Eksperyment T2K - nowa era w badaniu fundamentalnych własności
advertisement
Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego Eksperyment T2K - nowa era w badaniu fundamentalnych własności przyrody Wiązka neutrin - cząstek elementarnych o zerowym ładunku elektrycznym - wytworzona w ramach eksperymentu T2K przeleciała przez warstwę ziemi grubości niemal 300 km i wywołała pierwszy błysk w japońskim detektorze Super-Kamiokande. Eksperyment ma pomóc wyjaśnić tajemnice tzw. zjawiska oscylacji neutrin. Biorą w nim udział naukowcy z kilkunastu państw, w tym z Polski. Jak informuje rzecznik Instytutu Problemów Jądrowych w Świerku dr Marek Pawłowski, w ramach eksperymentu T2K (Tokai to Kamioka) w japońskim detektorze Super-Kamiokande zarejestrowano ślad pierwszego neutrina pochodzącego z laboratorium J-PARC w Tokai. Wiązka neutrin bez przeszkód pokonała warstwę ziemi grubości 295 km. Eksperyment T2K otwiera nową erę w badaniu fundamentalnych własności przyrody. "Dla fizyków zajmujących się neutrinami projekt T2K ma taką rangę, jak akcelerator LHC dla badaczy protonów i kwarków" - mówi prof. Danuta Kiełczewska z Instytutu Problemów Jądrowych w Świerku i Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego. Dr Pawłowski wyjaśnia, że neutrina oddziałują za pomocą oddziaływań grawitacyjnych i jądrowych słabych. Grawitacja w świecie cząstek elementarnych nie odgrywa obecnie żadnej roli, a oddziaływania jądrowe słabe mają zasięg 1000 razy mniejszy od rozmiarów protonu. Czynniki te powodują, że neutrina muszą znaleźć się niezwykle blisko innych cząstek, by mogły one zareagować na ich obecność. W rezultacie, aby mieć pewność zatrzymania neutrina, należałoby zbudować tarczę z ołowiu grubości tysięcy lat świetlnych. "Laboratorium w Tokai będzie wytwarzać najsilniejsze wiązki neutrin na świecie, mimo to spodziewamy się, że w podziemnym detektorze Super-Kamiokande będziemy rejestrować tylko pojedyncze zdarzenia" - mówi prof. Agnieszka Zalewska z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie. Badania neutrin cieszą się zainteresowaniem fizyków z powodu intrygującej zagadki. W przyrodzie występują trzy rodzaje neutrin, różniące się masą: elektronowe, mionowe i taonowe. Gdy w 1967 roku w kopalni złota Homestake w Południowej Dakocie przeprowadzono pierwsze pomiary liczby neutrin elektronowych, powstających na Słońcu w wyniku reakcji termojądrowych, uzyskano wynik trzykrotnie niższy od oczekiwanego. Z kolei na przełomie wieków w detektorze SuperKamiokande mierzono liczbę neutrin mionowych tworzących się podczas oddziaływania promieniowania kosmicznego z ziemską atmosferą. Wyniki zależały od kierunku obserwacji: neutrin napływających z góry było dwukrotnie więcej niż napływających z dołu. Rezultaty te tłumaczy się obecnie oscylacjami neutrin. "Oscylacje neutrin są efektem ze świata kwantów, gdzie cząstki mogą przebywać w stanie będącym mieszaniną kilku różnych stanów. Na co dzień jesteśmy przyzwyczajeni do tego, że dany obiekt ma ściśle określoną, niezmienną masę. Fizycy przypuszczają jednak, że neutrina znajdują się w mieszaninie stanów o różnych masach. Stany te ciągle oscylują" - tłumaczy rzecznik IPJ. W rezultacie tam, gdzie dominuje jeden stan, obserwujemy neutrino o odpowiadającej mu masie, a nieco dalej, gdzie dominuje drugi lub trzeci stan, widzimy neutrino o innej masie - a więc innego typu. Podstawowym celem eksperymentu T2K jest zbadanie zjawiska oscylacji neutrin. Wiązka tych cząstek, wytwarzana w synchrotronie w laboratorium w Tokai, trafia do znajdującego się w odległości zaledwie 280 m tzw. detektora bliskiego, a następnie przelatuje przez warstwę ziemi grubości niemal 300 km do detektora dalekiego, którym jest Super-Kamiokande. Fizycy spodziewają się, że pomiary liczby neutrin poszczególnych typów w obu detektorach będą różne i pozwolą lepiej poznać charakter oscylacji. "Problem w tym, że oscylacje neutrin mogą zachodzić tylko wtedy, gdy neutrina mają masę, co bardzo trudno wytłumaczyć za pomocą obecnych teorii" - mówi prof. Agnieszka Zalewska. Fizycy starają się znaleźć głębszą teorię badając zjawiska zachodzące w zderzeniach protonów w akceleratorze LHC, ale jest możliwe, że na jej trop uda się wpaść dzięki obserwacjom neutrin w eksperymencie T2K. Dr Pawłowski wyjaśnia, że polscy naukowcy w eksperymencie T2K współpracowali przy budowie i uruchamianiu elementów bliskiego detektora ND280. Detektor ten znajduje się w Tokai, w odległości 280 m od źródła neutrin i pierwsze ślady przelotów neutrin zarejestrował już w listopadzie ubiegłego roku. Jednym z najważniejszych elementów ND280 jest rozległy detektor mionów SMRD (Side Muon Range Detector). Zadanie SMRD polega na rejestrowaniu mionów, cząstek powstających w wyniku oddziaływania neutrin z materią. Zespół inżynierów i techników z Instytutu Fizyki Jądrowej w Krakowie opracował system montażu rosyjskich elementów tego detektora, a w ich przygotowaniu i instalacji uczestniczyła także grupa z Instytutu Problemów Jądrowych w Świerku. Z kolei grupa teoretyków z Uniwersytetu Wrocławskiego przygotowuje symulacje komputerowe, których wyniki pozwalają precyzyjniej optymalizować aparaturę, a w przyszłości ułatwią interpretację zebranych danych o przelotach neutrin. W badaniach uczestniczą także naukowcy z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, Uniwersytetu Śląskiego i Politechniki Warszawskiej. W sumie w skład międzynarodowego zespołu naukowego odpowiedzialnego za eksperyment T2K wchodzi 508 fizyków z 62 instytucji naukowych z 12 krajów. EKR PAP - Nauka w Polsce Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)
