T2K prezentuje pierwsze wyniki poszukiwania łamania symetrii CP

Eksperyment T2K
High Energy Accelerator Research Organization (KEK)
Institute for Cosmic Ray Research (ICRR), University of Tokyo
Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) Center

Międzynarodowy eksperyment T2K ogłosił dziś wyniki dotyczące symetrii między oscylacjami neutrin i antyneutrin. T2K przeprowadziło nową, jednoczesną analizę wszystkich swoich danych, używając prawie dwukrotnie więcej danych antyneutrinowych w porównaniu z początkowymi wynikami opublikowanymi w 2015 r. Nowe wyniki kontynuują trend zaobserwowany w 2015 r., czyli preferencję dla maksymalnego zanikania neutrin mionowych, a także rozbieżność między częstością pojawiania się neutrin i antyneutrin elektronowych.

Jeśli łamanie symetrii CP zachodzi w sektorze neutrin, będzie ono widoczne jako różnica w prawdopodobieństwach oscylacji neutrin i antyneutrin. W eksperymencie T2K wiązka neutrin mionowych produkowana jest w ośrodku Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) w Tokai w prefekturze Ibaraki, na wschodnim wybrzeżu Japonii. Wiązka neutrin tworzona jest poprzez nakierowanie wiązki protonów o energii 30 GeV na cylindryczną tarczę, by otrzymać intensywny strumień cząstek wtórnych, który jest następnie ogniskowany i filtrowany przez silne pola magnetyczne rogów (hornów) magnetycznych. Zogniskowane cząstki wtórne rozpadają się na neutrina lub antyneutrina, zależnie od tego, jaki znak ładunku elektrycznego cząstek został wybrany w filtracji przez rogi magnetyczne. Wiązka (anty)neutrinowa jest monitorowana przez układ detektorów w Tokai, 280m od tarczy, i wycelowana w gigantyczny podziemny detektor Super-Kamiokande w Kamioce, blisko zachodniego wybrzeża Japonii, 295 km od Tokai.

Obserwowana przez T2K częstość pojawiania się antyneutrin elektronowych w wiązce jest niższa niż spodziewana, bazowana na analogicznej liczbie dla neutrin elektronowych przy założeniu, że symetria CP jest zachowana. T2K obserwuje 32 neutrina i 4 antyneutrina elektronowe, podczas gdy liczby spodziewane przy zachowaniu symetrii CP to 23 neutrina i 7 antyneutrin elektronowych. Jeśli weźmie się pod uwagę pełen obraz oscylacji trzech zapachów neutrin i antyneutrin, oraz uwzględni pomiary zaniku antyneutrin elektronowych w eksperymentach reaktorowych, zakres spodziewanego poziomu ufności 90% na parametr δCP dla obecnego zestawu danych T2K sięga od 2π (to jest pełnego możliwego zakresu) do 1π, zależnie od prawdziwej wartości δCP i prawdziwej hierarchii mas neutrin. Analiza danych wskazuje na 90% poziom ufności dla δCP w obszarze [-0.99π, -0.12π] dla normalnej lub [-0.67π,-0.24π] dla odwróconej hierarchii mas. Punkt najlepszego dopasowania leży w pobliżu wartości maksymalnego łamania CP δCP=-0.5π, podczas gdy wartości zachowujące CP (δCP=0 i δCP=π) leżą poza obszarem faworyzowanym przez T2K.

Eksperyment T2K jest wspierany głównie przez japońskie Ministerstwo Kultury, Sportu, Nauki i Technologii. Eksperyment został zbudowany i jest obsługiwany przez międzynarodową grupę badawczą, która obecnie składa się z ponad 450 fizyków z 61 ośrodków badawczych w 11 krajach (Francja, Hiszpania, Japonia, Kanada, Niemcy, Polska, Rosja, Stany Zjednoczone, Szwajcaria, Wielka Brytania, Włochy).

Uzyskanie tych wyników było możliwe dzięki niestrudzonej pracy zespołu J-PARC, dostarczającego wysokiej jakości wiązki pomimo wielu trudności, m.in. potężnego trzęsienia ziemi we wschodniej Japonii w marcu 2011 r., które wywołało poważne uszkodzenia kompleksu akceleratorów i na rok przerwało zbieranie danych przez eksperyment T2K.

Poszukiwanie łamania symetrii CP wśród neutrin wpłynęło na odkrycie przez T2K pojawiania się neutrin elektronowych w 2013 r., co było pierwszą obserwacją pojawiania się neutrin o innym zapachu w wyniku oscylacji. Odkrycie to zaowocowało nagrodą Breakthrough Prize for Fundamental Physics w 2016 dla Koichiro Nishikawy i całej współpracy. Wynik zaprezentowany w 2016 jest oparty o zestaw danych zebranych dla 1.51x1021 protonów uderzających w tarczę (protons on target, POT), co stanowi 19% całego zaplanowanego dla T2K zestawu. Prawdopodobieństwo, że wynik ten jest spowodowanych losową fluktuacją statystyczną, powodującą, iż obserwuje się asymetrię, która w rzeczywistości nie istnieje, to około 1 do 20, należy więc nadal zbierać dane dla neutrin i antyneutrin, by upewnić się, że ten intrygujący rezultat jest prawdziwy. Pełen zestaw danych (7.8x1021 POT ) T2K spodziewa się otrzymać ok. roku 2021, dzięki planowanym ulepszeniom głównego akceleratora i układu produkcji wiązki w J-PARC. Co więcej, T2K zaproponowało wydłużenie czasu zbierania danych, co pozwoliłoby osiągnąć liczbę 20x1021 POT i znaczoność statystyczną na obserwację łamania CP 3 sigma (dla części wartości parametrów opisujących oscylacje) do 2025 r., kiedy to planuje się uruchomienie następnej generacji eksperymentów neutrinowych.

Więcej szczegółów na temat nowego wyniku T2K, a także przyszłych perspektyw eksperymentu można znaleźć w prezentacji na 38th International Conference on High Energy Physics z Chicago, natomiast więcej informacji o samym eksperymencie znajduje się na publicznej stronie http://t2k-experiment.org (w języku angielskim).