T2K (Tokai to Kamioka) là một thí nghiệm neutrino với đường cơ sở dài, được đặt tại Nhật Bản, nghiên cứu về hiện tượng dao động neutrino. Neutrino là hạt cơ bản có ba “hương vị”: electron, muon và tau (tương ứng với neutrino electron, neutrino muon và neutrino tau). Chúng chỉ tương tác với vật chất phần lớn thông qua lực yếu và vì vậy rất khó phát hiện. Mặt trời là một trong những nguồn neutrino electron được tạo ra với số lượng lớn và chúng có thể đi xuyên qua Trái đất mà gần như không tương tác.
T2K đã tiến hành tìm kiếm các dao động neutrino từ neutrino muon đến neutrino electron và công bố các dấu hiệu thực nghiệm đầu tiên vào tháng 6 năm 2011. Những dao động này chưa từng được quan sát bởi bất kỳ thí nghiệm nào trước đó. T2K cũng đang thực hiện các phép đo dao động từ neutrino muon đến neutrino tau (đã được quan sát trước đó). Đây sẽ là những phép đo chính xác nhất hiện nay về xác suất của những dao động này và về sự chênh lệch giữa khối lượng của hai trong số các neutrino (chính xác là T2K đo hiệu giữa bình phương của những khối lượng này).
Chùm tia neutrino tại T2K
Thí nghiệm T2K gửi một chùm neutrino muon cực mạnh từ Tokai, ở bờ biển phía đông Nhật Bản, đến Kamioka ở khoảng cách 295 km ở phía tây Nhật Bản. Chùm neutrino được tạo ra trong các va chạm giữa chùm proton và bia than chì; những va chạm này tạo ra pion, sau đó được hội tụ thành một chùm bởi các thiết bị gọi là “horns” thông qua từ trường . Các hạt pion nhanh chóng phân hủy thành muon và neutrino muon. Các hạt muon và bất kỳ proton và pion nào còn lại đều bị chặn bởi lớp than chì thứ hai (được gọi là bia chắn chùm tia), nhưng các hạt neutrino vẫn có thể đi qua lớp này. Năng lượng của neutrino trong chùm neutrino rất quan trọng vì dao động neutrino phụ thuộc vào nó: neutrino năng lượng thấp dao động trong khoảng cách ngắn hơn so với neutrino năng lượng cao. Chùm neutrino tại T2K có dải năng lượng chủ yếu tập trung ở 600 MeV vì neutrino muon với năng lượng này có nhiều khả năng dao động nhất sau khi di chuyển 295 km.
T2K cũng đã bắt đầu (vào năm 2014) lấy dữ liệu với chùm phản neutrino muon. Người ta tin rằng lượng vật chất và phản vật chất được tạo ra trong vụ nổ Big Bang là bằng nhau và người ta không hiểu tại sao Vũ trụ ngày nay được cấu tạo hoàn toàn bằng vật chất. Mục đích của việc sử dụng chùm phản neutrino là để tìm kiếm giải pháp cho vấn đề này bằng cách so sánh dao động phản neutrino với dao động neutrino.
Hệ thống tương tác và thu nhận tín hiệu tại T2K
The caption in the figure should be modified to: Componentes del detector cercano ND280
Điều cần thiết là hướng của chùm neutrino phải ổn định trong phạm vi 1/20 độ và cường độ của chùm không đổi theo thời gian. Việc kiểm tra hướng và cường độ của chùm tia được thực hiện hàng ngày qua sự tương tác của neutrino với sắt trong hệ máy INGRID (Interactive Neutrino GRID). Hệ này đặt cách bia 280 mét trên đường đi của chùm neutrino.
T2K nghiên cứu dao động neutrino bằng hai hệ thống tương tác và thu tín hiệu riêng biệt, cả hai được đặt lệch chùm neutrino một góc 2,5 độ. Hệ tương tác và thu tín hiệu “gần” ND280 cách bia 280 mét, giúp xác định số lượng neutrino muon trong chùm tia trước khi bất kỳ dao động nào xảy ra. Neutrino sử dụng tại T2K có năng lượng cao hơn nhiều so với neutrino từ Mặt trời, và neutrino năng lượng cao có nhiều khả năng tương tác hơn. Một số lượng nhỏ neutrino muon tương tác với vật liệu nhấp nháy hoặc nước trong hệ ND280, và nhiều tương tác trong số này tạo ra muon. Muon là một hạt tích điện có thể được phát hiện vì nó ion hóa chất khí được đặt ngay sau các điểm tương tác. Các phép đo này được sử dụng để dự đoán số lượng neutrino muon sẽ được nhìn thấy trong hệ tương tác và thu tín hiệu “xa” Super Kamiokande nếu không có dao động. Hầu hết các hạt neutrino đi qua ND280 mà không tương tác, và chúng di chuyển với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng tới hệ Super Kamiokande (Super K). Nó nằm ở độ sâu 1000 mét dưới lòng đất ở phía tây Nhật Bản và cách bia ở Tokai 295 km. Tại hệ Super K, các hạt neutrino đi vào một buồng hình trụ chứa nước siêu tinh khiết rất lớn. Lúc này, hầu hết neutrino đi qua mà không tương tác, nhưng do năng lượng của neutrino cao và cường độ của chùm tia lớn, vì vậy vẫn có một lượng hạt tương tác với nước.
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.
Nhiều tương tác của neutrino muon tạo ra muon, trong khi tương tác của neutrino electron thường tạo ra electron. Muon và electron là những hạt tích điện, và chúng chiếm chỗ của các electron trong nước khi chúng đi qua. Khi các electron nước trở về trạng thái cân bằng của chúng sau khi hạt tích điện đi qua, photon được phát ra. Nếu hạt tích điện chuyển động nhanh hơn tốc độ ánh sáng trong nước (bằng 3/4 tốc độ ánh sáng trong chân không), các photon này sẽ phát ra dưới dạng hình nón, chúng được gọi là bức xạ Cherenkov. Toàn bộ các mặt của buồng chứa nước tại Super K được bao phủ bởi hơn 10.000 bộ nhân quang điện cực nhạy, giúp phát hiện dạng hình nón đặc trưng của bức xạ Cherenkov qua hình ảnh những vòng tròn tựa như những chiếc nhẫn. Super K có thể phân biệt muon (tạo ra vòng sắc nét) với các electron (tạo ra vòng nhưng nhòe hơn).
Để xem một sự kiện gần như trực tiếp từ Super K, hãy nhấp vào đây. Bạn sẽ thấy một bản đồ các ống nhân quang điện bên trong hệ Super K, từ một sự kiện được ghi lại cách đây không lâu. Màn hình sẽ cập nhật vài giây một lần. Đây chỉ là một mẫu ngẫu nhiên của các sự kiện được ghi lại mỗi giây tại Super K. (Để được giải thích về màn hình hiển thị sự kiện, nhấn vào đây). Hầu hết các sự kiện bạn thấy sẽ là các vệt muon đi từ trên xuống Trái đất, KHÔNG PHẢI neutrino từ chùm tia của T2K! Trên thực tế, hầu hết các tương tác neutrino mà chúng ta sàng lọc trong số hàng triệu sự kiện được ghi lại tại Super K đều do neutrino từ Mặt trời hoặc bầu khí quyển của Trái đất gây ra. Chỉ có vài trăm tương tác neutrino mỗi năm là do các chùm neutrino đi từ J-PARC.
Các dao động từ neutrino muon đến neutrino electron được nhìn thấy trong Super K khi hình ảnh các vòng tròn không rõ nét từ các electron được tạo ra trong tương tác của neutrino electron với nước. Hai mươi tám sự kiện electron- neutrino đã được nhìn thấy tại Super K, trong khi đó chỉ có 4,6 sự kiện được mong đợi nếu không có dao động. Xác suất mà 28 sự kiện này xảy ra không phải do dao động từ neutrino muon đến neutrino electron là rất nhỏ, chỉ ở mức 10−13 , và điều này xác nhận rằng những dao động này thưc sự đã xảy ra.
T2K cũng đang nghiên cứu các dao động từ neutrino muon đến neutrino tau và quá trình này được nhìn nhận qua sự giảm số lượng neutrino muon được phát hiện trong Super K so với dự đoán từ ND280 với việc không có dao động.
Những ưu điểm của thí nghiệm ngoài trục chùm tia
T2K là thí nghiệm neutrino ngoài trục chùm tia đầu tiên trên thế giới, với ND280 và Super K được đặt lệch chùm neutrino 2,5 độ.
Vùng ngoài trục của chùm tia có dải năng lượng hẹp hơn so với vùng trên trục, vì thế phần lớn neutrino ở vùng ngoài trục thay đổi hương vị khi chúng đi tới Super K. Ngoài ra, phép đo quan trọng nhất là phép đo năng lượng neutrino và phép đo này được thực hiện chính xác nhất từ các sự kiện trong đó một neutrino tương tác với một neutron trong hệ máy để tạo ra một muon và một proton. Mặt khác, vùng ngoài trục của chùm tia có tỷ lệ các sự kiện này lớn hơn so với vùng trên trục, cho phép T2K thực hiện các phép đo năng lượng neutrino chính xác hơn. Điều này dẫn đến các phép đo xác suất dao động neutrino và chênh lệch khối lượng neutrino chính xác hơn so với các phép đo từ các thí nghiệm trước đây.
