T2K


T2K w encyklopedii

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii Przejdź do nawigacji Przejdź do wyszukiwania

T2K (ang. Tokai to Kamioka)[1] – 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[2]. 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 [3]. Jest to pierwszy w świecie eksperyment, w którym zaobserwowano ten rodzaj oscylacji.

Spis treści

Wiązka neutrin | edytuj kod

Ośrodek akceleratorowy J-PARC z lotu ptaka.

Proces produkcji wiązki neutrin lub antyneutrin mionowych w ośrodku J-PARC dla eksperymentu T2K składa się z następujących kroków:

  • Stopniowe przyspieszanie wiązki protonów za pomocą układu trzech akceleratorów: najpierw do energii 400 MeV przez akcelerator liniowy Linac, potem do 3 GeV przez synchrotron RCS (ang. Rapid Cycle Synchrotron), a ostatecznie do energii 30 GeV przez synchrotron MR (ang. Main Ring).
  • Zderzenie wiązki protonów z tarczą grafitową. W zderzeniu takim produkowane są cząstki wtórne, główne piony (~90% wyprodukowanych cząstek) oraz kaony (~10%).
  • Zogniskowanie cząstek o wybranym ładunku: dodatnich w celu wyprodukowania wiązki neutrin (ang. neutrino-mode), ujemnych w przypadku wiązki antyneutrin (ang. antineutrino-mode)
  • Rozpad cząstek wtórnych w locie w objętości zwanej tunelem rozpadu. Naładowane piony w ponad 99.98% rozpadają się na mion i odpowiednie neutrino zgodnie z zasadą zachowania ładunku elektrycznego i liczby leptonowej:
π+μ+ + νμ πμ + νμ

Długość tunelu rozpadu dobrana jest tak, aby jak jednocześnie jak najwięcej pionów uległo rozpadowi i aby zminimalizować liczbę rozpadających się mionów, w których produkowane są neutrina niepożądanych typów:

μ+e+ + νμ + νe μe + νμ + νe

W większości rozpadów kaonów produkowane są neutrina odpowiedniego typu (neutrina mionowe dla dodatnich kaonów i antyneutrina mionowe dla ujemnych kaonów):

K+μ+ + νμ (63.54% rozpadów), K+μ+ + νμ + π0 (3.35% rozpadów),

jednak znaczący jest również rozpad na (anty)neutrina elektronowe stanowiących tło w badaniach oscylacji neutrin mionowych w elektronowe:

K+e+ + νe + π0 (5.08% rozpadów).
  • Zatrzymanie cząstek innych niż neutrina w 75 tonowym bloku grafitu i w gruncie.

Wiązka pozaosiowa | edytuj kod

Neutrina nie posiadają ładunku elektrycznego, dlatego nie da się ich zogniskować czy przyspieszyć, a co za tym idzie nie można wytworzyć równoległej, monoenergetycznej wiązki neutrin, tak jak robi się to dla wiązek cząstek naładowanych w akceleratorach. Do pewnego stopnia można sterować kierunkiem i energią neutrin przez odpowiednie wybranie energii pierwotnej wiązki protonów i ogniskowanie wytworzonych pionów i kaonów, gdyż neutrina przejmują część ich energii kinetycznej i poruszają się w kierunku bliskim cząstkom pierwotnym.

Metodą, która pozwala dodatkowo zawęzić rozkład energii tak powstałych neutrin jest wykorzystanie tzw. wiązki pozaosiowej[4]. Wiązka neutrin akceleratorowych jest wiązką szeroką i nie ma wyraźnych granic, gdyż neutrin w niej nie poruszają się do równolegle, lecz mają pewien rozkład kątowy. Im dalej od osi (centrum) wiązki, tym mniejsza jest liczba neutrin, ale także zmienia się rozkład energii. Staje się on węższy, a jego maksimum przesuwa się w kierunku niższych energii.

T2K jest pierwszym eksperymentem, w którym została użyta pozaosiowa wiązka neutrin. Daleki detektor Super-Kamiokande i jeden z bliskich detektorów ND280 znajdują się 2.5° od osi wiązki. Kąt od osi wiązki został wybrany tak, aby zmaksymalizować prawdopodobieństwo oscylacji w odległości odpowiadającej dalekiemu detektorowi. Dodatkowo dla tak dobranego kąta, dominującym typem oddziaływań neutrin są kwazi-elastyczne oddziaływania przez prądy naładowane, dla których możliwa jest rekonstrukcja energii oddziałującego neutrina tylko na podstawie pędu i kierunku wyprodukowanego naładowanego leptonu.

Bliskie detektory | 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 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 od 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 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.

Przypisy | edytuj kod

  1. K.K. Abe K.K. i inni, The T2K experiment, „Nucl.Instrum.Meth. A”, 659 (1), 2011, s. 106–135, DOI10.1016/j.nima.2011.06.067  (ang.).
  2. Oficjalna strona eksperymentu T2K, t2k-experiment.org .
  3. Oscylacje neutrin mionowych w elektronowe potwierdzone (pol.). Wydział Fizyki UW, 19 lipca 2013.
  4. Kirk T.K.T. McDonald Kirk T.K.T., An Off-axis neutrino beam, 2001  (ang.).

Zobacz też | edytuj kod

Linki zewnętrzne | edytuj kod

Na podstawie artykułu: "T2K" pochodzącego z Wikipedii
OryginałEdytujHistoria i autorzy