T2K

T2K — Tokai to Kamioka — японский эксперимент, который посылает нейтрино на 295 километров поперёк Хонсю и наблюдает по дороге, как они превращаются. Он работает с 2010 года и дал в 2013 году первое доказательство того, что нейтрино не только исчезают, но и появляются снова в другом сорте.

Устройство

В ускорительном центре J-PARC в Токае на восточном побережье протоны попадают в графитовую мишень. Возникают пионы, которые собираются в пучок магнитными рогами и в распадном канале высвобождают мюонные нейтрино. Всё остальное задерживает защита — тот метод, который Мелвин Шварц предложил в 1960 году.

В 280 метрах за источником стоят два ближних детектора. INGRID сидит точно на оси пучка и следит за направлением и интенсивностью. ND280 стоит наискось рядом, в магните от списанного эксперимента ЦЕРН, и измеряет состав и спектр пучка до того, как осцилляции начинают играть роль.

На другом конце, в 295 километрах к западу, лежит Super-Kamiokande и считает то, что приходит.

Хитрый приём косого взгляда

T2K работает вне оси: дальний детектор стоит не на оси пучка, а на 2,5 градуса в стороне.

Это звучит как недостаток, а является преимуществом. На оси у пучка широкий энергетический спектр, потому что пионы разной энергии дают нейтрино разной скорости. Немного в стороне кинематика распада устраивает так, что нейтрино от очень разных энергий пионов имеют почти одну и ту же энергию. Пучок становится узким и устанавливается около 600 мегаэлектронвольт.

Это не произвольное значение. На 295 километрах нейтринные осцилляции имеют максимум именно там.

Итак, теряют в интенсивности и выигрывают в чёткости. Для измерения, которое опирается на зависимость от энергии, это выгодная сделка — и тот же приём применяется сегодня в NOvA и Hyper-Kamiokande.

Появление электронных нейтрино

До тех пор осцилляции всегда измеряли по исчезновению: посылают мюонные нейтрино и считают, скольких недостаёт. Куда они деваются, видно не было.

T2K искал наоборот электронные нейтрино в пучке, где их, собственно, быть не должно. В 2011 году коллаборация сообщила о шести кандидатах — слишком мало для утверждения, достаточно для внимания. В 2013 году их было 28 при ожидаемом фоне около пяти. Значимость достигла 7,3 стандартного отклонения.

Тем самым переход νμ → νe был доказан напрямую, а угол смешивания θ₁₃ подтверждён как отличный от нуля — вскоре после того, как Daya Bay определил его из реакторных измерений.

То, что этот угол не равен нулю, было условием для всего дальнейшего. Будь он равен нулю, CP-нарушение в лептонном секторе вообще нельзя было бы измерить.

Указание на CP-нарушение

T2K может перемагнитить свои магнитные рога и вместо нейтрино порождать антинейтрино. Тем самым можно спросить: одинаково ли часто превращаются те и другие?

В 2020 году коллаборация сообщила в Nature, что данные лучше всего согласуются с заметным различием. Большая часть возможной области значений параметра δ_CP была исключена, а случай «нет CP-нарушения» оказался вне 95-процентной области.

Это указание, а не доказательство. В физике частиц открытием считается лишь то, что достигает пяти стандартных отклонений. Для этого нужны Hyper-Kamiokande и DUNE — оба в том числе поэтому и строятся.

Почему это выходит за пределы физики

Вопрос, стоящий за CP-нарушением, — это вопрос о нашем существовании. При Большом взрыве материя и антиматерия должны были возникнуть в равном количестве. То, что материя осталась, требует различия в поведении тех и других.

В кварковом секторе такое различие известно, но оно на порядки величины слишком мало. Остаются нейтрино — и через механизм качелей и лептогенез возможный путь от лептонного сектора к материи во Вселенной.

T2K дал первое указание на то, что этот путь может оказаться проходимым.

Связанные понятия

• Super-Kamiokande — детектор назначения
• Hyper-Kamiokande — преемник
• Daya Bay — параллельное измерение θ₁₃
• Матрица PMNS — где стоит δ_CP

Источники

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