T2K (" Tokai to Kamioka ") è un esperimento di fisica delle particelle che studia le oscillazioni dei neutrini da acceleratore. L'esperimento è condotto in Giappone grazie alla cooperazione internazionale di circa 500 fisici e ingegneri con oltre 60 istituti di ricerca di diversi paesi dell'Europa, dell'Asia e del Nord America , inoltre è un esperimento riconosciuto dal CERN (RE13). In Italia l'esperimento è finanziato dall'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare. T2K ha cominciato la raccolta dati nel 2010; si prevede che la presa dati continuerà fino all'inizio del successore di T2K: l'esperimento Hyper-Kamiokande nel 2028.
T2K è stato il primo esperimento che ha osservato la comparsa di neutrini elettronici in un fascio di neutrini muonici. Ha inoltre fornito la migliore misura al mondo del parametro di oscillazione θ23 e una indicazione di una significativa asimmetria materia-antimateria nelle oscillazioni dei neutrini. La misura dell’asimmetria dell’oscillazione neutrino-antineutrino potrebbe contribuire alla spiegazione dell’esistenza del nostro Universo dominato dalla materia. La collaborazione T2K è stata premiata con il Breakthrough Prize in Fundamental Physics nel 2016.
L'intenso fascio di neutrini muonici viene prodotto nei laboratori J-PARC (Japan Proton Accelerator Research Complex) a Tokai nella prefettura di Ibaraki, sulla costa orientale del Giappone. Il fascio è diretto verso il rivelatore lontano Super-Kamiokande situato a 295 chilometri di distanza nella città di Hida, prefettura di Gifu. Le proprietà e la composizione del flusso di neutrini vengono prima misurate da un sistema di rivelatori vicini situati 280 metri (ND280) dal luogo di produzione del fascio, e poi di nuovo nel rivelatore lontano Super-Kamiokande. Il confronto dello spettro energetico e del numero di interazioni dei diversi sapori di neutrini in queste due posizioni consente di misurare la probabilità di oscillazione, determinandone numerosi parametri. Super-Kamiokande è in grado di rivelare le interazioni sia dei neutrini muonici che elettronici, e quindi misurare sia la scomparsa del flusso dei neutrini muonici che la comparsa dei neutrini elettronici nel fascio.
Programma di fisica L'esperimento T2K è stato proposto nel 2003 con i seguenti obiettivi:
La scoperta delle oscillazioni → e quindi la conferma che l'angolo di mixing θ13, l'ultimo angolo da misurare delle oscillazioni di neutrini, non è zero. La misurazione precisa dei parametri di oscillazione Δm e θ23 tramite studi sulla scomparsa dei neutrini muonici. Ricerca di oscillazioni dei neutrini sterili. Misure di varie sezioni d'urto di interazione per diversi tipi di neutrini e di bersagli in un intervallo energetico di pochi GeV.
Dall’inizio della raccolta dati nel 2010, l’esperimento T2K è riuscito a fornire una serie di risultati di livello mondiale:
La prima indicazione (con una significanza di 2.5 σ) che il parametro θ13 è diverso da zero. Purtroppo il catastrofico terremoto del Tohoku a marzo 2011 ha fermato i lavori dell'esperimento per un anno ed ha impedito a T2K di fornire la prima evidenza sperimentale (per la quale viene richiesta una significanza di almeno 5 σ) di un valore non nullo di questo parametro. La conferma della comparsa di neutrini elettronici nel fascio di neutrini muonici ( → ), processo che non era mai stato rivelato in precedenza. La misura più precisa al mondo del parametro θ23. Limiti sui parametri di oscillazione di un neutrino sterile basati su studi sia nel rivelatore vicino ND280 che in quello lontano Super-Kamiokande. Varie misurazioni della sezione d'urto di neutrini e antineutrini elettronici e muonici, comprese le interazioni con corrente carica inclusiva (CC), interazioni CC senza pioni e con un singolo pione nel stato finale, produzione coerente di pioni, interazioni di corrente neutra, ecc. su diversi bersagli come carbonio, acqua e ferro. Il primo vincolo significativo sulla fase di oscillazione δCP, responsabile dell'asimmetria materia-antimateria nelle oscillazioni dei neutrini. I valori più aggiornati dei parametri di oscillazione misurati da T2K sono stati pubblicati a Dicembre 2025, analizzando i dati prodotti da 3,6×10 21 protoni su bersaglio con il 55% dei dati in modalità neutrino e il 45% in modalità antineutrino
La fase δCP assume valori da -π a π (cioè da −180° a 180°) e può essere misurata confrontando le oscillazioni dei neutrini con quelle degli antineutrini. La simmetria CP sarebbe conservata, e quindi le probabilità di oscillazione sarebbero le stesse per neutrini e antineutrini, per δCP uguale a 0 o ± π. T2K ha fornito il primo e il più forte vincolo finora su δCP, escludendo al livello di significatività 3σ (99,7%) quasi la metà dei valori possibili, i punti di conservazione di CP sono esclusi al livello di significatività del 90%; fornendo quindi un forte indizio che la violazione di CP può essere ampia nel settore dei neutrini. La violazione di CP è una delle condizioni proposte dal fisico russo Andrei Sakharov, necessarie per produrre l'eccesso di materia rispetto all'antimateria nell'Universo primordiale, che forma ora il nostro universo costruito dalla materia. La violazione di CP nei quark fu confermata già nel 1964, ma è troppo piccola per spiegare lo squilibrio osservato tra materia e antimateria nell'Universo. La forte violazione di CP nel settore dei neutrini potrebbe portare ad un eccesso di produzione di materia attraverso il processo chiamato leptogenesi e quindi tale misurazione sarebbe un passo importante per comprendere come si è formato l'Universo.
L'esperimento NOvA è l'altro esperimento sull'oscillazione dei neutrini in grado di misurare δCP attraverso il confronto tra i canali di oscillazione → e →. NOvA è condotto negli Stati Uniti e misura l’oscillazione dei neutrini alla distanza di 810 km tra il luogo di produzione del fascio nel Fermilab e il rivelatore lontano ad Ash River, Minnesota. NOvA ha finora fornito una misurazione meno precisa di δCP, che è in leggera tensione con il risultato T2K. Il punto di migliore fit per T2K si trova nella regione sfavorita da NOvA con un livello di confidenza del 90%. È stata recentemente pubblicata una analisi congiunta combinano dieci anni di dati di T2K (raccolti dal 2010) e sei anni di dati di NOvA (raccolti dal 2014), riducendo l’incertezza nelle differenze tra le masse quadrate dei neutrini a meno del 2%,. Questo traguardo dimostra quanto sia rilevante la collaborazione tra esperimenti “in competizione” ma complementari.
È stata anche pubblicata una analisi congiunta Super-Kamiokande eT2K analizzando neutrini atmosferici (raccolti in 3244,4 giorni) e neutrini da fascio. L'analisi ha trovato una esclusione a 1,9 σ della conservazione di CP ed una preferenza per la gerarchia normale delle masse dei neutrini.
Si prevede che i futuri upgrade di T2K potranno fornire misure più precise di Δm e θ23, misurazioni di sezione d'urto che amplieranno la nostra comprensione delle interazioni dei neutrini, e migliori limiti sulla fase δCP , indicando se la simmetria CP è conservata o violata nelle oscillazioni di neutrino fino ad un livello di confidenza di 3σ alla fine della presa dati e di 5σ o meglio nell'esperimento Hyper-Kamiokande.
Fascio di neutrini T2K utilizza un fascio di neutrini muonici (o antineutrini muonici) prodotto presso il complesso J-PARC. Viene utilizzato un fascio di protoni accelerato a 30 GeV da un sistema di tre acceleratori: una prima fase a 400 MeV da un acceleratore lineare Linac, poi fino a 3 GeV dall'acceleratore RCS (Rapid Cycle Synchrotron), ed infine fino a 30 GeV dal sincrotrone MR (Main Ring). I protoni si scontrano con un bersaglio di grafite, producendo mesoni, principalmente pioni e kaoni, che vengono poi focalizzati da una serie di tre corni (horn) magnetici e diretti in un tunnel di decadimento. A seconda della polarità degli horn, vengono focalizzati i mesoni positivi o negativi. I pioni positivi decadono principalmente in e , formando un fascio di neutrini muonici, mentre pioni negativi decadono principalmente in e , formando un fascio di antineutrini muonici. Tutti gli adroni e i leptoni carichi secondari vengono fermati da un blocco di grafite da 75 tonnellate (il cosiddetto beam dump) e nel terreno, mentre i neutrini viaggiano sottoterra verso i rivelatori vicini e il rivelatore lontano.
Fascio off-axis T2K è il primo esperimento in cui è stato realizzato il concetto di fascio di neutrini fuori asse (off-axis). Il fascio di neutrini di J-PARC è diretto a 2 o 3 gradi di distanza dal rivelatore lontano Super-Kamiokande e da uno dei rivelatori vicini, ND280. L'energia media dei neutrini diminuisce con la deviazione dall'asse del fascio. L'angolo off-axis è stato scelto a 2,5° per massimizzare la probabilità di oscillazione ad una distanza corrispondente al rivelatore lontano, che per 295 chilometri è massima per una energia dei neutrini di circa 600 MeV. A queste energie, il tipo dominante di interazioni dei neutrini sono le interazioni quasi-elastiche a corrente carica, per le quali è possibile ricostruire l'energia del neutrino interagente misurando la quantità di moto e la direzione del leptone carico prodotto nelle interazioni. I neutrini con energie più elevate vengono soppressi dalla configurazione off-axis.
Rivelatori vicini (Near detectors, ND) Il complesso di rivelatore vicini si trova ad una distanza di 280 metri dal bersaglio in grafite. Il suo scopo è misurare il flusso di neutrini prima che avvengano le oscillazioni e studiare le interazioni dei neutrini. Il sistema è composto da tre rivelatori principali:
Rivelatore INGRID (Interactive Neutrino GRID) situato sull'asse del fascio di neutrini, Rivelatore ND280 situato a 2,5° dall'asse del fascio, cioè allo stesso angolo del rivelatore lontano. Il rivelatore è montato all'interno di un enorme magnete utilizzato originariamente dall'esperimento UA1 al CERN e successivamente dall'esperimento NOMAD, sempre al CERN. WAGASCI-BabyMIND (WAter Grid SCIntillator Detector) è un rivelatore magnetico di neutrini situato ad un angolo fuori asse di 1,5°, costruito per esplorare la variazione dello spettro energetico al variare dell'angolo off-axis e le sezioni d'urto di neutrini ad energie più elevate.
Lettura del segnale
Il materiale attivo (che consente il tracciamento delle particelle) dei rivelatori vicini è uno scintillatore plastico. La luce prodotta dalle particelle cariche che attraversano le barre di scintillatore plastico viene raccolta da fibre a spostamento di lunghezza d'onda e rivelata dai contatori fotonici multi-pixel Hamamatsu situati su una o entrambe le estremità delle fibre. Le barre scintillanti sono disposte perpendicolarmente tra loro e così permettono di ricostruire informazioni 3D sulle particelle che le attraversano. Le camere traccianti di ND280 sono completate da tre camere di proiezione temporale che determinano con precisione il momento delle particelle cariche misurando la loro curvatura all'interno del campo magnetico.
Il rivelatore INGRID