Ek­spe­ry­ment T2K

High Ener­gy Ac­ce­le­ra­tor Re­se­arch Or­ga­ni­za­tion (KEK)

In­sti­tu­te for Co­smic Ray Re­se­arch (ICRR), Uni­ver­si­ty of To­kyo

Ja­pan Pro­ton Ac­ce­le­ra­tor Re­se­arch Com­plex (J-PARC) Cen­ter

Mię­dzy­na­ro­do­wy eks­pe­ry­ment T2K ogło­sił dziś wy­niki do­ty­czą­ce sy­me­trii mię­dzy oscy­la­cja­mi neu­trin i an­ty­neu­trin. T2K prze­pro­wa­dzi­ło no­wą, jed­no­cze­sną ana­li­zę wszyst­kich swo­ich da­nych, uży­wa­jąc pra­wie dwu­krot­nie wię­cej da­nych an­tyneu­tri­no­wych w po­rów­na­niu z po­cząt­ko­wy­mi wy­nikami opu­bli­ko­wa­ny­mi w 2015 r. No­we wy­niki kon­ty­nu­ują trend za­ob­ser­wo­wa­ny w 2015 r., czy­li pre­fe­ren­cję dla mak­sy­mal­ne­go za­ni­ka­nia neu­trin mio­no­wych, a tak­że roz­bież­ność mię­dzy czę­sto­ścią po­ja­wia­nia się neu­trin i an­ty­neu­trin elek­tro­no­wych.

Je­śli ła­ma­nie sy­me­trii CP za­cho­dzi w sek­to­rze neu­trin, bę­dzie ono wi­docz­ne ja­ko róż­ni­ca w praw­do­po­do­bień­stwach oscy­la­cji neu­trin i an­ty­neu­trin. W eks­pe­ry­men­cie T2K wiąz­ka neu­trin mio­no­wych pro­du­ko­wa­na jest w ośrod­ku Ja­pan Pro­ton Ac­ce­le­ra­tor Re­se­arch Com­plex (J-PARC) w To­kai w pre­fek­tu­rze Iba­ra­ki, na wschod­nim wy­brze­żu Ja­po­nii. Wiąz­ka neu­trin two­rzo­na jest po­przez na­kie­ro­wa­nie wiąz­ki pro­to­nów o ener­gii 30 GeV na cy­lin­drycz­ną tar­czę, by otrzy­mać in­ten­syw­ny stru­mień czą­stek wtór­nych, któ­ry jest na­stęp­nie ogni­sko­wa­ny i fil­tro­wa­ny przez sil­ne po­la ma­gne­tycz­ne ro­gów (hor­nów) ma­gne­tycz­nych. Zo­gni­sko­wa­ne cząst­ki wtór­ne roz­pa­da­ją się na neu­tri­na lub an­ty­neu­tri­na, za­leż­nie od te­go, ja­ki znak ła­dun­ku elek­trycz­ne­go czą­stek zo­stał wy­bra­ny w fil­tra­cji przez ro­gi ma­gne­tycz­ne. Wiąz­ka (an­ty) neu­trinowa jest mo­ni­to­ro­wa­na przez układ de­tek­torów w To­kai, 280 m od tar­czy, i wy­ce­lo­wa­na w gi­gan­tycz­ny pod­ziem­ny de­tek­tor Su­per-Ka­mio­kan­de w Ka­mio­ce, bli­sko za­chod­nie­go wy­brze­ża Ja­po­nii, 295 km od To­kai.

Ob­ser­wo­wa­na przez T2K czę­stość po­ja­wia­nia się an­ty­neu­trin elek­tro­no­wych w wiąz­ce jest niż­sza niż spo­dzie­wana, ba­zo­wa­na na ana­lo­gicz­nej licz­bie dla neu­trin elek­tro­no­wych przy za­ło­że­niu, że sy­me­tria CP jest za­cho­wa­na. T2K ob­ser­wu­je 32 neu­tri­na i 4 an­ty­neu­tri­na elek­tro­no­we, pod­czas gdy licz­by spo­dzie­wane przy za­cho­wa­niu sy­me­trii CP to 23 neu­tri­na i 7 an­ty­neu­trin elek­tro­no­wych. Je­śli weź­mie się pod uwa­gę pe­łen obraz oscy­la­cji trzech za­pa­chów neu­trin i an­ty­neu­trin, oraz uwzględ­ni po­mia­ry za­ni­ku an­ty­neu­trin elek­tro­no­wych w eks­pe­ry­mentach re­ak­to­ro­wych, za­kres spo­dzie­wanego po­ziomu uf­no­ści 90% na pa­ra­metr del­ta­CP dla obec­ne­go ze­stawu da­nych T2K się­ga od 2pi (to jest peł­ne­go moż­li­wego za­kre­su) do 1pi, za­leż­nie od praw­dzi­wej war­to­ści del­ta­CP i praw­dzi­wej hie­rar­chii mas neu­trin. Ana­li­za da­nych wska­zu­je na 90% po­ziom uf­no­ści dla del­ta­CP w ob­sza­rze[-0.99pi, -0.12pi] dla nor­mal­nej lub[-0.67pi,-0.24pi] dla od­wró­co­nej hie­rar­chii mas. Punkt naj­lep­sze­go do­pa­so­wa­nia le­ży w po­bli­żu war­to­ści mak­sy­mal­ne­go ła­ma­nia CP del­ta­CP=–0.5pi, pod­czas gdy war­to­ści za­cho­wu­jące CP (del­ta­CP=0 i del­ta­CP=pi) le­żą po­za ob­sza­rem fa­wo­ry­zo­wa­nym przez T2K.

Ek­spe­ry­ment T2K jest wspie­ra­ny głów­nie przez ja­poń­skie Mi­ni­ster­stwo Kul­tu­ry, Spor­tu, Nau­ki i Tech­no­lo­gii. Ek­spe­ry­ment zo­stał zbu­do­wa­ny i jest ob­słu­gi­wa­ny przez mię­dzy­na­ro­do­wą gru­pę ba­daw­czą, któ­ra obec­nie skła­da się z po­nad 450 fi­zy­ków z 61 ośrod­ków ba­daw­czych w 11 kra­jach (Fran­cja, Hisz­pa­nia, Ja­po­nia, Ka­na­da, Niem­cy, Pol­ska, Ro­sja, Sta­ny Zjed­no­czo­ne, Szwaj­ca­ria, Wiel­ka Bry­ta­nia, Wło­chy).

Uzy­ska­nie tych wy­ników by­ło moż­li­we dzię­ki nie­stru­dzo­nej pra­cy ze­spo­łu J-PARC, do­star­cza­ją­ce­go wy­so­kiej ja­ko­ści wiąz­ki po­mi­mo wie­lu trud­no­ści, m.in. po­tęż­ne­go trzę­sie­nia zie­mi we wschod­niej Ja­po­nii w mar­cu 2011 r., któ­re wy­wo­ła­ło po­waż­ne uszko­dze­nia kom­plek­su ak­ce­le­ra­to­rów i na rok prze­rwa­ło zbie­ra­nie da­nych przez eks­pe­ry­ment T2K.

Po­szu­ki­wa­nie ła­ma­nia sy­me­trii CP wśród neu­trin wpły­nę­ło na od­kry­cie przez T2K po­ja­wia­nia się neu­trin elek­tro­no­wych w 2013 r., co by­ło pierw­szą ob­ser­wa­cją po­ja­wia­nia się neu­trin o in­nym za­pa­chu w wy­ni­ku oscy­la­cji. Od­kry­cie to za­owo­co­wa­ło na­gro­dą Bre­ak­th­ro­ugh Pri­ze for Fun­da­men­tal Phy­sics w 2016 dla Ko­ichi­ro Ni­shi­ka­wy i ca­łej współ­pra­cy. Wy­nik za­pre­zen­to­wa­ny w 2016 jest opar­ty o ze­staw da­nych ze­bra­nych dla 1.51x10²¹ pro­to­nów ude­rza­ją­cych w tar­czę (pro­tons on target, POT), co sta­no­wi 19% ca­łe­go za­pla­no­wa­ne­go dla T2K ze­stawu. Praw­do­po­do­bień­stwo, że wy­nik ten jest spo­wo­do­wa­nych lo­so­wą fluk­tu­acją sta­ty­stycz­ną, po­wo­du­ją­cą, iż ob­ser­wu­je się asy­me­trię, któ­ra w rze­czy­wi­sto­ści nie ist­nie­je, to oko­ło 1 do 20, na­le­ży więc na­dal zbie­rać da­ne dla neu­trin i an­ty­neu­trin, by upew­nić się, że ten in­try­gu­ją­cy re­zul­tat jest praw­dzi­wy. Pe­łen ze­staw da­nych (7.8x10²¹ POT) T2K spo­dzie­wa się otrzy­mać ok. ro­ku 2021, dzię­ki pla­no­wa­nym ulep­sze­niom głów­ne­go ak­ce­le­ra­to­ra i ukła­du pro­duk­cji wiąz­ki w J-PARC (http: //t2k-expe­ri­ment. or­g/2016/04/j-parc-ma­in-ring-upgra­de-ap­pro­ve­d/). Co wię­cej, T2K za­pro­po­no­wa­ło wy­dłu­że­nie cza­su zbie­ra­nia da­nych, co po­zwo­li­ło­by osią­gnąć licz­bę 20x10²¹ POT i zna­czo­ność sta­ty­stycz­ną na ob­ser­wa­cję ła­ma­nia CP 3 sig­ma (dla czę­ści war­to­ści pa­ra­me­trów opi­su­ją­cych oscy­la­cje) do 2025 r., kie­dy to pla­nu­je się uru­cho­mie­nie na­stęp­nej ge­ne­ra­cji eks­pe­ry­men­tów neu­tri­no­wych.

Wię­cej szcze­gó­łów na te­mat no­we­go wy­ni­ku T2K, a tak­że przy­szłych per­spek­tyw eks­pe­ry­men­tu moż­na zna­leźć w pre­zen­ta­cji na 38^th In­ter­na­tio­nal Con­fe­ren­ce on High Ener­gy Phy­sics z Chi­ca­go, na­to­miast wię­cej in­for­ma­cji o sa­mym eks­pe­ry­men­cie znaj­du­je się na pu­blicz­nej stro­nie http: //t2k-expe­ri­ment. org.

– Od­kry­cie, że neu­tri­na i an­ty­neu­tri­na za­cho­wu­ją się ina­czej, po­mo­że w zro­zu­mie­niu dla­cze­go we Wszech­świe­cie do­mi­nu­je ma­te­ria. Gdy­by pra­wa fi­zy­ki by­ły iden­tycz­ne dla ma­te­rii i an­tyma­te­rii, Wszech­świat wy­peł­nia­ło­by tyl­ko pro­mie­nio­wa­nie, po­wsta­łe z ich ani­hi­la­cji. Sko­ro tak nie jest – na co do­wo­dem jest na­sze ist­nie­nie – „coś” spo­wo­do­wa­ło, że ma­te­rii by­ło nie­co wię­cej i to ona prze­trwa­ła – mó­wi dr Ju­sty­na Ła­go­da z Za­kła­du Fi­zy­ki Wiel­kich Ener­gii NCBJ.