T2K

T2K — Tokai to Kamioka — est une expérience japonaise qui envoie des neutrinos sur 295 kilomètres à travers Honshū et observe en chemin comment ils se transforment. Elle fonctionne depuis 2010 et a fourni en 2013 la première mise en évidence du fait que les neutrinos ne se contentent pas de disparaître, mais réapparaissent sous une autre espèce.

Le dispositif

Au centre d'accélérateurs J-PARC de Tokai, sur la côte est, des protons frappent une cible de graphite. Il en naît des pions, qui sont focalisés par des cornes magnétiques et libèrent des neutrinos muoniques dans une section de désintégration. Tout le reste est arrêté par un blindage — la méthode que Melvin Schwartz a proposée en 1960.

À 280 mètres derrière la source se trouvent deux détecteurs proches. INGRID est placé exactement dans l'axe du faisceau et en surveille la direction et l'intensité. ND280 se tient de biais à côté, dans un aimant provenant d'une expérience du CERN mise hors service, et mesure la composition et le spectre du faisceau avant que l'oscillation ne joue un rôle.

À l'autre extrémité, 295 kilomètres plus à l'ouest, se trouve Super-Kamiokande, qui compte ce qui arrive.

Le tour de main du regard oblique

T2K travaille hors axe : le détecteur lointain ne se tient pas dans l'axe du faisceau, mais 2,5 degrés à côté.

Cela ressemble à un inconvénient et c'est un avantage. Dans l'axe, le faisceau a un large spectre en énergie, parce que des pions d'énergies différentes livrent des neutrinos de vitesses différentes. Un peu de côté, la cinématique de la désintégration fait que des neutrinos issus de pions d'énergies très différentes ont presque la même énergie. Le faisceau devient étroit et se fixe autour de 600 mégaélectronvolts.

Ce n'est pas une valeur quelconque. À 295 kilomètres, l'oscillation des neutrinos a précisément là son maximum.

On perd donc de l'intensité et l'on gagne en netteté. Pour une mesure qui repose sur la dépendance en énergie, c'est le meilleur marché — et le même tour de main est employé aujourd'hui par NOvA et Hyper-Kamiokande.

L'apparition de neutrinos électroniques

Jusque-là, l'oscillation avait toujours été mesurée à la disparition : on envoie des neutrinos muoniques et l'on compte combien manquent. Où ils vont, on ne le voyait pas.

T2K a cherché à l'inverse des neutrinos électroniques dans le faisceau, là où il ne devait normalement pas y en avoir. En 2011, la collaboration a annoncé six candidats — trop peu pour une affirmation, assez pour attirer l'attention. En 2013, il y en avait 28, pour un bruit de fond attendu d'un peu moins de cinq. La significativité a atteint 7,3 écarts types.

La transition νμ → νe était ainsi directement établie, et l'angle de mélange θ₁₃ confirmé comme différent de zéro — peu après que Daya Bay l'eut déterminé à partir de mesures sur réacteur.

Que cet angle ne soit pas nul était la condition de tout le reste. S'il avait été nul, la violation de CP dans le secteur leptonique n'aurait pas pu être mesurée du tout.

L'indice d'une violation de CP

T2K peut inverser la polarité de ses cornes magnétiques et produire des antineutrinos au lieu de neutrinos. On peut ainsi demander : les deux se transforment-ils aussi souvent l'un que l'autre ?

En 2020, la collaboration a rapporté dans Nature que les données s'accordent le mieux avec une différence marquée. Une grande partie du domaine de valeurs possible pour le paramètre δ_CP a été exclue, et le cas « aucune violation de CP » se situait en dehors de l'intervalle à 95 pour cent.

C'est un indice, non une preuve. En physique des particules, on ne parle de découverte qu'à partir de cinq écarts types. Il faut pour cela Hyper-Kamiokande et DUNE — c'est entre autres pour cette raison que les deux sont en construction.

Pourquoi cela dépasse la physique

La question qui se tient derrière la violation de CP est celle de notre existence. Lors du Big Bang, matière et antimatière auraient dû naître en quantités égales. Que la matière soit restée exige une différence dans le comportement des deux.

Dans le secteur des quarks, une telle différence est connue, mais elle est trop petite de plusieurs ordres de grandeur. Restent les neutrinos — et, par le mécanisme de bascule et la leptogenèse, une voie possible du secteur leptonique à la matière dans l'Univers.

T2K a fourni le premier indice que cette voie pourrait être praticable.

Notions liées

• Super-Kamiokande — le détecteur cible
• Hyper-Kamiokande — le successeur
• Daya Bay — la mesure parallèle de θ₁₃
• Matrice PMNS — où figure δ_CP

Sources

• Collaboration T2K : Observation of Electron Neutrino Appearance in a Muon Neutrino Beam, Physical Review Letters 112, 061802 (2014).
• Collaboration T2K : Constraint on the matter–antimatter symmetry-violating phase in neutrino oscillations, Nature 580, 339 (2020).