esto conduce a mediciones más precisas de la probabilidad de oscilaciones de neutrinos y de las diferencias de masa de neutrinos que las de experimentos anteriores.
