T2K

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Przejdź do nawigacji Przejdź do wyszukiwania

T2K (ang. Tokai to Kamioka) – eksperyment z dziedziny fizyki cząstek elementarnych badający oscylacje neutrin akceleratorowych.

Eksperyment prowadzony jest w Japonii przez międzynarodową współpracę około 500 fizyków i inżynierów z ponad 60 instytucji naukowych z kilkunastu krajów z Europy, Azji i Ameryki Północnej[1]. Intensywna wiązka neutrin mionowych wytwarzana w ośrodku akceleratorowym J-PARC (Japan Proton Accelerator Research Complex) w miejscowości Tokai na wschodnim wybrzeżu Japonii skierowana jest w stronę dalekiego detektora Super-Kamiokande odległego o 295 km. Parametry wiązki badane są najpierw przez układ bliskich detektorów znajdujący się w odległości 280 m od miejsca produkcji wiązki na terenie ośrodka J-PARC, a następnie powtórnie w detektorze Super-Kamiokande. Porównanie zawartości neutrin poszczególnych zapachów pozwala na pomiar oscylacji na drodze między bliskim i dalekim detektorem. Super-Kamiokande umożliwia rejestrację oddziaływań neutrin mionowych i elektronowych, co pozwala zarówno na pomiar zanikania strumienia neutrin mionowych, jak i pojawiania się neutrin elektronowych w wiązce.

Eksperyment T2K rozpoczął zbieranie danych na początku 2010 roku. W marcu 2011 zostało ono przerwane na około rok przez trzęsienie ziemi. Z tego powodu w czerwcu 2011 zdecydowano się na opublikowanie pierwszych, wstępnych wyników, wskazujących na obserwację przemiany neutrin mionowych na elektronowe na poziomie istotności statystycznej 2.5 σ (za odkrycie uważa się zjawiska zweryfikowane na poziomie przynajmniej 3 σ). W lipcu 2013 roku ostatecznie potwierdzono ten wynik na poziomie 7.5 σ [2]. Jest to pierwszy w świecie eksperyment, w którym zaobserwowano ten rodzaj oscylacji.

Wiązka neutrin[edytuj | edytuj kod]

Ośrodek akceleratorowy J-PARC z lotu ptaka.

T2K wykorzystuje wiązkę neutrin lub antyneutrin mionowych wytwarzaną w ośrodku J-PARC przy użyciu wiązki protonów, które zostały wcześniej przyspieszone 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 (~90% wyprodukowanych cząstek) i kaony (~10%), które są następnie skupiane przez układ trzech magnesów i kierowane do objętości zwanej tunelem rozpadu. W zależności od polaryzacji magnesów skupiane są cząsteczki dodatnie lub 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 νμ tworzące wiązkę antyneutrin mionowych. Pozostałe hadrony i naładowane leptony są zatrzymywane przez 75-tonowy blok grafitu (ang. beam dump) i w gruncie, podczas gdy neutrina poruszają się pod ziemią w kierunku dalekiego detektora.

Wiązka pozaosiowa[edytuj | edytuj kod]

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 2–3 stopnie od dalekiego detektora Super-Kamiokande i od jednego z bliskich detektorów - detektora ND280. Kąt pozaosiowy został wybrany do 2,5°, aby zmaksymalizować prawdopodobieństwo oscylacji w odległości odpowiadającej dalszemu detektorowi, które dla 295 km są największe dla neutrin o energii około 600 MeV. Dodatkowo, w tym zakresie energii dominującym rodzajem oddziaływań neutrin są oddziaływania quasi-elastyczne 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. Wysoko-energetyczny ogon rozkładu energii neutrin jest tłumiony, co zmniejsza liczbę oddziaływań z produkcją mezonów, które są tłem w badaniu oscylacji w eksperymencie T2K.

Bliskie detektory[edytuj | edytuj kod]

W odległości 280 metrów od miejsca produkcji wiązki neutrin znajduje się układ bliskich detektorów, którego celem jest pomiar strumienia neutrin przed zajściem oscylacji oraz badanie oddziaływań neutrin. Układ składa się z dwóch 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.

Detektor INGRID[edytuj | edytuj kod]

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 plastikowego. Dodatkowe 4 warstwy scyntylatora otaczają moduł po bokach w celu odróżnienia cząstek wchodzących z zewnątrz od tych wyprodukowanych 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 kwazi-elastycznych i porównanie otrzymanych wyników z symulacjami Monte Carlo.

Detektor ND280[edytuj | edytuj kod]

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.

Zobacz też[edytuj | edytuj kod]

Przypisy[edytuj | edytuj kod]

  1. Oficjalna strona eksperymentu T2K, t2k-experiment.org.
  2. Obserwacja nowego rodzaju oscylacji neutrin w eksperymencie T2K (pol.). Wydział Fizyki UW, lipiec 2013.

Bibliografia[edytuj | edytuj kod]

Linki zewnętrzne[edytuj | edytuj kod]