O T2K

T2K (Tokai to Kamioka) jest eksperymentem neutrinowym z długą bazą pomiarową znajdującym się w Japonii, który badaja oscylacje neutrin. Neutrina, to cząstki elementarne występujące w trzech “zapachach”: neutrino elektronowe, mionowe i taonowe. Oddziałują one tylko poprzez oddziaływania słabe i są bardzo trudne do wykrycia, ponieważ rzadko oddziałują z materią. Neutrina elektronowe są produkowane w dużych ilościach w Słońcu i mogą przelecieć przez całą kulę ziemską nie oddziałując.

Eksperyment T2K prowadził poszukiwania oscylacji neutrin mionowych w neutrina elektronowe i ogłosił pierwsze eksperymentalne wskazanie na istnienie tego zjawiska w czerwcu 2011 roku. Oscylacje tego typu nie były nigdy wcześniej obserwowane przez żaden eksperyment. T2K mierzy również parametry oscylacji neutrin mionowych w neutrina taonowe (których istnienie zostało potwierdzone przez wcześniej działające eksperymenty). W eksperymencie planuje się wykonać najdokładniejsze jak dotąd pomiary prawdopodobieństwa tych oscylacji oraz różnicy między kwadratami mas neutrin.

Wiązka neutrinowa w T2K

Eksperyment T2K korzysta z intensywnej wiązki neutrin mionowych produkowanej w miejscowości Tokai, która znajduje się na wschodnim wybrzeżu Japonii i wysyłanej do miejscowości Kamioka w odległości 295 km, w zachodniej Japonii. Wiązka neutrin powstaje w wyniku zderzeń wiązki protonów z grafitową tarczą, w wyniku których powstają piony, które są następnie skupiane w wiązkę przez urządzenia magnetyczne zwane “rożkami”. Piony szybko rozpadają się na miony i neutrina mionowe. Miony oraz wszelkie pozostałe protony i piony są zatrzymywane na grubej warstwie grafitu zwanej ,,śmietnikiem wiązki” (ang. beam dump), natomiast neutrina przechodzą przez tę warstwę. Energia neutrin w wiązce jest ważna, ponieważ od niej zależy prawdopodobieństwo oscylacji: niskoenergetyczne neutrina oscylują na krótszym dystansie niż wysokoenergetyczne. Neutrina z wiązki w T2K mają średnią energię równą 600 MeV, ponieważ jest najbardziej prawdopodobne, że neutrina mionowe o tej energii będą oscylować po przebyciu odległości 295 km.

T2K rozpoczął również (w 2014 roku) zbieranie danych na wiązce antyneutrin mionowych. Uważa się, że w Wielkim Wybuchu powstały równe ilości materii i antymaterii i nie wiadomo, dlaczego obecny Wszechświat składa się w całości z materii. Wiązkę antyneutrin wykorzystuje się do poszukiwania rozwiązania problemu asymetrii między materią i antymaterią poprzez porównanie oscylacji antyneutrin z oscylacjami neutrin.

Detektory w T2K

Istotne jest, aby kierunek wiązki neutrin był stabilny z dokładnością do 1/20 stopnia oraz, aby natężenie wiązki było stałe w czasie. Kontrola kierunku i natężenia wiązki jest przeprowadzania codziennie przy użyciu bliskiego detektora o nazwie Interactive Neutrino GRID (INGRID), który wykorzystuje do tego oddziaływania neutrin z żelazem. Detektor ten znajduje się 280 metrów od tarczy i położony jest na osi wiązki neutrin.

T2K bada oscylacje neutrin za pomocą dwóch oddzielnych detektorów oddalonych o 2.5 stopnia od osi wiązki neutrin. Drugi bliski detektor o nazwie ND280 znajduje się w odległości 280 metrów od tarczy, na której produkowane są neutrina i mierzy parametry neutrin mionowych z wiązki, zanim wystąpią jakiekolwiek oscylacje. Neutrina w T2K mają znacznie wyższe energie niż neutrina słoneczne, w związku z czym mają wyższe prawdopodobieństwo, że wejdą w reakcje z materią. Neutrina mionowe z wiązki oddziałują ze scyntylatorem lub wodą, która znajduje się w ND280, a w znacznej części tych oddziaływań wytwarzany jest mion. Mion jest cząstką naładowaną, która może być wykryta, ponieważ jonizuje gaz, który znajduje się w detektorze ND280 tuż za wierzchołkiem oddziaływania. Pomiary w ND280 są wykorzystywane do tego, aby przewidzieć liczbę neutrin mionowych, które byłyby widoczne w dalekim detektorze, gdyby nie było oscylacji.

Większość neutrin przechodzi przez detektor ND280 nie oddziałując i podróżuje dalej z prędkością bliską prędkości światła do detektora dalekiego zwanego Super Kamiokande (Super K). Detektor ten znajduje się 1000 metrów pod ziemią, w zachodniej części Japonii i jest oddalony o 295 km od tarczy, na której produkowane są neutrina. Gdy neutrina dotrą do Super K wpadają do bardzo dużego cylindra wypełnionego ultra-czystą wodą. Również w tym przypadku większość neutrin przechodzi przez detektor nie oddziałując, jednak ze względu na ich wysokie energie oraz intensywność wiązki, niektóre wchodzą w reakcje z wodą.

W znacznej części oddziaływań neutrin mionowych produkowane są miony, podczas gdy w oddziaływaniach neutrin elektronowych produkowane są elektrony. Miony i elektrony są cząstkami naładowanymi i podróżując przez detektor Super K polaryzują atomy wchodzące w skład cząsteczek wody. Po przejściu cząstki naładowanej atomy wracają do stanu równowagi i emitują fotony światła. Jeśli przechodząca przez detektor cząstka naładowana porusza się z prędkością większą niż prędkość światła w wodzie (która wynosi 0.75 prędkości światła w próżni), w charakterystycznym stożku emitowane są fotony światła, które nazywa się promieniowaniem Czerenkowa. Ściany detektora Super K wyłożone są ponad 10 000 czułych fotopowielaczy, które rejestrują światło w postaci pierścieni Czerenkowa. Super K potrafi odróżnić miony (ich pierścień Czerenkowa ma ostre, wyraźne krawędzie) od elektronów (ich pierścień Czerenkowa ma rozmyte krawędzie).

Aby obejrzeć (prawie) na żywo zdarzenia rejestrowane w Super K, kliknij tutaj. Zobaczysz obraz, który pokazuje sygnał z fotopowielaczy umieszczonych na ściankach detektora Super K, zarejestrowany przed chwilą. Obraz aktualizuje się co kilka sekund. Jest to próbka zdarzeń rejestrowanych w każdej sekundzie przez Super K. (Objaśnienia dotyczące tego, co pokazuje powyższa strona, można znaleźć tutaj).  Większość zdarzeń, które widzisz na tej stronie, to ślady mionów kosmicznych idących w dół, a nie neutrin z wiązki T2K! W rzeczywistości większość oddziaływań neutrin, które są odfiltrowywane z milionów zdarzeń rejestrowanych w Super K, jest zainicjowana przez neutrina ze Słońca lub neutrina wyprodukowane w atmosferze ziemskiej. Tylko kilkaset oddziaływań neutrin rocznie pochodzi od neutrin z wiązki wyprodukowanej w J-PARC.

Oscylacje neutrin mionowych w neutrina elektronowe obserwuje się w Super K poprzez obecność pierścieni Czerenkowa od elektronów wytwarzanych w oddziaływaniach neutrin elektronowych z wodą. W Super K zaobserwowano 28 oddziaływań neutrin elektronowych, podczas gdy spodziewano by się tylko 4.6, w przypadku gdyby nie było oscylacji. Prawdopodobieństwo, że te 28 zdarzeń było wynikiem innego procesu niż oscylacje neutrin mionowych w neutrina elektronowe jest niewielkie i wynosi 10^-13, co potwierdza fakt, że oscylacje te występują.

Eksperyment T2K bada również oscylacje neutrin mionowych w neutrina taonowe, które obserwuje się poprzez zmniejszenie liczby neutrin mionowych rejestrowanych w Super K w porównaniu z przewidywaniami z detektora bliskiego ND280 dla braku oscylacji.

Zalety eksperymentu T2K

T2K jest pierwszym na świecie eksperymentem neutrinowym wykorzystującym tzw. wiązkę pozaosiową, gdzie detektory bliski: ND280 i daleki: Super K odchylone są o 2.5 stopnia od osi wiązki neutrin.

Pozaosiowa część wiązki neutrin ma węższe spektrum energii niż część na osi, co oznacza, że większa część neutrin zmienia zapach zanim dotrze do Super K. Kolejnym ważnym pomiarem jest analiza widma energetycznego neutrin. Pomiar ten, w T2K wykonuje się z największą dokładnością z wykorzystaniem zdarzeń, w których neutrino oddziałuje z neutronem w detektorze, produkując mion i proton. W części pozaosiowej wiązki obserwuje się więcej tego typu oddziaływań niż w części osiowej, co pozwala T2K zmierzyć energie neutrin z większą dokładnością. To z kolei daje T2K możliwość wykonania dokładniejszych pomiarów prawdopodobieństw oscylacji neutrin i różnic kwadratów mas neutrin niż w poprzednich eksperymentach.