T2K
T2K — Tokai to Kamioka — ist ein japanisches Experiment, das Neutrinos über 295 Kilometer quer durch Honshū schickt und unterwegs beobachtet, wie sie sich verwandeln. Es läuft seit 2010 und lieferte 2013 den ersten Nachweis, dass Neutrinos nicht nur verschwinden, sondern in einer anderen Art wieder auftauchen.
Der Aufbau
Am Beschleunigerzentrum J-PARC in Tokai an der Ostküste treffen Protonen auf ein Graphittarget. Es entstehen Pionen, die von magnetischen Hörnern gebündelt werden und in einer Zerfallsstrecke Myon-Neutrinos freisetzen. Alles andere fängt eine Abschirmung ab — die Methode, die Melvin Schwartz 1960 vorschlug.
280 Meter hinter der Quelle stehen zwei Nahdetektoren. INGRID sitzt genau in der Strahlachse und überwacht Richtung und Stärke. ND280 steht schräg daneben, in einem Magneten aus einem ausgemusterten CERN-Experiment, und misst Zusammensetzung und Spektrum des Strahls, bevor Oszillation eine Rolle spielt.
Am anderen Ende, 295 Kilometer westlich, liegt Super-Kamiokande und zählt, was ankommt.
Der Kunstgriff des schrägen Blicks
T2K arbeitet off-axis: Der Ferndetektor steht nicht in der Strahlachse, sondern 2,5 Grad daneben.
Das klingt nach einem Nachteil und ist ein Vorteil. In der Achse hat der Strahl ein breites Energiespektrum, weil Pionen unterschiedlicher Energie unterschiedlich schnelle Neutrinos liefern. Etwas seitlich davon sorgt die Kinematik des Zerfalls dafür, dass Neutrinos sehr verschiedener Pionenenergien fast dieselbe Energie haben. Der Strahl wird schmal und legt sich auf rund 600 Megaelektronenvolt fest.
Das ist kein beliebiger Wert. Bei 295 Kilometern hat die Neutrinooszillation genau dort ihr Maximum.
Man verliert also Intensität und gewinnt Schärfe. Für eine Messung, die auf der Energieabhängigkeit beruht, ist das der bessere Handel — und derselbe Griff wird heute bei NOvA und Hyper-Kamiokande verwendet.
Das Auftauchen von Elektron-Neutrinos
Bis dahin war Oszillation stets am Verschwinden gemessen worden: Man schickt Myon-Neutrinos los und zählt, wie viele fehlen. Wohin sie gehen, sah man nicht.
T2K suchte umgekehrt nach Elektron-Neutrinos im Strahl, wo eigentlich keine sein sollten. 2011 meldete die Kollaboration sechs Kandidaten — zu wenige für eine Behauptung, genug für Aufmerksamkeit. 2013 lagen 28 vor, bei einem erwarteten Untergrund von knapp fünf. Die Signifikanz erreichte 7,3 Standardabweichungen.
Damit war der Übergang νμ → νe direkt belegt, und der Mischungswinkel θ₁₃ als von null verschieden bestätigt — kurz nachdem Daya Bay ihn aus Reaktormessungen bestimmt hatte.
Dass dieser Winkel nicht null ist, war die Voraussetzung für alles Weitere. Wäre er null gewesen, ließe sich die CP-Verletzung im Leptonsektor überhaupt nicht messen.
Der Hinweis auf CP-Verletzung
T2K kann seine magnetischen Hörner umpolen und statt Neutrinos Antineutrinos erzeugen. Damit lässt sich fragen: Wandeln sich beide gleich häufig um?
2020 berichtete die Kollaboration in Nature, dass die Daten am besten zu einem deutlichen Unterschied passen. Ein großer Teil des möglichen Wertebereichs für den Parameter δ_CP wurde ausgeschlossen, und der Fall „keine CP-Verletzung" lag außerhalb des 95-Prozent-Bereichs.
Das ist ein Hinweis, kein Beweis. In der Teilchenphysik gilt eine Entdeckung erst ab fünf Standardabweichungen. Dafür braucht es Hyper-Kamiokande und DUNE — beide sind unter anderem deshalb im Bau.
Warum das über Physik hinausreicht
Die Frage hinter der CP-Verletzung ist die nach unserer Existenz. Beim Urknall sollten Materie und Antimaterie in gleicher Menge entstanden sein. Dass Materie übrig blieb, verlangt einen Unterschied im Verhalten beider.
Im Quarksektor ist ein solcher Unterschied bekannt, aber um Größenordnungen zu klein. Bleiben die Neutrinos — und über den Seesaw-Mechanismus und die Leptogenese ein möglicher Weg vom Leptonsektor zur Materie im Weltall.
T2K hat den ersten Hinweis geliefert, dass dieser Weg gangbar sein könnte.
Verwandte Begriffe
- Super-Kamiokande — der Zieldetektor
- Hyper-Kamiokande — der Nachfolger
- Daya Bay — die parallele Messung von θ₁₃
- PMNS-Matrix — wo δ_CP steht
Quellen
- T2K-Kollaboration: Observation of Electron Neutrino Appearance in a Muon Neutrino Beam, Physical Review Letters 112, 061802 (2014).
- T2K-Kollaboration: Constraint on the matter–antimatter symmetry-violating phase in neutrino oscillations, Nature 580, 339 (2020).