T2K

A T2K (Tokai to Kamioka) kísérlet egy komplex részecskefizikai kísérlet, amely a neutrínók oszcillációját méri. Ez az első kísérlet, amely sikeresen kimutatta elektron-neutrínók ( $\nu _{e}$ ) megjelenését egy müon-neutrínó ( $\nu _{\mu }$ ) nyalábban ,^[1]^[2] precíz becslést adott a PMNS (Pontecorvo–Maki–Nakagawa–Sakata) neutrínó keveredési mátrix $\theta _{23}$ paraméterére ,^[3] és először talált anyag-antianyag aszimmetriára utaló jeleket neutrínóknál .^[4]^[5] Ez utóbbi magyarázatot adhat az Univerzumban megfigyelhető anyagdominanciára .^[6]^[7]

A kísérlet egy 500 fizikusokból és mérnökökből álló nemzetközi kollaborációban működik Japánban, több mint 60 kutatóintézet közreműködésével Euróbából, Ázsiából, Amerikából, ill. a CERN ^[8]^[9] részleges bevonásával.

A kísérletnek a neutrínónyalábot a J-PARC (Japan Proton Accelerator Research Complex) kutatóintézet biztosítja, amely Japán keleti partján, Tokaiban található. Mivel a müon-neutrinók a T2K kísérletben több száz kilométer megtétele után alakulnak át más neutrínótípusba, ezért a részecskenyalábot a J-PARC-tól 295 kilométer távolságra lévő Super-Kamiokande detektor felé irányítják. A nyaláb (oszcilláció előtti) tulajdonságait, neutrínó-íz összetételét egy a J-PARC teruletén található közeli detektorban (ND280) mérik, majd összehasonlítják a távolabbi Super-Kamiokande detektorban mért neutrínónyaláb összetételével. A két mérésből becsülik meg a neutrínók egymásbaalakulási valószínűségét. A Super-Kamiokande detektor képes mind müon- ill. elektron-neutrínók kölcsönhatásainak detektálására, ezért a müon-neutrínók eltűnését és az elektron-neutrínók megjelenését is képes kimutatni.

Történet

A T2K kísérlet a K2K (KEK to Kamioka) kísérlet utóda, amely 1999-től 2004-ig működött. A T2K-hez hasonlóan, egy a Tsukubában, Japánban található KEK kutatóintézet részecskegyorsítója által előállított müon neutrínó-nyalábot lőttek a 250 kilométerre lévő Super-Kamiokande detektor felé. A K2K kísérlet eredménye 99.9985% konfidencia szinten (4.3 σ) megerősítette a müon neutrínók eltűnését, és megerősítette a Super-Kamiokande detektor atmoszferikus neutrínókból kimutatott eredményeit .^[10]^[11]

Fizikai kutatási célok

A T2K kísérlet ötlete 2003-ban jött létre a következő kutatási célokkal:^[12]

A $\nu _{\mu }$ → $\nu _{e}$ oszcilláció kimutatása, ill. a $\theta _{23}$ PMNS oszcillációs paraméter nem nulla értékének kimutatàsa
A $\Delta m_{23}$ és $\theta _{23}$ oszcillációs paraméterek pontos meghatározása müon-neutrínó eltűnés méréséből
Steríl neutrínó-oszcilláció jeleinek keresése
Neutrínó-atommag szórási kölcsönhatások kutatása a GeV energiatartományban.

Az adatfelvétel 2010-es kezdete óta a T2K kísérlet egy sor fontos fizikai eredményt ért el:

Elektron-neutrínó megjelenésének kimutatása müon-neutrínó nyalábban ( $\nu _{\mu }$ → $\nu _{e}$ ) ^[2]^[13]
A $\theta _{23}$ neutrínó oszcillációs paraméter pontos meghatározása ^[3]
A CP-szimmetria sértés jelenségére való első indikációk felfedezése a Lepton-szektorban, ill. a $\delta _{CP}$ neutrínó oszcillációs paraméter értékének első pontos behatárolása, amely az Univerzum anyag-antianyag aszimmetriájára adhat egyszer magyarázatot ^[5]
A steril neutrínók oszcillációjának keresése az ND280 közeli ^[14] illetve a távoli Super-Kamiokande ^[15] detektorokkal.
Neutrínó szórási hatáskeresztmetszet mérése elektron- ^[16]^[17] és müon neutrínók, illetve and antineutrínókkal ^[18] különböző atommagokon (C, H2O and Fe).^[19]

Hivatkozások

↑ Particle Chameleon Caught in the act of Changing, CERN press release
↑ ^a ^b (2011) „Indication of Electron Neutrino Appearance from an Accelerator-produced Off-axis Muon Neutrino Beam”. Physical Review Letters 107 (4), 041801. o. DOI:10.1103/PhysRevLett.107.041801. PMID 21866992.
↑ ^a ^b (2014) „Precise Measurement of the Neutrino Mixing Parameter \theta_{23} from Muon Neutrino Disappearance in an Off-Axis Beam”. Phys. Rev. Lett. 112 (18), 181801. o. DOI:10.1103/PhysRevLett.112.181801. PMID 24856687.
↑ (2015) „Measurements of neutrino oscillation in appearance and disappearance channels by the T2K experiment with 6.6×10$^{20}$ protons on target”. Phys. Rev. D91, 072010. o. DOI:10.1103/PhysRevD.91.072010.
↑ ^a ^b (2020. április 15.) „Constraint on the matter–antimatter symmetry-violating phase in neutrino oscillations”. Nature 580, 339–344. o. DOI:10.1038/s41586-020-2177-0.
↑ (1986. június 1.) „Barygenesis without grand unification”. Physics Letters B 174 (1), 45–47. o. DOI:10.1016/0370-2693(86)91126-3.
↑ (2007. november 1.) „Theory of neutrinos: a white paper”. Reports on Progress in Physics 70 (11), 1757–1867. o. DOI:10.1088/0034-4885/70/11/R02.
↑ Recognized Experiments at CERN. The CERN Scientific Committees . CERN. [2019. június 13-i dátummal az eredetiből archiválva]. (Hozzáférés: 2020. január 20.)
↑ RE13/T2K : The long-baseline neutrino experiment. The CERN Experimental Programme . CERN. [2020. április 30-i dátummal az eredetiből archiválva]. (Hozzáférés: 2020. április 5.)
↑ Results from K2K and status of T2K, Nuclear Science and Safety in Europe, NATO Security through Science Series, 113–124. o.. DOI: 10.1007/978-1-4020-4965-1_9 (2006). ISBN 978-1-4020-4963-7
↑ K2K Collaboration (2006. október 12.). „Measurement of neutrino oscillation by the K2K experiment”. Physical Review D 74 (7), 072003. o. DOI:10.1103/PhysRevD.74.072003.
↑ T2K Collaboration (2011). „The T2K Experiment”. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 659 (1), 106–135. o. DOI:10.1016/j.nima.2011.06.067.
↑ T2K Collaboration (2013. augusztus 5.). „Evidence of electron neutrino appearance in a muon neutrino beam”. Physical Review D 88 (3), 032002. o. DOI:10.1103/PhysRevD.88.032002.
↑ T2K Collaboration (2015. március 16.). „Search for short baseline nue disappearance with the T2K near detector”. Physical Review D 91 (5), 051102. o. DOI:10.1103/PhysRevD.91.051102.
↑ T2K Collaboration (2019. április 30.). „Search for light sterile neutrinos with the T2K far detector Super-Kamiokande at a baseline of 295 km”. Physical Review D 99 (7), 071103. o. DOI:10.1103/PhysRevD.99.071103.
↑ T2K Collaboration (2020. február 27.). „Measurement of the charged-current electron (anti-)neutrino inclusive cross-sections at the T2K off-axis near detector ND280”.
↑ T2K Collaboration (2015. június 19.). „Measurement of the electron neutrino charged-current interaction rate on water with the T2K ND280 pi0 detector”. Physical Review D 91 (11), 112010. o. DOI:10.1103/PhysRevD.91.112010.
↑ T2K Collaboration (2013. május 7.). „Measurement of the inclusive numu charged current cross section on carbon in the near detector of the T2K experiment”. Physical Review D 87 (9). DOI:10.1103/PhysRevD.87.092003.
↑ T2K Collaboration (2019. szeptember 1.). „Measurement of the muon neutrino charged-current cross sections on water, hydrocarbon and iron, and their ratios, with the T2K on-axis detectors”. Progress of Theoretical and Experimental Physics 2019 (9), 093C02. o. DOI:10.1093/ptep/ptz070.

További információk

[1] Particle Chameleon Caught in the act of Changing, CERN press release

[1106.2822-2] (2011) „Indication of Electron Neutrino Appearance from an Accelerator-produced Off-axis Muon Neutrino Beam”. Physical Review Letters 107 (4), 041801. o. DOI:10.1103/PhysRevLett.107.041801. PMID 21866992.

[1403.1532-3] (2014) „Precise Measurement of the Neutrino Mixing Parameter \theta_{23} from Muon Neutrino Disappearance in an Off-Axis Beam”. Phys. Rev. Lett. 112 (18), 181801. o. DOI:10.1103/PhysRevLett.112.181801. PMID 24856687.

[4] (2015) „Measurements of neutrino oscillation in appearance and disappearance channels by the T2K experiment with 6.6×10$^{20}$ protons on target”. Phys. Rev. D91, 072010. o. DOI:10.1103/PhysRevD.91.072010.

[cpnature-5] (2020. április 15.) „Constraint on the matter–antimatter symmetry-violating phase in neutrino oscillations”. Nature 580, 339–344. o. DOI:10.1038/s41586-020-2177-0.

[6] (1986. június 1.) „Barygenesis without grand unification”. Physics Letters B 174 (1), 45–47. o. DOI:10.1016/0370-2693(86)91126-3.

[7] (2007. november 1.) „Theory of neutrinos: a white paper”. Reports on Progress in Physics 70 (11), 1757–1867. o. DOI:10.1088/0034-4885/70/11/R02.

[8] Recognized Experiments at CERN. The CERN Scientific Committees . CERN. [2019. június 13-i dátummal az eredetiből archiválva]. (Hozzáférés: 2020. január 20.)

[9] RE13/T2K : The long-baseline neutrino experiment. The CERN Experimental Programme . CERN. [2020. április 30-i dátummal az eredetiből archiválva]. (Hozzáférés: 2020. április 5.)

[10] Results from K2K and status of T2K, Nuclear Science and Safety in Europe, NATO Security through Science Series, 113–124. o.. DOI: 10.1007/978-1-4020-4965-1_9 (2006). ISBN 978-1-4020-4963-7

[11] K2K Collaboration (2006. október 12.). „Measurement of neutrino oscillation by the K2K experiment”. Physical Review D 74 (7), 072003. o. DOI:10.1103/PhysRevD.74.072003.

[t2knim-12] T2K Collaboration (2011). „The T2K Experiment”. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 659 (1), 106–135. o. DOI:10.1016/j.nima.2011.06.067.

[1304.0841-13] T2K Collaboration (2013. augusztus 5.). „Evidence of electron neutrino appearance in a muon neutrino beam”. Physical Review D 88 (3), 032002. o. DOI:10.1103/PhysRevD.88.032002.

[14] T2K Collaboration (2015. március 16.). „Search for short baseline nue disappearance with the T2K near detector”. Physical Review D 91 (5), 051102. o. DOI:10.1103/PhysRevD.91.051102.

[15] T2K Collaboration (2019. április 30.). „Search for light sterile neutrinos with the T2K far detector Super-Kamiokande at a baseline of 295 km”. Physical Review D 99 (7), 071103. o. DOI:10.1103/PhysRevD.99.071103.

[2002.11986-16] T2K Collaboration (2020. február 27.). „Measurement of the charged-current electron (anti-)neutrino inclusive cross-sections at the T2K off-axis near detector ND280”.

[17] T2K Collaboration (2015. június 19.). „Measurement of the electron neutrino charged-current interaction rate on water with the T2K ND280 pi0 detector”. Physical Review D 91 (11), 112010. o. DOI:10.1103/PhysRevD.91.112010.

[18] T2K Collaboration (2013. május 7.). „Measurement of the inclusive numu charged current cross section on carbon in the near detector of the T2K experiment”. Physical Review D 87 (9). DOI:10.1103/PhysRevD.87.092003.

[19] T2K Collaboration (2019. szeptember 1.). „Measurement of the muon neutrino charged-current cross sections on water, hydrocarbon and iron, and their ratios, with the T2K on-axis detectors”. Progress of Theoretical and Experimental Physics 2019 (9), 093C02. o. DOI:10.1093/ptep/ptz070.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]