T2K

O T2K — Tokai to Kamioka — é um experimento japonês que envia neutrinos por 295 quilômetros atravessando Honshu e observa pelo caminho como eles se transformam. Ele funciona desde 2010 e forneceu em 2013 a primeira detecção de que os neutrinos não apenas desaparecem, mas voltam a surgir em outro tipo.

O dispositivo

No centro de aceleradores J-PARC, em Tokai, na costa leste, prótons atingem um alvo de grafite. Formam-se píons, que são focalizados por cornetas magnéticas e liberam neutrinos muônicos em um trecho de decaimento. Todo o resto é retido por uma blindagem — o método que Melvin Schwartz propôs em 1960.

280 metros atrás da fonte estão dois detectores próximos. O INGRID fica exatamente no eixo do feixe e monitora direção e intensidade. O ND280 fica de lado, obliquamente, dentro de um ímã proveniente de um experimento aposentado do CERN, e mede a composição e o espectro do feixe antes que a oscilação desempenhe algum papel.

Na outra extremidade, 295 quilômetros a oeste, fica o Super-Kamiokande e conta o que chega.

O artifício do olhar oblíquo

O T2K trabalha off-axis: o detector distante não fica no eixo do feixe, mas 2,5 graus ao lado dele.

Isso soa como uma desvantagem e é uma vantagem. No eixo, o feixe tem um espectro de energia largo, porque píons de energias diferentes fornecem neutrinos de velocidades diferentes. Um pouco de lado, a cinemática do decaimento faz com que neutrinos vindos de energias de píon muito distintas tenham quase a mesma energia. O feixe fica estreito e se fixa em torno de 600 megaelétrons-volt.

Esse não é um valor qualquer. A 295 quilômetros, a oscilação de neutrinos tem exatamente ali o seu máximo.

Perde-se, portanto, intensidade e ganha-se nitidez. Para uma medição que se apoia na dependência com a energia, esse é o melhor negócio — e o mesmo recurso é empregado hoje no NOvA e no Hyper-Kamiokande.

O surgimento de neutrinos eletrônicos

Até então a oscilação sempre havia sido medida pelo desaparecimento: enviam-se neutrinos muônicos e conta-se quantos faltam. Para onde eles vão não se via.

O T2K procurou pelo caminho inverso: neutrinos eletrônicos no feixe, onde a rigor não deveria haver nenhum. Em 2011 a colaboração relatou seis candidatos — poucos demais para uma afirmação, o bastante para chamar atenção. Em 2013 havia 28, com um fundo esperado de pouco menos de cinco. A significância alcançou 7,3 desvios padrão.

Com isso a transição νμ → νe estava diretamente comprovada, e o ângulo de mistura θ₁₃ confirmado como diferente de zero — pouco depois de o Daya Bay o ter determinado a partir de medições em reatores.

Que esse ângulo não seja nulo era o pressuposto de tudo o que veio depois. Se ele fosse nulo, a violação de CP no setor leptônico não poderia de modo algum ser medida.

O indício de violação de CP

O T2K pode inverter a polaridade de suas cornetas magnéticas e gerar antineutrinos em vez de neutrinos. Com isso é possível perguntar: os dois se transformam com a mesma frequência?

Em 2020 a colaboração relatou na Nature que os dados se ajustam melhor a uma diferença marcante. Uma grande parte da faixa de valores possíveis para o parâmetro δ_CP foi excluída, e o caso «sem violação de CP» ficou fora do intervalo de 95 por cento.

Isso é um indício, não uma prova. Na física de partículas uma descoberta só vale a partir de cinco desvios padrão. Para isso são necessários o Hyper-Kamiokande e o DUNE — ambos estão em construção, entre outras razões, por isso.

Por que isso vai além da física

A pergunta por trás da violação de CP é a pergunta sobre nossa existência. No Big Bang, matéria e antimatéria deveriam ter surgido em quantidades iguais. Que tenha sobrado matéria exige uma diferença no comportamento das duas.

No setor dos quarks conhece-se uma diferença desse tipo, mas ela é pequena demais, por ordens de grandeza. Restam os neutrinos — e, pelo mecanismo seesaw e pela leptogênese, um caminho possível do setor leptônico até a matéria no universo.

O T2K forneceu o primeiro indício de que esse caminho pode ser transitável.

Termos relacionados

• Super-Kamiokande — o detector de destino
• Hyper-Kamiokande — o sucessor
• Daya Bay — a medição paralela de θ₁₃
• Matriz PMNS — onde δ_CP se situa

Fontes

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