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 38th 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.