Miesiąc: kwiecień 2020

– Wyniki opublikowane w Nature to ważny krok w badaniach różnicy między materią i antymaterią

 

Współpraca T2K opublikowała w prestiżowym czasopiśmie naukowym Nature nowe wyniki dotyczące najsilniejszego jak dotąd ograniczenia na parametr opisujący łamanie symetrii między materią i antymaterią w oscylacjach neutrin. Używając wiązki neutrin i antyneutrin mionowych, T2K badało jak te cząstki i antycząstki zmieniają się, odpowiednio, w neutrina i antyneutrina elektronowe. Parametr opisujący łamanie symetrii materia/antymateria w oscylacjach neutrin, zwany fazą δ_CP, może przyjmować wartości w zakresie od -180º do 180º. T2K po raz pierwszy, z bardzo dużym prawdopodobieństwem (na poziomie ufności 99,7%), wykluczyło prawie połowę z możliwych wartości parametru δ_CP, odsłaniając tym samym, nie zmierzoną do tej pory, podstawową własność neutrin. Wynik ten, oparty na danych zebranych przez eksperyment T2K do roku 2018, został opublikowany w interdyscyplinarnym czasopiśmie naukowym Nature 15 kwietnia 2020 r.

Dla większości zjawisk prawa fizyki dostarczają symetrycznego, tzn. takiego samego, opisu zachowania materii i antymaterii. Jednakże symetria ta nie jest zachowana w sposób uniwersalny. Efekt asymetrii między materią i antymaterią jest najbardziej widoczny w obserwacjach Wszechświata, który składa się głównie z materii i bardzo niewielkiej ilości antymaterii. Uważa się, że na początku Wszechświata materia i antymateria powstały w równych ilościach. By Wszechświat osiągnął stan dominacji materii nad antymaterią, niezbędnym warunkiem było łamanie tzw. symetrii ładunkowo-przestrzennej (z ang. Charge-Parity Symmetry, CP). Jak dotąd, łamanie symetrii CP zostało zaobserwowane jedynie dla subatomowych cząstek zwanych kwarkami, jednak wielkość tego efektu jest niewystarczająca, aby wyjaśnić obserwowaną przewagę ilości materii nad antymaterią we Wszechświecie. Eksperyment T2K poszukuje nowego źródła łamania symetrii CP w oscylacjach neutrin, które manifestowałoby się jako różnica w mierzonych prawdopodobieństwach oscylacji dla neutrin i antyneutrin.

   

Rys.1. Strzałka pokazuje wartość najlepiej zgodną z danymi. Szary region jest wykluczony na poziomie ufności 99,7% (3σ). Obejmuje on prawie połowę możliwych wartości.

Eksperyment T2K używa wiązki składającej się głównie z neutrin lub antyneutrin mionowych, wytworzonej z użyciem wiązki protonów w ośrodku Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC), położonym w miejscowości Tokai na wschodnim wybrzeżu Japonii. Mały ułamek tych neutrin (lub antyneutrin) jest wykrywany w odległości 295 km w detektorze Super-Kamiokande, znajdującym się pod górą w miejscowości Kamioka, blisko zachodniego wybrzeża Japonii. Kiedy neutrina i antyneutrina mionowe przebywają odległość z Tokai do Kamioka (ang. Tokai-to-Kamioka, stąd nazwa T2K), pewna ich część będzie oscylować, zmieniając swój rodzaj na odpowiednio neutrina lub antyneutrina elektronowe. Neutrina w detektorze Super-Kamiokande wykrywa się dzięki promieniowaniu Czerenkowa (tworzącemu charakterystyczne pierścienie pokazane poniżej) emitowanemu przez cząstki wybite (lub powstałe) w oddziaływaniu neutrina. Przełączając wiązkę w tryb neutrin lub antyneutrin można oddzielnie badać ich oscylacje.

Rys.2. Graficzna prezentacja przypadków z wiązki T2K – kandydata na neutrino elektronowe (po lewej) i na antyneutrino elektronowe (po prawej) zaobserwowanego w Super-Kamiokande. Kiedy (anty)neutrino elektronowe oddziałuje z wodą, produkowany jest elektron lub pozyton. Emitują one słabe światło, które jest wykrywane przez około 11000 fotoczujników. Kolor na obrazku odpowiada czasowi rejestracji fotonów.

T2K opublikowało wyniki z analizy danych zebranych dla wiązki neutrinowej i antyneutrinowej odpowiadającej 1,49 x 10²¹ i 1,64 x 10²¹ protonów z akceleratora, zderzających się z tarczą. W wyniku tych zderzeń produkowane są cząstki, które rozpadając się tworzą wiązkę neutrin bądź antyneutrin. Gdyby parametr δ_CP był równy 0º lub 180º, neutrina i antyneutrina zmieniałyby swój rodzaj (z mionowego na elektronowy) w czasie oscylacji w ten sam sposób. Jednak parametr δ_CP może mieć wartości, które wzmacniają oscylacje neutrin lub antyneutrin, łamiąc w ten sposób symetrię CP. Nawet jednak przy braku łamania symetrii CP liczby przypadków oddziaływań neutrin i antyneutrin nie będą takie same ze względu na fakt, że detektor i układ wiązki składają się z materii, a nie antymaterii. By odseparować efekt δ_CP od zaburzających wynik efektów tworzenia wiązki i oddziaływania z materią, do analizy włączone są poprawki oparte na danych zebranych z tzw. bliskiego detektora (ND280) położonego w odległości 280 m od tarczy.

T2K zaobserwowało 90 przypadków – kandydatów na neutrino elektronowe i 15 na antyneutrino elektronowe. Przy założeniu maksymalnego wzmocnienia dla neutrin (δ_CP = -90º) spodziewano się 82 kandydatów na neutrino elektronowe i 17 na antyneutrino elektronowe, natomiast przy maksymalnym wzmocnieniu dla antyneutrin (δ_CP = +90º): 56 neutrin elektronowych i 22 antyneutrina elektronowe. Liczba zaobserwowanych przypadków w funkcji zrekonstruowanej energii neutrina jest pokazana z wykresach poniżej. Dane T2K pasują najlepiej do wartości δ_CP bliskiej -90º, która znacząco zwiększa prawdopodobieństwo oscylacji dla neutrin. Używając tych danych T2K wyznaczyło przedziały ufności dla parametru δ_CP. Zakres od -2º do 165º został wykluczony przy poziomie ufności 3σ (99,7%). Wynik ten jest jak dotąd najsilniejszym ograniczeniem na δ_CP. Wartości 0º i 180º są odrzucone na poziomie ufności 95%, podobnie jak to miało miejsce dla poprzedniego wyniku T2K, ogłoszonego w 2017. Sugeruje to, że w oscylacjach neutrin może być łamana symetria CP.

Rys.3. Zaobserwowane przypadki – kandydaci na neutrina elektronowe (po lewej) i antyneutrina elektronowe (po prawej) w porównaniu z przewidywaniami dla maksymalnego wzmocnienia dla neutrin (czerwona linia kreskowana) i antyneutrin (niebieska linia kropkowana).

	Obserwacja	Przewidywanie
		δCP = -90º	δCP = +90º
Neutrina elektronowe	90	82	56
Antyneutrina elektronowe	15	17	22

 Tabela: Zaobserwowana liczba przypadków – kandydatów na neutrina i antyneutrina elektronowe w porównaniu z przewidywaniami dla maksymalnego wzmocnienia dla neutrin (δ_CP = -90º) i antyneutrin (δ_CP = +90º).

Choć wynik ten wskazuje na silną preferencję wzmocnienia dla neutrin w T2K, nie jest on całkowicie pewnym potwierdzeniem łamania symetrii CP. By wzmocnić czułość eksperymentu na możliwe efekty łamania symetrii CP, ośrodek J-PARC zwiększy intensywność wiązki protonów, a współpraca T2K unowocześni bliski detektor (ND280). Obie te modyfikacje pozwolą nie tylko na zebranie większej ilości danych, ale też zwiększenie dokładności pomiaru.

Eksperyment T2K ma wsparcie japońskiego Ministerstwa Kultury, Sportu, Nauki i Techniki (MEXT) oraz korzysta z ośrodków badawczych High Energy Accelerator Research Organization (KEK) i Institute for Cosmic Ray Research (ICRR), będącego częścią Uniwersytetu Tokijskiego. Eksperyment został zaprojektowany i zbudowany oraz jest obsługiwany przez międzynarodową współpracę około 500 naukowców z 68 instytucji z 12 państw (Francji, Hiszpanii, Japonii, Kanady, Niemiec, Polski, Rosji, Szwajcarii, Wielkiej Brytanii, Wietnamu, Włoch i Stanów Zjednoczonych). Prezentowany wynik otrzymano dzięki staraniom J-PARC, który dostarcza eksperymentowi T2K wysokiej jakości wiązek neutrin i antyneutrin.

Więcej informacji o eksperymencie T2K można znaleźć na stronie http://t2k-experiment.org

Udział polskich zespołów naukowych w eksperymencie neutrinowym z długą bazą pomiarową Tokai-to-Kamioka (T2K) w Japonii rozpoczął się od zaangażowania w budowę bliskiego detektora ND280 w akceleratorowym ośrodku J-PARC w Tokai. W projekcie tym uczestniczymy od 2006 roku. Jesteśmy członkami Polskiej Grupy Neutrinowej (PGN), w skład której wchodzą zespoły z 6 instytucji naukowych:

• Uniwersytetu Śląskiego, Katowice (UŚ),
• Instytutu Fizyki Jądrowej PAN, Kraków (IFJ),
• Narodowego Centrum Badań Jądrowych, Otwock/Warszawa (NCBJ),
• Politechniki Warszawskiej, Warszawa (PW),
• Uniwersytetu Warszawskiego, Warszawa (UW),
• Uniwersytetu Wrocławskiego, Wrocław (UWr).

Każdy z wymienionych zespołów wnosi wkład w prowadzone badania i prace związane z udziałem w eksperymencie T2K.

Polscy fizycy są wszechstronnie zaangażowani w działalność eksperymentu T2K, począwszy od budowy i obsługi aparatury pomiarowej, poprzez rozwijanie oprogramowania, zbieranie danych, prowadzenie analiz, aż po przewodniczenie grupom roboczym i udział w komitetach doradczych i zarządzających współpracą.

Historia naszego udziału w eksperymencie sięga roku 2006, kiedy był on dopiero przygotowywany. W latach 2006-2009 uczestniczyliśmy w projektowaniu i budowie jednego z podzespołów bliskiego detektora ND280 – detektora zasięgu mionów, a w kolejnych latach odpowiadaliśmy też za jego sprawne działanie i obsługę. W 2018 roku przejęliśmy nadzór nad działaniem jednego z kluczowych podzespołów ND280 – detektora scyntylacyjnego FGD, w którym rejestrowane są oddziaływania neutrin. Bierzemy czynny udział w zbieraniu danych w Japonii, pełniąc m.in. odpowiedzialną funkcję kierownika zmiany. Jesteśmy także zaangażowani w prowadzone obecnie prace nad unowocześnieniem bliskiego detektora.

Rozwijamy używane przez współpracę oprogramowanie komputerowe. W wielu analizach wykorzystywany jest generator oddziaływań neutrin NuWro, stworzony we Wrocławiu, elastyczne narzędzie umożliwiające włączanie do obliczeń najnowszych modeli teoretycznych. Przygotowaliśmy symulacje zewnętrznego tła oraz rozwijaliśmy metody rekonstrukcji oddziaływań neutrin w detektorze ND280.

Jesteśmy odpowiedzialni za część zadań związanych z kontrolą jakości zbieranych danych i ich kalibracją, zarówno w bliskim, jak i w dalekim detektorze (Super-Kamiokande). Pracujemy także nad wyznaczaniem niepewności systematycznych związanych z efektami detektorowymi.

W zakresie analizy danych nasze wysiłki koncentrują się na detektorze ND280 i pomiarach oddziaływań neutrin, wkraczamy też w analizy danych zebranych przez detektor Super-Kamiokande. Dokładność pomiaru parametrów oscylacji neutrin w T2K, w tym wyniku opublikowanego w Nature, istotnie zależy od jak najlepszego modelowania wiązki neutrin i antyneutrin. Uzyskuje się to na drodze dedykowanych pomiarów prowadzonych w eksperymencie NA61/SHINE w CERN z dużym udziałem polskich grup w zbieraniu i analizie danych.

Jesteśmy zauważani i doceniani we współpracy. Członkowie Polskiej Grupy Neutrinowej pełnili lub pełnią ważne funkcje koordynatorów grup roboczych oraz zasiadali lub zasiadają także w komitetach doradczych (Analysis Steering Group, Future Neutrino Panel) i zarządzających współpracą (Publication Board, ND280 G4 Committee, Executive Committee). Regularnie reprezentujemy współpracę T2K na międzynarodowych konferencjach z dziedziny fizyki cząstek elementarnych. Udział w T2K stworzył młodym polskim naukowcom okazję napisania około dziesięciu ciekawych rozpraw doktorskich i habilitacyjnych, oraz ponad dziesięciu magisterskich.

Działalność polskich grup wspierana jest przez fundusze otrzymywane z Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego, Narodowego Centrum Nauki oraz Komisji Europejskiej.