T2K prezentuje dane wskazujące na możliwość łamania symetrii CP przez neutrina

(oficjalny komunikat prasowy T2K, tłumaczenie i komentarz - NCBJ. Oryginalny tekst komunikatu tutaj.)

Międzynarodowy zespół badawczy eksperymentu T2K ma coraz mocniejsze przesłanki sugerujące, że neutrina oscylują trochę inaczej niż ich antycząstki. Wstępna analiza najnowszych danych T2K pozwala na poziomie 95% ufności (2σ) odrzucić hipotezę, że oscylacje neutrin i antyneutrin zachodzą z tym samym prawdopodobieństwem. W 2017 r., mając dwukrotnie więcej danych dla neutrin w porównaniu z rokiem 2016, T2K przeprowadziło nową analizę danych neutrinowych i antyneutrinowych używając nowego algorytmu rekonstrukcji oddziaływań w dalekim detektorze, Super-Kamiokande. Wyniki te zostały dziś zaprezentowane przez profesora Marka Hartza (University of Tokyo, Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe, Japonia, oraz TRIUMF, Kanada) na seminarium KEK (High Energy Accelerator Research Organization) w Tsukubie w Japonii. (https://kds.kek.jp/indico/event/25337/, https://www.t2k.org/docs/talk/282)

Pytanie, dlaczego Wszechświat składa się przede wszystkim z materii, zamiast po równo z materii i antymaterii, jest jednym z najbardziej intrygujących w nauce. Jednym z warunków, by zaistniała obserwowana dominacja materii nad antymaterią jest łamanie symetrii ładunkowo-przestrzennej (CP), która wymaga, by prawa fizyki były takie same, jeśli odbijemy cząstkę w lustrze (parzystość przestrzenna) jednocześnie zamieniając ją na antycząstkę (parzystość ładunkowa). Jeśli łamanie CP zachodzi dla neutrin, będzie się przejawiać jako różnica w prawdopodobieństwie oscylacji dla neutrin i antyneutrin.

To, czy prawdopodobieństwo pojawiania się neutrin elektronowych w wyniku oscylacji neutrin mionowych przewyższa czy nie analogiczne prawdopodobieństwo dla antyneutrin, zależy od fazy łamania CP, δCP, wprowadzonej przez Kobayashiego i Maskawę. Faza łamania CP może mieć wartość między -180˚ a 180˚ i jeśli jest różna od 0˚ i 180˚, symetria CP jest łamana. Wartość zmierzona dla kwarków to ok. 68˚, natomiast celem T2K jest pomiar tej fazy dla neutrin.

W eksperymencie T2K, zlokalizowanym w Japonii, wiązka neutrin mionowych jest produkowana w ośrodku J-PARC (Japan Proton Accelerator Research Complex) w Tokai, prefektura Ibaraki, na wschodnim wybrzeżu Japonii. Protony o energii 30 GeV z głównego pierścienia akceleratorowego J-PARC są kierowane na cylindryczną tarczę, by wyprodukować intensywną wtórną wiązkę cząstek, ogniskowaną i filtrowaną przez silne soczewki magnetyczne, zwane rogami magnetycznymi. Zogniskowane cząstki rozpadają się następnie, tworząc wiązkę mionowych neutrin lub antyneutrin, zależnie od filtracji, jaka zaszła w rogach.

Rys. 1. Infrastruktura neutrinowa w J-PARC. Wiązka protonów z głównego pierścienia synchrotronowego w J-PARC jest kierowana na zachód przez pierwotną linię wiązki T2K. W stacji tarczy protony uderzają w tarczę (1) - grafitowy pręt - i produkują liczne mezony pi, które są ogniskowane przez rogi magnetyczne. Mezony pi rozpadają się na miony i neutrina mionowe podczas lotu przez 100-metrowy tunel zwany rurą rozpadową (2). Detektory ustawione 280 m od tarczy (3) monitorują neutrina mionowe. Porównanie ich pomiarów z pomiarami w Super-Kamiokande pozwala na precyzyjne badanie oscylacji neutrin.

Wiązka (anty)neutrin jest monitorowana w kompleksie bliskich detektorów w Tokai, 280 m od tarczy i leci dalej w stronę gigantycznego podziemnego detektora Super-Kamiokande w Kamioce, blisko zachodniego wybrzeża Japonii, 295 kilometrów od Tokai. Podczas tej drogi mały ułamek neutrin mionowych zmieni się w neutrina elektronowe.

Rys. 2. Schemat eksperymentu T2K.

T2K zaobserwowało wyraźnie więcej neutrin elektronowych niż oczekiwano, gdyby symetria CP była zachowana. Z kolei dla antyneutrin efekt jest odwrotny - jakkolwiek w tym przypadku danych jest wciąż za mało, by formułować przesądzające wnioski. T2K zaobserwowało 89 neutrin elektronowych przy spodziewanych 67 gdyby nie było efektu łamania CP, oraz 7 antyneutrin elektronowych przy spodziewanych 9. Pełna analiza dla trzech zapachów neutrin i antyneutrin i przy włączeniu informacji o zaniku antyneutrin elektronowych w eksperymentach reaktorowych, pozwala T2K wykluczyć na poziomie 95% ufności (2σ) hipotezę zachowania symetrii CP. Obszar dozwolonych wartości fazy łamania CP, δCP, to [-167˚, -34˚] ([-88˚, -68˚]) dla normalnej (odwróconej) hierarchii mas neutrin przy 95% poziomie ufności, a najlepsze dopasowanie to -105˚ (-79˚). Wartości te mieszczą się wewnątrz obszaru czułości T2K, który wynosi [-200˚, +12˚] ([-156˚, -22˚]) dla normalnej (odwróconej) hierarchii mas przy założeniu maksymalnego łamania CP.

W nowej analizie danych użyto ulepszonego algorytmu rekonstrukcji przypadków oddziaływań (anty)neutrin w Super-Kamiokande. Dzięki temu stosunek liczby przypadków sygnału do tła jest podniesiony, a błędy systematyczne zredukowane. Co więcej, nowy algorytm pozwala lepiej wykorzystać objętość detektora do rejestracji oddziaływań neutrin. Dodatkowo do analizy włączono nową próbkę oddziaływań neutrin elektronowych. Łącznie podniesiono efektywność selekcji danych o 30%.

Rys. 3. Detektor Super-Kamiokande. Największy na świecie podziemny detektor neutrin należący do Obserwatorium Kamioka Institute for Cosmic Ray Research Uniwersytetu Tokijskiego. Jest zlokalizowany 1 km pod ziemią w kopalni Kamioka w Hida, prefektura Gifu. Poza neutrinami z wiązki J-PARC, Super-Kamiokande obserwuje też neutrina z przestrzeni kosmicznej i prowadzi poszukiwanie rozpadu protonu. Detektor zawiera około 11200 fotopowielaczy, zainstalowanych na wewnętrznych ścianach cylindrycznego zbiornika wody o średnicy 39.3 m i wysokości 41.4 m, napełnionego 50000 ton wody. Fotopowielacze te rejestrują nikłe promieniowanie Czerenkowa emitowane przez naładowane cząstki poruszające się szybciej niż prędkość światła w wodzie.

Eksperyment T2K jest wspierany głównie przez japońskie Ministerstwo Kultury, Sportu, Nauki i Techniki (Ministry for Culture, Sports, Science, and Technology, MEXT) i prowadzony wspólnie przez KEK (High Energy Accelerator Research Organization) oraz ICRR (Institute for Cosmic Ray Research) Uniwersytetu Tokijskiego. Eksperyment został zbudowany i jest obsługiwany przez międzynarodową współpracę, składającą się z blisko 500 naukowców z 63 instytucji z 11 państw (Francja, Hiszpania, Japonia, Kanada, Niemcy, Polska, Rosja, Stany Zjednoczone, Szwajcaria, Wielka Brytania, Włochy). Odkrycia były możliwe dzięki pracy ośrodka J-PARC dostarczającego wysokiej jakości wiązkę neutrin dla T2K.

Tegoroczny wynik jest oparty na zbiorze danych odpowiadających dostarczeniu 2.25x1021 protonów na tarczę (POT), co stanowi 28% spodziewanej dla T2K ilości danych. Jeśli asymetria neutrina-antyneutrina nie istnieje, szansa na przypadkową obserwację różnicy tak dużej jak w T2K, która powstałaby wskutek fluktuacji statystycznych, jest ok. 1 do 20. By dalej badać tę intrygującą zagadkę, T2K potrzebuje więcej danych, zarówno dla neutrin, jak i antyneutrin. Pełen planowany zbiór danych 7.8x1021 POT będzie uzyskany około roku 2021 dzięki planowanym ulepszeniom akceleratora w J-PARC i układu produkcji wiązki. Co więcej, T2K zaproponowało zwiększenie czasu zbierania danych, aż do osiągnięcia 20x1021 POT, co pozwoli osiągnąć czułość 3σ na obserwację łamania CP (przy założeniu obecnej wartości δCP) w 2026, kiedy spodziewany jest start następnej generacji eksperymentów neutrinowych. Na potrzeby tego przedłużenia przygotowywany jest obecnie plan ulepszenia bliskiego detektora, który ma być zrealizowany w 2021. Plany T2K zostały zaaprobowane przez J-PARC.

Poszukiwanie łamania symetrii CP dla (anty)neutrin opiera się na odkryciu przez T2K w 2013 pojawiania się neutrin elektronowych w wiązce neutrin mionowych, które było pierwszą na świecie obserwacją pojawiania się innego zapachu neutrin. Jest to przykład oscylacji neutrin, kwantowo-mechanicznego fenomenu interferencji długozasięgowej. Istnienie oscylacji udowadnia, że neutrina mają niezerową masę. Odkrycie pojawiania się neutrin elektronowych w T2K zaowocowało w 2016 nagrodą Breakthrough Prize for Fundamental Physics dla Koichiro Nishikawa i całego zespołu T2K.

Rys. 4. Kandydat na oddziaływanie neutrina elektronowego w Super-Kamiokande.

Więcej szczegółów dotyczących wyniku T2K oraz przyszłych planów eksperymentu można znaleźć w prezentacji z seminarium, natomiast więcej informacji o samym T2K - na publicznej stronie internetowej.


INFORMACJE DODATKOWE uzupełnione przez NCBJ

 

Polski wkład w eksperyment

Przy eksperymencie T2K pracuje ok. 25 polskich naukowców z NCBJ, Uniwersytetu Warszawskiego, Politechniki Warszawskiej, Instytutu Fizyki Jądrowej PAN, Uniwersytetu Śląskiego i Uniwersytetu Wrocławskiego. Polscy naukowcy w szczególności zajmują się pracami przy bliskim detektorze neutrin. Zbierają dane i analizują je pod kątem ich zgodności z przewidywaniami i wcześniejszymi obserwacjami, kontrolują na bieżąco prawidłowość działania aparatury. Mają też swój wkład do symulacji i analiz tła zewnętrznego, czyli zakłóceń pochodzących np. od promieniowania kosmicznego i od oddziaływań zachodzących poza detektorem. Polacy uczestniczą w pomiarach przekrojów czynnych reakcji elementarnych zachodzących w trakcie eksperymentu,  poszukują i tworzą opis teoretyczny nowych kanałów oddziaływań neutrin, rozwijają niezbędne oprogramowanie. Nasi naukowcy biorą też udział w eksperymentach w ośrodku CERN w Genewie, w których bada się m.in. na potrzeby T2K w jaki sposób przebiega pierwotny proces produkcji pionów (będących źródłem neutrin). W eksperymencie NA61/SHINE bombarduje się protonami tarczę węglową identyczną jak ta, która jest używana w Japonii. Warto też dodać, że obliczenia do analizy tła zewnętrznego i błędów systematycznych dla bliskiego detektora T2K były częściowo prowadzone w ośrodku komputerowym NCBJ, Centrum Informatycznym Świerk (CIŚ).

 

Dlaczego ewentualne łamanie symetrii CP jest ciekawe?

Naukowcy zadają pytanie czy oddziaływania antycząstek mogą być trochę inne niż „odbicia” przestrzenne i ładunkowe oddziaływań odpowiednich cząstek? Taką możliwość sugerują dane już zebrane, o których mówi komunikat T2K. Należy jednak pamiętać, że dane te nie są jeszcze wystarczające, by udzielić ostatecznej odpowiedzi. Podobne, choć także nieprzesądzające sugestie, pochodzą z eksperymentów, w których bada się hadrony – kwarki i zbudowane z nich mezony. Najważniejszy eksperyment hadronowy to LHCb przy akceleratorze LHC w CERNie. W nim także uczestniczą Polacy – również fizycy z NCBJ – a CIŚ jest jednym z ważniejszych miejsc gromadzenia i przetwarzania ogromnej ilości danych pochodzących z tego eksperymentu.

Teoria radzi sobie z ewentualnym zjawiskiem łamania symetrii CP w sposób, który nie jest zadowalający. Potrzeba znacznie więcej danych eksperymentalnych, by oprzeć na nich zadowalający model teoretyczny. Takie dane starają się uzyskać eksperymenty T2K, LHCb i inne.

Zagadka ewentualnego łamania symetrii CP ma związek z historią Wszechświata, o czym wspomina też komunikat T2K. Wszechświat, który widzimy wokół nas, jest materialny, a nie antymaterialny lub symetrycznie „pomieszany”. Tymczasem wyobrażamy sobie, że zawsze w elementarnym oddziaływaniu energia może przekształcać się jedynie na symetryczną parę cząstka-antycząstka. Jeśli nasz „materialny” Wszechświat ma swój początek w Wielkim Wybuchu i następujących po nim okresach, gdy energia przekształcała się w materię i antymaterię, to dlaczego tylko materia przetrwała do naszych czasów? Fizycy sądzą, że ewentualna minimalna różnica w postaci praw rządzących ewolucją materii i antymaterii mogłaby wyjaśnić tę zagadkę. Dlatego próbują zaobserwować te różnice lub wykluczyć ich istnienie w eksperymentach takich jak T2K. Kolejne zebrane dane przybliżają nas do odpowiedzi.

Odkrywanie neutrin

Witamy na stronie poświęconej fizyce neutrin. Neutrino jest cząstką elementarną o zerowym ładunku elektrycznym. Z innymi cząstkami materii oddziałuje tylko za pomocą tzw. oddziaływań słabych, najsłabszych oddziaływań (nie licząc grawitacji) występujących w przyrodzie. Dlatego przez 20 lat, od wprowadzenia owej cząstki do fizyki przez Wolfganga Pauliego, było ono obiektem teoretycznym, unikającym bezpośredniej detekcji. Ostatecznie neutrino wykryto doświadczalnie w latach 50-tych i od tamtej pory kolejne generacje eksperymentów fizycznych badają cechy owego obiektu.

Po co w ogóle zajmować się tak ulotną cząstką? Okazuje się, że neutrina towarzyszyły narodzinom Wszechświata, dają wgląd we wnętrze naszego Słońca i we wnętrze Ziemi, są pierwszymi cząstkami, które dostarczają nam informacji o fizyce leżącej poza ugruntowanym przez ostatnie 40 lat modelem mikroświata, tzw. Modelem Standardowym.

Powodów, dla których fizycy interesują się neutrinami, jest wiele. Niestety badanie własności owej cząstki jest niesłychanie trudnym zajęciem. Na niniejszych stronach pokażemy Ci, w jaki sposób koncepcja neutrina rodziła się, w jaki sposób dojrzewała i w jaki sposób neutrina bada się dzisiaj w wielu zaawansowanych eksperymentach rozrzuconych po całym globie ziemskim.