T2K (ang. Tokai to Kamioka) – eksperyment z fizyki cząstek, badający oscylacje neutrin akceleratorowych. Eksperyment jest prowadzony w Japonii w ramach współpracy międzynarodowej około 500 fizyków i inżynierów z ponad 60 instytucji badawczych z kilkunastu krajów z Europy, Azji i Ameryki Północnej, jest uznanym eksperymentem CERN-owskim (RE13).
T2K był pierwszym eksperymentem, w którym zaobserwowano pojawienie się neutrin elektronowych w wiązce neutrin mionowych. Dostarczył również najlepszego na świecie pomiaru parametru oscylacyjnego θ23 oraz wskazania na znaczną asymetrię materii i antymaterii w oscylacjach neutrin. Pomiar asymetrii między oscylacjami neutrin a antyneutrin może przybliżyć nas do wyjaśnienia istnienia naszego zdominowanego przez materię Wszechświata.
Intensywna wiązka neutrin mionowych wytwarzana jest w ośrodku J-PARC (Japan Proton Accelerator Research Complex) w miejscowości Tōkai, w prefekturze Ibaraki na wschodnim wybrzeżu Japonii. Wiązka skierowana jest w stronę dalekiego detektora Super-Kamiokande znajdującego się w odległości 295 km w mieście Hida w prefekturze Gifu. Właściwości i skład strumienia neutrin mierzony jest najpierw za pomocą układu bliskich detektorów umieszczonych 280 m od miejsca wytwarzania wiązki na terenie ośrodka J-PARC, oraz w detektorze Super-Kamiokande. Porównanie zawartości neutrin poszczególnych zapachów w tych dwóch lokalizacjach pozwala na pomiar prawdopodobieństwa oscylacji na drodze między bliskim i dalekim detektorem. Super-Kamiokande umożliwia rejestrację oddziaływań zarówno neutrin mionowych, jak i elektronowych, a tym samym na pomiar zanikania strumienia neutrin mionowych, jak również pojawiania się neutrin elektronowych w wiązce.
Program fizyczny Eksperyment T2K został zaproponowany w 2003 roku, a celem jego działania były następujące pomiary: Odkrycie oscylacji νμ → νe, a tym samym potwierdzenie, że ostatni nieznany wtedy kąt mieszania θ13 ma niezerową wartość. Precyzyjny pomiar parametrów oscylacji Δm i θ23 za pomocą analizy zanikania neutrin mionowych. Poszukiwanie oscylacji neutrin sterylnych, które byłyby widoczne jako deficyt oddziaływań neutrin przez prądy neutralne. Pomiary przekrojów czynnych dla poszczególnych typów oddziaływań różnych rodzajów neutrin i jąder tarczy w zakresie energii rzędu kilku GeV.
Od początku zbierania danych w 2010 r. eksperyment T2K dostarczył serię światowej klasy wyników fizycznych: Potwierdzenie pojawiania się neutrin elektronowych w wiązce neutrin mionowych (νμ → νe), co było pierwszym przypadkiem, gdy neutrina wyprodukowane w jednym stanie zapachowym zostały bezpośrednio zaobserwowane jako neutrina o innym zapachu. Najdokładniejszy na świecie pomiar parametru θ23. Pierwsze znaczące ograniczenie na wartość parametru δCP, odpowiedzialnego za asymetrię materia-antymateria w sektorze neutrin. Limity na wartości parametrów związane z oscylacjami neutrin sterylnych na podstawie analiz z użyciem bliskiego detektora ND280 i dalekiego detektora Super-Kamiokande. Różnorodne pomiary przekrojów czynnych na oddziaływania neutrin i antyneutrin elektronowych i mionowych, w tym inkluzywne oddziaływania przez prądy naładowane (CC), oddziaływania CC bez pionów i z pojedynczym pionem w stanie końcowym, koherentną produkcję pionów, oddziaływania przez prądy neutralne itd. na różnych tarczach, takich jak węgiel, woda i żelazo.
Oczekuje się, że przyszła modernizacja eksperymentu T2K zapewni dalsze ograniczenie na wartość fazy δCP poprzez porównanie oscylacji neutrin z oscylacjami antyneutrin, a także bardziej precyzyjne pomiary parametrów Δm i θ23 oraz pomiary przekrojów czynnych, które poszerzą wiedzę na temat oddziaływań neutrin i dzięki temu umożliwią ulepszenie modeli teoretycznych stosowanych w generatorach neutrin.
Wiązka neutrin mały|Ośrodek akceleratorowy J-PARC z lotu ptaka mały|Schemat produkcji wiązki neutrin mionowych T2K wykorzystuje wiązkę neutrin lub antyneutrin mionowych wytwarzaną przy użyciu wiązki protonów, które są wcześniej przyspieszane do energii 30 GeV przez system trzech akceleratorów: najpierw do 400 MeV przez akcelerator liniowy Linac, następnie do 3 GeV przez synchrotron RCS (Rapid Cycle Synchrotron), a na koniec do 30 GeV przez synchrotron MR (Main Ring). Protony zderzają się z tarczą grafitową wytwarzając mezony, głównie piony i kaony, które są następnie skupiane przez układ trzech magnesów i kierowane do tunelu zwanego objętością rozpadu. W zależności od polaryzacji magnesów skupiane są cząsteczki dodatnie albo ujemne. Dodatnie piony i kaony rozpadają się głównie na μ+ i νμ tworząc wiązkę neutrin mionowych, natomiast ujemne piony i kaony rozpadają się głównie na μ− i μ tworzące wiązkę antyneutrin mionowych. Pozostałe hadrony i naładowane leptony są zatrzymywane przez 75-tonowy blok grafitu (ang. beam dump) i w ziemi za nim, podczas gdy neutrina poruszają się w ziemi w kierunku dalekiego detektora.
Wiązka pozaosiowa mały|Przewidywany strumień neutrin w funkcji energii w detektorze ND280 T2K jest pierwszym eksperymentem, w którym zastosowano pozaosiową wiązkę neutrin. Wiązka neutrin w J-PARC została zaprojektowana w taki sposób, aby może było ją skierować o 2–3 stopnie od dalekiego detektora Super-Kamiokande i od jednego z bliskich detektorów – detektora ND280. Średnia energia neutrin zmniejsza się wraz z odchyleniem od osi wiązki. Kąt pozaosiowy został wybrany na 2,5°, aby zmaksymalizować prawdopodobieństwo oscylacji w odległości odpowiadającej dalekiemu detektorowi, które dla 295 km jest największe dla neutrin o energii około 600 MeV. W tym zakresie energii dominującym rodzajem oddziaływań neutrin są oddziaływania quasielastyczne z wymianą prądów naładowanych (ang. Charged Current Quasi-Elastic – CCQE), dla których możliwe jest wyznaczenie energii oddziałującego neutrina tylko na podstawie pędu i kierunku wytworzonego naładowanego leptonu. Wyższe energie neutrin są tłumione przez pozaosiową konfigurację, zmniejszając liczbę oddziaływań z produkcją mezonów, które są tłem w badaniu oscylacji w eksperymencie T2K.
Bliskie detektory W odległości 280 metrów od tarczy grafitowej znajduje się układ bliskich detektorów, którego celem jest pomiar strumienia neutrin przed oscylacjami oraz badanie oddziaływań neutrin. Układ składa się z trzech głównych detektorów: Detektora INGRID (ang. Interactive Neutrino GRID) położonego na osi wiązki neutrin. Detektora ND280 położonego 2,5° od osi wiązki, czyli pod takim samym kątem jak daleki detektor. Detektora WAGASCI-BabyMIND (WAter Grid SCIntillator Detector – prototype Magnetized Iron Neutrino Detector) – namagnesowanego detektora neutrin znajdującego się pod kątem 1,5° od osi wiązki neutrin, zbudowanego w celu zbadania zmian widma energii z kątem względem osi wiązki i przekrojów czynnych przy wyższej średniej energii neutrin.
Odczyt sygnału mały|Zasada działania scyntylatora w bliskich detektorach eksperymentu T2K Z wyjątkiem komór projekcji czasowej w ND280, cały materiał aktywny (czyli umożliwiający śledzenie torów cząstek) w wyżej wymienionych bliskich detektorach to scyntylator z tworzywa sztucznego. Światło wytwarzane przez cząstki przechodzące przez paski lub płyty scyntylatora jest zbierane przez włókna fluoroscecyjnych światłowodów WLS (ang. wavelenght shifting fibres) i rejestrowane przez fotopowielacze krzemowe MPPC (Multi-pixel photon counter) firmy Hamamatsu, umieszczone na jednym lub na obu końcach włókna. Paski scyntylatora są zorganizowane w warstwy, przy czym paski w dwóch sąsiednich warstwach są ułożone prostopadle do siebie, dostarczając w ten sposób trójwymiarowej informacji o torach przechodzących cząstek.
Detektor INGRID Głównym celem detektora INGRID jest codzienne monitorowanie kierunku i intensywności wiązki przez bezpośredni pomiar oddziaływań neutrin. Detektor INGRID składa się z 16 identycznych modułów ułożonych w kształt krzyża, po 7 w pionowym i poziomym ramieniu, oraz dwóch modułów poza krzyżem. Wysokość i szerokość ramion wynosi po 10 metrów. Pojedynczy moduł składa się z naprzemiennie ułożonych warstw żelaza i scyntylatora z tworzywa sztucznego. Dodatkowe 4 warstwy scyntylatora otaczają moduł po bokach w celu odróżnienia cząstek wchodzących z zewnątrz od tych wytworzonych w oddziaływaniach wewnątrz modułu. Całkowita masa żelaza w jednym module wynosi 7,1 tony i stanowi 96% masy modułu. Na osi wiązki neutrin, na środku krzyża między ramieniem pionowym a poziomym znajduje się dodatkowy moduł zbudowany tylko z warstw scyntylatora plastikowego (ang. Proton Module) o masie 0,55 tony. Jego celem jest rejestracja oddziaływań quasielastycznych i porównanie otrzymanych wyników z symulacjami Monte Carlo.
Detektor ND280 mały|Rozstrzelony schemat detektora ND280 Detektor ND280 służy do pomiaru strumienia, spektrum energii i zanieczyszczenia wiązki neutrinami elektronowymi dla tego samego kąta od osi wiązki jak w dalekim detektorze. W ND280 badane są też różne typy oddziaływań neutrin i antyneutrin mionowych i elektronowych. Wszystko to pozwala oszacować oczekiwaną liczbę i typ oddziaływań w dalekim detektorze, zmniejszając błąd systematyczny w pomiarach oscylacji neutrin związany z modelowaniem oddziaływań i strumienia neutrin.
ND280 składa się z układu detektorów wewnętrznych: detektora Pi-Zero (P0D) oraz detektora śladowego złożonego z 2 detektorów FGD (ang. Fine-Grained Detectors) ułożonych na przemian z trzema komorami projekcji czasowej, które są umieszczone wewnątrz metalowej ramy (ang. basket). Rama jest otoczona kalorymetrem elektromagnetycznym i magnesem, pochodzącym z eksperymentu UA1, wytwarzającym jednorodne, poziome pole magnetyczne o indukcji 0,2 T. W szczeliny magnesu włożone zostały płyty scyntylatora stanowiące detektor SMRD (ang. Side Muon Range Detector).
Detektor Pi-Zero mały|Schemat poddetektora Pi-Zero Detektor Pi-Zero (P0D – ang. Pi-Zero Detector, π0 Detector) zbudowany jest z 40 modułów zawierającymi warstwy scyntylatora plastikowego, które w części środkowej ułożone są na przemian z pojemnikami napełnianymi wodą o grubości 2,8 cm i grubymi mosiężnymi blachami, a w dwóch obszarach zewnętrznych moduły scyntylatora przeplatane są z arkuszami ołowiu. Porównanie liczby oddziaływań między trybami pracy z i bez wody w pojemnikach, pozwala wyodrębnić liczbę oddziaływań neutrin zachodzących na wodzie – materiale, którym wypełniony jest daleki detektor Super-Kamiokande. Rozmiar całej aktywnej objętości detektora P0D wynosi około 2,1 m × 2,2 m × 2,4 m (X × Y × Z), a jej masa z wodą i bez wynosi odpowiednio 15,8 i 12,9 tony.
Głównym celem detektora P0D jest pomiar produkcji pionów neutralnych w oddziaływaniach neutrin przez prądy neutralne na wodzie: νμ + N → νμ + N ’+ π0 Ta reakcja może imitować oddziaływania neutrin elektronowych w detektorze Super-Kamiokande, ponieważ fotony z rozpadu π0 mogą zostać błędnie zrekonstruowane jako elektron, a zatem jest to istotne tło w pomiarze pojawiania się neutrin elektronowych.
Komory projekcji czasowej TPC Trzy komory projekcji czasowej (ang. Time Projection Chambers, TPC) są to gazoszczelne prostokątne pudła, z płaszczyzną katody pośrodku i modułami odczytu MicroMegas po obu stronach równolegle do katody. TPC są wypełnione gazem pod ciśnieniem atmosferycznym na bazie argonu. Naładowane cząstki przechodzące przez TPC jonizują gaz wzdłuż swojego toru. Elektrony jonizacji dryfują od katody w kierunku boków TPC, gdzie są rejestrowane przez moduły MicroMegas, dostarczając trójwymiarowy obraz toru przemieszczającej się naładowanej cząstki. Współrzędne Y i Z są oparte na pozycji zarejestrowanych elektronów jonizacji na modułach MicroMegas, a współrzędna X oparta jest na czasie dryfu elektronów. W polu magnetycznym krzywizna toru cząstki pozwala określić jej ładunek i pęd, a ilość elektronów jonizujących na jednostkę odległości służy do identyfikacji cząstek na podstawie wzoru Bethe-Blocha.
Detektory FGD