Utente:Mauro.mezzetto/T2K: differenze tra le versioni
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'''T2K''' (" [[Tōkai (Ibaraki)|Tokai]] to [[Hida|Kamioka]] ") è un esperimento [[Fisica delle particelle|di fisica delle particelle]] che studia le [[Oscillazione del neutrino|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 <ref>{{Cita web|url=https://t2k-experiment.org/t2k/collaboration/|dataaccesso=2020-03-31}}</ref>, inoltre è un esperimento riconosciuto [[CERN|dal CERN]] (RE13). <ref>{{Cita web|url=https://greybook.cern.ch/greybook/experiment/recognized|sito=The CERN Experimental Programme|dataaccesso=9 March 2021}}</ref> <ref>{{Cita web|url=https://greybook.cern.ch/greybook/experiment/detail?id=RE13|sito=The CERN Experimental Programme|dataaccesso=20 January 2020}}</ref> T2K ha cominciato la raccolta dati nel 2010; si prevede che la presa dati continuerà fino all'inizio del successore di T2K: [[Hyper-Kamiokande|l'esperimento Hyper-Kamiokande]] nel 2027. <ref name="
T2K è stato il primo esperimento che ha osservato la comparsa di [[Neutrino elettronico|neutrini elettronici]] in un [[Fascio di particelle (spettrometria di massa)|fascio]] [[Neutrino muonico|di neutrini muonici]] . <ref name="1106.2822">{{Cita pubblicazione|
L'intenso fascio di neutrini muonici viene prodotto nell'impianto J-PARC<ref>{{Cita web|url=https://j-parc.jp/c/en/|titolo=J-PARC Laboratory}}</ref> (Japan Proton Accelerator Research Complex) a Tokai, sulla costa orientale del Giappone. Il fascio è diretto verso il rilevatore 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 rilevatore 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 la scomparsa del flusso dei neutrini muonici, così come la comparsa dei neutrini elettronici nel fascio. <ref name="t2knim">{{Cita pubblicazione|autore=T2K Collaboration|anno=2011|titolo=The T2K Experiment|rivista=Nucl. Instrum. Meth. A|volume=659|pp=106-135|doi=10.1016/j.nima.2011.06.067|bibcode=2011NIMPA.659..106A|arxiv=1106.1238}}</ref>
== Programma di fisica ==
L'esperimento T2K è stato proposto nel 2003 con i seguenti obiettivi: <ref name="t2knim">{{Cita pubblicazione|autore=T2K Collaboration|anno=2011|titolo=The T2K Experiment|rivista=Nucl. Instrum. Meth. A|volume=659|pp=106-135|doi=10.1016/j.nima.2011.06.067|bibcode=2011NIMPA.659..106A|arxiv=1106.1238}}</ref>
* La scoperta delle [[Oscillazione del neutrino|oscillazioni]] {{Particella subatomica|Muon neutrino}} →{{Particella subatomica|Electron neutrino}} e quindi la conferma che l'angolo di mixing ''θ''<sub>13,</sub> l'ultimo angolo da misurare delle oscillazioni di neutrini, non è zero.
* La misurazione precisa dei parametri di oscillazione Δ''m''
* Ricerca di oscillazioni [[Neutrino sterile|dei neutrini sterili]].
* Misure di varie [[Sezione d'urto|sezioni d'urto]] di interazione per diversi tipi di neutrini e di bersagli in un intervallo energetico di pochi GeV.
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Dall’inizio della raccolta dati nel 2010, l’esperimento T2K è riuscito a fornire serie di risultati di livello mondiale:
* La conferma della comparsa di neutrini elettronici nel fascio di neutrini muonici ({{Particella subatomica|Muon neutrino}} →{{Particella subatomica|Electron neutrino}} ), processo che non era mai stato rivelato in precedenza. <ref name="1106.2822">
* La misura più precisa al mondo del parametro ''θ''<sub>23</sub>
* Limiti sui parametri di oscillazione di un [[neutrino sterile]] basati su studi sia nel rivelatore vicino ND280 <ref>{{Cita pubblicazione|autore=T2K Collaboration|anno=2015|titolo=Search for short baseline νe disappearance with the T2K near detector|rivista=Physical Review D|volume=91|numero=5|lingua=en|doi=10.1103/PhysRevD.91.051102|
* Varie misurazioni [[Sezione d'urto|della sezione d'urto]] di neutrini e antineutrini elettronici
* Il primo vincolo significativo sulla fase di oscillazione ''δ''<sub>CP</sub>, responsabile dell'asimmetria materia-antimateria nelle oscillazioni dei neutrini. <ref name="cpnature">{{Cita pubblicazione|
La fase ''δ''<sub>CP</sub> 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 ''δ''<sub>CP</sub> uguale a 0 o ± ''π'' . T2K ha fornito il primo e il più forte vincolo finora su ''δ''<sub>CP</sub>, 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 95%; fornendo quindi un forte indizio che la violazione di CP può essere ampia nel settore dei neutrini. La violazione di CP è una delle [[Bariogenesi|condizioni]] proposte dal fisico russo [[Andrej Dmitrievič Sacharov|Andrei Sakharov]], necessarie per [[Bariogenesi|produrre]] l'eccesso di materia rispetto all'antimateria [[Big Bang|nell'universo primordiale]], che forma ora il nostro [[Asimmetria barionica|Universo costruito dalla materia]] . La violazione di CP nei quark fu confermata già nel 1964, <ref name="CroninFitch1964">{{Cita pubblicazione|autore=J. W. Cronin|anno=1964|volume=13|doi=10.1103/PhysRevLett.13.138|bibcode=1964PhRvL..13..138C|autore6=James Watson Cronin}}</ref> 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. <ref name="cpnature">{{Cita pubblicazione|
L'esperimento NOvA è l'altro esperimento sull'oscillazione dei neutrini in grado di misurare ''δ''<sub>CP</sub> attraverso il confronto tra i canali di oscillazione {{Particella subatomica|Muon neutrino}} →{{Particella subatomica|Electron neutrino}} e {{Particella subatomica|Muon antineutrino}} →{{Particella subatomica|Electron antineutrino}} . 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 rilevatore lontano ad
Si prevede che i futuri upgrade di T2K forniranno misurazioni più precise di Δ''m''
== Fascio di neutrini ==
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}}T2K utilizza un fascio di neutrini muonici (o antineutrini muonici) prodotto presso il complesso J-PARC utilizzando un fascio di protoni accelerato a 30 GeV da un sistema di tre [[Acceleratore di particelle|acceleratori]]
=== 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 [[Grado d'arco|gradi]] di distanza dal rilevatore lontano [[Super-Kamiokande]] e da uno dei rilevatori 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 rilevatore lontano, che per 295 chilometri è massima per una energi 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. <ref name="t2knim">{{Cita pubblicazione|autore=T2K Collaboration|anno=2011|titolo=The T2K Experiment|rivista=Nucl. Instrum. Meth. A|volume=659|pp=106-135|doi=10.1016/j.nima.2011.06.067|bibcode=2011NIMPA.659..106A|arxiv=1106.1238}}</ref> <ref name="t2kflux">{{Cita pubblicazione|autore=T2K Collaboration|anno=2013|titolo=T2K neutrino flux prediction|rivista=Phys. Rev. D|volume=87|p=012001|doi=10.1103/physrevd.87.012001|bibcode=2013PhRvD..87a2001A|arxiv=1211.0469}}</ref>
== Rilevatori vicini (Near detectors, ND) ==
Il complesso di rivelatore vicini <ref name="t2knim">{{Cita pubblicazione|autore=T2K Collaboration|anno=2011|titolo=The T2K Experiment|rivista=Nucl. Instrum. Meth. A|volume=659|pp=106-135|doi=10.1016/j.nima.2011.06.067|bibcode=2011NIMPA.659..106A|arxiv=1106.1238}}</ref> 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 rilevatori principali:
* Rivelatore INGRID (Interactive Neutrino GRID) situato sull'asse del fascio di neutrini,
* Rilevatore ND280 situato a 2,5° dall'asse del fascio, cioè allo stesso angolo del rilevatore lontano. Il rivelatore è montato all'interno di un enorme magnete utilizzato originariamente dall'esperimento UA1 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. <ref name="babymind">{{Cita pubblicazione|autore=Antonova, M.|coautori=et al.|anno=2017|titolo=Baby MIND: A Magnetized Segmented Neutrino Detector for the WAGASCI Experiment|rivista=JINST|volume=12|numero=07|p=C07028|doi=10.1088/1748-0221/12/07/C07028|arxiv=
=== Lettura del segnale ===
[[File:Scintillator.svg|miniatura| Principio di funzionamento di uno scintillatore nei rivelatori vicini T2K]]
L'intero materiale attivo (che consente il tracciamento delle particelle) dei rilevatori vicini è [[Scintillatore|uno scintillatore]] [[Materie plastiche|plastico]]
=== Il rivelatore INGRID ===
Lo scopo principale del rivelatore INGRID è il continuo monitoraggio della direzione e dell'intensità del fascio di neutrini mediante rilevazione diretta delle interazioni dei neutrini. Il rilevatore INGRID è composto da 16 moduli identici disposti a forma di croce, 7 in verticale e 7 in orizzontale, più 2 moduli all'esterno della croce. L'altezza e la larghezza dei bracci sono 10 metri. Un singolo modulo è costituito da strati alternati di ferro e scintillatore plastico. Ulteriori 4 strati di veto <ref group="note">Il Veto
=== Il rivelatore ND280 ===
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}}
Il rilevatore ND280 viene utilizzato per misurare il flusso, lo spettro energetico e le singole componenti del fascio di neutrini per lo stesso angolo fuori asse del rilevatore lontano. ND280 studia anche vari tipi di interazione di neutrini muonici ed elettronici e di antineutrini. Tutto ciò consente di stimare il numero e il tipo di interazioni previste nel rivelatore lontano, riducendo l'errore sistematico nell'analisi delle oscillazioni dei neutrini associata ai modelli di interazioni e flusso dei neutrini. <ref name="t2knim">{{Cita pubblicazione|autore=T2K Collaboration|anno=2011|titolo=The T2K Experiment|rivista=Nucl. Instrum. Meth. A|volume=659|pp=106-135|doi=10.1016/j.nima.2011.06.067|bibcode=2011NIMPA.659..106A|arxiv=1106.1238}}</ref>
ND280 è composto dal set di sottorivelatori interni: rilevatore di pioni neutri Pi-Zero (fino al 2023) e un tracker con 2 rilevatori a grana fine intercalati con 3 camere di proiezione temporale. Questi rivelatori sono circondati da un calorimetro elettromagnetico. Tutti queti rivelatori sono montati all'interno di un magnete, precedentemente utilizzato [[UA1|dall'esperimento UA1]] al CERN, che produce [[Campo magnetico|un campo magnetico]] orizzontale uniforme di 0,2 T. All'interno della struttura del magnete sono montati piani scintillatori che costituiscono il rilevatore di muoni laterali. <ref name="t2knim">{{Cita pubblicazione|autore=T2K Collaboration|anno=2011|titolo=The T2K Experiment|rivista=Nucl. Instrum. Meth. A|volume=659|pp=106-135|doi=10.1016/j.nima.2011.06.067|bibcode=2011NIMPA.659..106A|arxiv=1106.1238}}</ref>
==== Il rivelatore Pi-Zero ====
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: {{Particella subatomica|Muon neutrino}} + N → {{Particella subatomica|Muon neutrino}} + N’ + {{Particella subatomica|Pion0}}
Questa reazione essere confusa con le interazioni dei neutrini elettronici perché i fotoni che provengono dal decadimento dei pioni neutri {{Particella subatomica|Pion0}} possono essere ricostruiti erroneamente come un elettrone nel rivelatore Super-Kamiokande, e quindi costituiscono un importante fondo nella misura dell'apparizione dei neutrini elettronici. <ref name="t2knim">{{Cita pubblicazione|autore=T2K Collaboration|anno=2011|titolo=The T2K Experiment|rivista=Nucl. Instrum. Meth. A|volume=659|pp=106-135|doi=10.1016/j.nima.2011.06.067|bibcode=2011NIMPA.659..106A|arxiv=1106.1238}}</ref> <ref>{{Cita pubblicazione|autore=Assylbekov, S.|coautori=et al.|titolo=The T2K ND280 Off-Axis Pi-Zero Detector|rivista=Nucl. Instrum. Meth. A|volume=686|pp=48-63|doi=10.1016/j.nima.2012.05.028|bibcode=2012NIMPA.686...48A|arxiv=1111.5030}}</ref> Questo rivelatore è rimasto in uso dall'inizio dell'esperimento fino al 2023.
==== Camere a proiezione temporale ====
[[Camera a proiezione temporale|Le camere a proiezione temporale]] (TPC) sono
==== Rivelatori a grana fine ====
Due rilevatori a grana fine (FGD) sono posizionati dopo la prima e dopo la seconda TPC. Insieme, gli FGD e le TPC costituiscono il tracciatore di ND280. Gli FGD forniscono la massa attiva per le interazioni dei neutrini e sono parzialmente in grado di misurare le brevi tracce del rinculo dei protoni. Il primo FGD è composto solo da strati scintillatori, mentre il secondo FGD è composto da strati alternati di scintillatore ed acqua. Le sezioni d'urto dei neutrini sul carbonio e sull'acqua possono in questo modo essere determinate confrontando le interazioni dei neutrini nei due FGD. <ref name="t2knim">{{Cita pubblicazione|autore=T2K Collaboration|anno=2011|titolo=The T2K Experiment|rivista=Nucl. Instrum. Meth. A|volume=659|pp=106-135|doi=10.1016/j.nima.2011.06.067|bibcode=2011NIMPA.659..106A|arxiv=1106.1238}}</ref> <ref>{{Cita pubblicazione|autore=T2K ND280 FGD Collaboration|anno=2012|titolo=The T2K Fine-Grained Detectors|rivista=Nucl. Instrum. Meth. A|volume=696|pp=1-31|doi=10.1016/j.nima.2012.08.020|bibcode=2012NIMPA.696....1A|arxiv=1204.3666}}</ref>
==== Calorimetro elettromagnetico ====
Il calorimetro elettromagnetico (ECal) circonda i rivelatori interni (P0D, TPC, FGD) ed è costituito da strati di scintillatori intervallati con fogli di piombo. Il suo ruolo è quello di rivelare particelle neutre, in particolare fotoni, e misurarne l'energia e la direzione, nonché di rivelare particelle cariche fornendo ulteriori informazioni rilevanti per la loro identificazione. <ref name="t2knim">{{Cita pubblicazione|autore=T2K Collaboration|anno=2011|titolo=The T2K Experiment|rivista=Nucl. Instrum. Meth. A|volume=659|pp=106-135|doi=10.1016/j.nima.2011.06.067|bibcode=2011NIMPA.659..106A|arxiv=1106.1238}}</ref> <ref>{{Cita pubblicazione|autore=T2K UK Collaboration|anno=2012|titolo=The Electromagnetic Calorimeter for the T2K Near Detector ND280|rivista=JINST|volume=8|p=P10019|doi=10.1088/1748-0221/8/10/P10019|bibcode=2013JInst...8P0019A|arxiv=1308.3445}}</ref>
==== Rilevatore laterale dei muoni ====
Il rilevatore laterale di muoni (SMRD) è costituito da moduli di scintillatore inseriti negli spazi vuoti del magnete. L'SMRD registra i muoni che fuoriescono dalle parti interne del rivelatore a grandi angoli rispetto alla direzione del fascio. Gli altri tipi di particelle (ad eccezione dei neutrini) vengono per lo più fermati nel calorimetro prima di arrivare all'SMRD. L'SMRD può anche fungere da trigger per [[Raggi cosmici|i raggi cosmici]] . Infine, può aiutare ad identificare le interazioni dei raggi cosmici nelle pareti circostanti e nel magnete stesso. <ref name="t2knim">{{Cita pubblicazione|autore=T2K Collaboration|anno=2011|titolo=The T2K Experiment|rivista=Nucl. Instrum. Meth. A|volume=659|pp=106-135|doi=10.1016/j.nima.2011.06.067|bibcode=2011NIMPA.659..106A|arxiv=1106.1238}}</ref> <ref>{{Cita pubblicazione|autore=Aoki, S.|coautori=et al.|anno=2013|titolo=The T2K Side Muon Range Detector (SMRD)|rivista=Nucl. Instrum. Meth. A|volume=698|pp=135-146|doi=10.1016/j.nima.2012.10.001|bibcode=2013NIMPA.698..135A|arxiv=1206.3553}}</ref>
=== WAGASCI-BabyMIND ===
[[File:Wagasci_and_ND280_neutrino_flux.png|miniatura| Il flusso di neutrini T2K previsto nel sito dei rivelatori WAGASCI-BabyMIND (linea rossa) e ND280 (linea nera)]]
WAGASCI-BabyMIND è un nuovo rivelatore situato accanto ai rivelatori INGRID e ND280, dedicato agli studi sull'interazioni [[Neutrino|dei neutrini]] . Ha fornito i primi dati sul fascio di neutrini nella sua configurazione completa durante la presa dati invernale 2019/2020. <ref name="babymind">
Il rivelatore WAGASCI-BabyMIND è composto da diversi sottorivelatori:
* Due nuovi [[Scintillatore|scintillatori]] ad [[acqua]] (WAGASCI, WAter-Grid-SCIntillator-Detector) che fungono da bersagli d'acqua e tracciatori di particelle. La struttura a griglia 3D delle barre scintillatrici crea cavità vuote riempite d'acqua. Grazie a questa struttura è stato ottenuto un elevato rapporto acqua/massa nello scintillatore (80% H <sub>2</sub> O + 20% CH) e l'accettanza del rivelatore è elevata e pressoché costante in tutte le direzioni. <ref name="babymind">
* Un modulo per la rivelazione dei protoni, lo stesso del rilevatore INGRID, costituito da semplici barre [[Scintillatore|scintillatrici]] [[Materie plastiche|di plastica]] (CH), che funge da bersaglio e tracciatore di particelle. <ref name="babymind">
* Due WallMRD (Wall Muon Range Detector) che sono spettrometri di muoni non magnetizzati per rivelare i muoni che vanno lateralmente. Sono costituiti da piani passivi [[Ferro|di ferro]] intervallati con piani scintillatori attivi. <ref name="babymind" /> <ref name="wagasci" />
* Un BabyMIND (
Tutto il materiale attivo nei rivelatori è costituito da scintillatore plastico e viene registrato come spiegato nella sezione Lettura del segnale . <ref name="babymind">
L'obiettivo principale del rilevatore WAGASCI-BabyMIND è la riduzione dell'errore sistematico nell'analisi [[Oscillazione del neutrino|dell'oscillazione]], grazie alla sua complementarità rispetto al rilevatore ND280:
* Il diverso materiale tra ND280 (80% CH + 20% H<sub>2</sub>O) e SK (H<sub>2</sub>O pura) ci costringe a fare affidamento su modelli di sezione d'urto per individuare la stima in H
* Il nuovo rivelatore fornirà misurazioni di vari canali di interazione dei neutrini con corrente carica con elevata precisione, soglia di momento piu bassa e grande accettanza angolare. Ciò limiterà le incertezze dei modelli di flusso e di sezione d'urto per le particelle prodotte ad angoli elevati. Queste caratteristiche faciliteranno anche il rilevamento degli adroni a basso momento prodotti sia nelle interazioni di neutrino con stati legati di 2 nucleoni che attraverso reinterazioni all'interno del nucleo bersaglio delle particelle prodotte dal neutrino, e quindi una migliore modellazione di tali interazioni nel rivelatore lontano. <ref name="babymind" /> <ref name="wagasci" />
* La posizione alla stessa distanza di 280 metri dal bersaglio di grafite dei rilevatori ND280 e INGRID, ma con un diverso angolo off-axisdi 1,5 gradi, fa sì che lo spettro energetico del fascio di neutrini abbia un picco ad una diversa energia. [[Combinazione lineare|La combinazione]] delle misure di questi rivelatori fornirà una migliore determinazione delle sezioni d'urto dei neutrini in funzione della loro energia. <ref name="babymind" /> <ref name="wagasci" />
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== Super-Kamiokande ==
[[File:Superkamiokande_electron_muon_discriminator.png|miniatura| Rilevazione di [[Elettrone|elettroni]] e [[Muone|muoni]] nel rivelatore [[Super-Kamiokande]]]]
Il rilevatore [[Super-Kamiokande]] <ref>{{Cita pubblicazione|nome=S.|cognome=Fukuda|coautori=et al.|anno=2003|titolo=The Super-Kamiokande detector|rivista=Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment|volume=501|numero=2-3|pp=418–462|lingua=en|doi=10.1016/S0168-9002(03)00425-X|url=https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S016890020300425X}}</ref> si trova a 1000 m sotto terra nella miniera Mozumi, sotto il monte Ikeno nella zona Kamioka della città di Hida. Si tratta di un serbatoio [[Cilindro (geometria)|cilindrico]] [[Acciaio inossidabile|in acciaio inossidabile]] di circa 40 m di altezza e diametro, riempito con 50.000 tonnellate di [[acqua]] e dotato di circa 13.000 [[Fotomoltiplicatore|tubi fotomoltiplicatori]] (PMT). Rileva un [[cono]] di [[Effetto Čerenkov|luce Cherenkov]] emesso da particelle cariche che si muovono nell'acqua più velocemente della luce. Il suo obiettivo è misurare [[Muone|i muoni]] e [[Elettrone|gli elettroni]] prodotti nelle interazioni quasielastiche con corrente carica (CCQE) da {{Particella subatomica|Muon neutrino}} e {{Particella subatomica|Electron neutrino}}, rispettivamente. A causa della loro massa relativamente grande, i muoni solitamente non cambiano direzione e quindi producono un cono di luce Cherenkov ben definito rilevato dai PMT come un anello chiaro e nitido. Al contrario, gli elettroni, a causa della massa più piccola, sono più suscettibili alla diffusione e quasi sempre producono [[Sciame di particelle|sciami]] elettromagnetici, osservati dai PMT come un anello con bordi sfocati. L'energia del neutrino viene calcolata in base alla direzione e all'energia del [[leptone]] carico (muone od elettrone) prodotto nell'interazione CCQE. In questo modo vengono misurati gli spettri energetici di {{Particella subatomica|Muon neutrino}} e {{Particella subatomica|Electron neutrino}}, che portano alla misurazione dei parametri [[Oscillazione del neutrino|di oscillazione]] rilevanti per la scomparsa del neutrino muonico e la comparsa del neutrino elettronico. <ref name="t2knim">{{Cita pubblicazione|autore=T2K Collaboration|anno=2011|titolo=The T2K Experiment|rivista=Nucl. Instrum. Meth. A|volume=659|pp=106-135|doi=10.1016/j.nima.2011.06.067|bibcode=2011NIMPA.659..106A|arxiv=1106.1238}}</ref> <ref>{{Cita pubblicazione|autore=The Super-Kamiokande Collaboration|volume=501|doi=10.1016/S0168-9002(03)00425-X|bibcode=2003NIMPA.501..418F}}</ref>
== Storia ==
T2K è il successore dell'esperimento KEK to Kamioka ( K2K ), condotto dal 1999 al 2004. Nell'esperimento K2K, un fascio acceleratore di neutrini muonici veniva prodotto presso l'impianto [[KEK (centro di ricerca)|KEK]] di [[Tsukuba]] ( [[Giappone]] ) e inviato verso il rivelatore [[Super-Kamiokande]], situato a 250 km di distanza. I risultati dell'esperimento K2K hanno confermato al livello di confidenza del 99,9985% (4,3 [[Scarto quadratico medio|σ]] ) la [[Oscillazione del neutrino|scomparsa]] dei [[Neutrino muonico|neutrini muonici]] ed erano coerenti con le precedenti misurazioni dei parametri di oscillazione misurati dal rivelatore Super-Kamiokande per [[Neutrino|i neutrini atmosferici]] . <ref name="K2K">{{Cita
La costruzione della linea di fascio dei neutrini è iniziata nel 2004 ed è stata messa in servizio con successo nel 2009. La costruzione dell'intero rilevatore INGRID e della maggior parte del rilevatore ND280 (senza la parte cilindrica del calorimetro elettromagnetico) è stata completata nel 2009. La parte mancante del calorimetro è stata installata nell'autunno del 2010. Il rivelatore lontano di T2K, il grande rivelatore [[Super-Kamiokande]], è attivo dal 1996 e studia [[Decadimento del protone|la vita media dei protoni]] e le oscillazioni dei neutrini [[Neutrino|atmosferici]] e solari . <ref name="t2knim">{{Cita pubblicazione|autore=T2K Collaboration|anno=2011|titolo=The T2K Experiment|rivista=Nucl. Instrum. Meth. A|volume=659|pp=106-135|doi=10.1016/j.nima.2011.06.067|bibcode=2011NIMPA.659..106A|arxiv=1106.1238}}</ref>
L'esperimento T2K ha iniziato a raccogliere dati sui neutrini nel gennaio 2010, inizialmente con un rivelatore ND280 incompleto, e a partire da novembre 2010 con la configurazione completa. La raccolta dei dati è stata interrotta per un anno dal [[Terremoto e maremoto del Tōhoku del 2011|grande terremoto di Tohoku]] nel marzo 2011. La potenza del fascio di protoni, e quindi l’intensità del fascio di neutrini, è in costante crescita, raggiungendo nel dicembre 2024 la potenza di 760 kW e un numero totale di protoni accumulati sul bersaglio di 3,6×10 <sup>21</sup> protoni
== Progetti futuri ==
L’esperimento T2K ha funzionato nella forma attuale fino al 2020. Nel 2021 sono stati rivelatii primi dati con [[Gadolinio|il gadolinio]] disciolto nel rilevatore lontano [[Super-Kamiokande
=== T2K-II ===
Si prevede che la Fase II dell’esperimento T2K inizierà all’inizio del 2024 e durerà fino al 2026, seguita dall’inizio dell’esperimento HK. Gli obiettivi fisici di T2K-II sono la misurazione dei parametri [[Oscillazione del neutrino|di oscillazione]] ''θ''
==== Upgrade del fascio di neutrini ====
Il piano di upgrade del fascio ha richiesto la chiusura [[Acceleratore di particelle|dell’acceleratore]] J-PARC Main Ring per un anno nel 2021, seguito da un aumento graduale e costante della potenza del [[Fascio di particelle (spettrometria di massa)|fascio di]] [[Protone|protoni]] fino all’inizio dell’esperimento di Hyper-Kamiokande. La potenza del fascio ha raggiunto la potenza di 760 kW alla fine del 2023 per poi crescere fino a 1,3 MW entro il 2029.
Nel dicembre 2023, la potenza del fascio di protoni ha raggiunto 760 kW con 2,0x10<sup>14</sup> protoni per impulso e con 1,32 secondi tra gli impulsi (il cosiddetto ciclo di ripetizione). Per arrivare a 1,3 MW il ciclo di ripetizione dovrà essere ulteriormente ridotto a 1,16 s e il numero di protoni per impulso dovrà aumentare a 3,2x10<sup>14</sup> . Oltre ad aumentare la potenza del fascio di protoni primari, è stata aumentata da 250 kA a 320 kA la corrente negli horn magnetici, che focalizzano le particelle secondarie ( [[Pione|pioni]], [[Kaone|kaoni]], ecc.) con una [[carica elettrica]] scelta. Ciò aumenterà la quantità di neutrini (neutrini nel fascio di modalità di neutrini e antineutrini nel fascio di modalità di neutrini) del 10% e ridurrà la quantità di neutrini con segno sbagliato (antineutrini nel fascio di modalità di neutrini) di circa il 5 - 10%. <ref name="beamupgradeprogramme">{{Cita pubblicazione|autore=Friend, M.|anno=2017|titolo=J-PARC accelerator and neutrino beamline upgrade|rivista=J. Phys. Conf. Ser.|volume=888|numero=1|p=012042|lingua=en|doi=10.1088/1742-6596/888/1/012042
La riduzione del ciclo di ripetizione ha richiesto una serie di aggiornamenti hardware, incluso un importante aggiornamento degli [[Alimentazione elettrica|alimentatori]] dell'anello principale e un aggiornamento minore degli alimentatori del corno di focalizzazione, che sono stati tutti installati durante la lunga chiusura nel 2021. Per aumentare la corrente degli horn è stato necessario utilizzare un ulteriore (terzo) alimentatore. La maggiore potenza del fascio di protoni ha richiesto un miglioramento della capacità di raffreddamento dei componenti secondari della linea di luce come il bersaglio [[Grafite|di grafite]], gli horn magnetici e il beam dump, nonché lo smaltimento di una maggiore quantità di acqua di raffreddamento irradiata. <ref name="beamupgradeprogramme">
==== Upgrade di ND280 ====
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* Infine, il volume fiduciale totale (la massa disponibile per le interazioni dei neutrini) della parte tracciante del rivelatore ND280, caratterizzato da una migliore capacità di ricostruzione, necessita di essere ampliato per aumentare il numero di interazioni di neutrini rivelati.
L'upgrade del rilevatore ND280 soddisfa questi requisiti sostituendo il sottorivelatore P0D con tre tipi di nuovi sottorivelatori. I due rilevatori a scintillazione a grana fine (FGD) e tre camere di proiezione temporale (TPC), a valle del P0D, manterranno la sua struttura e continueranno a rivelare i leptoni e gli adroni ad alto momento. P0D sarà sostituita da tre nuovi sottorivelatori: un bersaglio a scintillatore a grana molto fine e con ricostruzione a 3D (Super Fine-Grained Detector o SuperFGD), due nuove TPC sopra e sotto il SuperFGD (High-Angle TPC o HATPC) e sei rilevatori del tempo di volo (TOF) che circondano la nuova struttura. Ciascuno di questi sottorivelatori è brevemente descritto di seguito. L'installazione dei nuovi sottorivelatori
===== SuperFGD =====
Il SuperFGD<ref>{{Cita
===== HATPC =====
[[File:TPC_for_T2K.jpg|miniatura| TPC per l'upgrade di ND280 dell'esperimento T2K in Giappone]]
Le [[Camera a proiezione temporale|camere di proiezione temporale]] ad alto angolo (HATPC) circonderanno il SuperFGD nel piano perpendicolare al fascio di neutrini in arrivo. Il loro design è simile a quello delle TPC esistenti, poiché entrambi utilizzano la tecnologia dei moduli MicroMegas per la ricostruzione dei binari. Tuttavia le HATPC sono disegnate in modo a ridurre al minimo i materiali passivi. Inoltre vengono utilizzate MicroMegas con la nuova tecnologia resistiva<ref>{{Cita pubblicazione|nome=L.|cognome=Ambrosi|coautori=et al.|anno=2023|titolo=Characterization of charge spreading and gain of encapsulated resistive Micromegas detectors for the upgrade of the T2K Near Detector Time Projection Chambers|rivista=Nuclear Instruments and Methods in Physics A:|volume=1056|pp=168534|lingua=en|doi=10.1016/j.nima.2023.168534|url=https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0168900223005247}}</ref>. Questa tecnologia consiste nell'applicare uno strato di materiale resistivo per aumentare le capacità di condivisione della carica dei moduli MicroMegas. Ciò riduce il numero di canali di lettura e consente una risoluzione spaziale anche migliore di quella delle attuali TPC<ref>{{Cita pubblicazione|nome=D.|cognome=Attié|coautori=et al|anno=2022|titolo=Characterization of resistive Micromegas detectors for the upgrade of the T2K Near Detector Time Projection Chambers|rivista=Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment|volume=1025|pp=166109|lingua=en|doi=10.1016/j.nima.2021.166109|url=https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0168900221010111}}</ref>.
===== TOF =====
I sei rilevatori di tempo di volo (Time-of-Flight, TOF) che circondano gli HATPC e il SuperFGD sono una serie di lastre di [[Scintillatore|scintillatori]] [[Materie plastiche|plastici]] progettate per identificare il senso della direzione delle particelle attraverso la misurazione del [[tempo di volo]] con una risoluzione temporale dell'ordine di
===== Impatto sulla fisica delle oscillazioni dei neutrini =====
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==== SK-Gd ====
Il terzo elemento di miglioraramento nell’ambito di
L' energia minima di una particella carica per produrre [[Effetto Čerenkov|luce Cherenkov]] in acqua, proporzionale alla massa della particella, è pari a 0,8 MeV per gli elettroni, 160 MeV per i muoni e 1400 MeV per i protoni. <ref>{{Cita pubblicazione|autore=Scholberg, K.|anno=2012|titolo=Supernova neutrino detection in water Cherenkov detectors|rivista=J. Phys. Conf. Ser.|volume=309|p=012028|doi=10.1088/1742-6596/309/1/012028|bibcode=2011JPhCS.309a2028S}}</ref> Pertanto, i protoni rilasciati nelle interazioni dei neutrini spesso scendono al di sotto della soglia di rivelazione e rimangono inosservati. Il neutrone, essendo una particella neutra, non produce luce Cherenkov. Tuttavia, può essere [[Cattura neutronica|assorbito]] da un altro nucleo, che entra in uno [[Eccitazione (meccanica quantistica)|stato eccitato]] e durante la diseccitazione produce [[raggi gamma]] . I fotoni (raggi gamma) ad alta energia (per il gadolinio la loro energia totale è di circa 8 MeV) [[Diffusione Compton|diffondono gli elettroni]] (diffusione Compton) da un atomo e/o [[Produzione di coppia|producono coppie elettrone-positrone]], che poi producono luce Cherenkov. Il gadolinio è un elemento naturale con la più alta sezione d'urto nella cattura di neutroni a energia termica . Per neutroni da 25 meV, la sezione d'urto del gadolinio è circa 10<sup>5</sup> volte maggiore di quella [[Idrogeno|dell'idrogeno]] . La frazione di neutroni che verrà catturata in SK è del 50% per una concentrazione di Gd dello 0,01% e del 90% per una concentrazione dello 0,1%: la concentrazione finale di Gd pianificata in SK. Il segnale derivante dalla cattura dei neutroni è ritardato di una frazione di millisecondo (il tempo in cui il neutrone viaggia nell'acqua prima della cattura più il tempo in cui il gadolinio rimane nello stato eccitato) rispetto al segnale del leptone carico e solitamente appare entro una distanza di 50 cm (la distanza percorsa dal neutrone prima della cattura) dal punto di interazione del neutrino. Un tale evento di doppio lampo (il primo lampo del leptone carico, il secondo lampo dei fotoni di diseccitazione di Gd) è la firma di un'interazione di antineutrino. <ref name="skgdnews">{{Cita web|url=http://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/sk/news/2020/08/sk-gd-detail-e.html|sito=www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp|dataaccesso=2021-10-07}}</ref> <ref name="skgd">
Nel periodo luglio-agosto 2020 un primo carico di 13 tonnellate di Gd<sub>2</sub> (SO<sub>4</sub>)<sub>3</sub> ·8H<sub>2</sub>O ( gadolinio (III) solfato [[Idrato|ottaidrato]] ) è stato disciolto nell'acqua di SK, equivalente a una concentrazione dello 0,011% di Gd<ref name="skgd" />. T2K ha raccolto i suoi primi dati con Gd in SK nel marzo-aprile 2021. L'utilizzo di acqua drogata con gadolinio consentirà anche di studiare i neutrini relici di supernova , permettendo di seprara i {{Particella subatomica|Electron antineutrino}} prodotti dai neutrini provenienti da altre fonti. Migliorerà inoltre le prestazioni del rilevatore per le esplosioni [[Supernova|di supernova]] nella [[Via Lattea|nostra galassia]] e studierà meglio le differenze tra materia e antimateria nelle oscillazioni dei neutrini dell'acceleratore . <ref name="skgdnews">{{Cita web|url=http://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/sk/news/2020/08/sk-gd-detail-e.html|sito=www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp|dataaccesso=2021-10-07}}</ref> <ref name="skgd">
▲L' energia minima di una particella carica per produrre [[Effetto Čerenkov|luce Cherenkov]] in acqua, proporzionale alla massa della particella, è pari a 0,8 MeV per gli elettroni, 160 MeV per i muoni e 1400 MeV per i protoni. <ref>{{Cita pubblicazione|volume=309|doi=10.1088/1742-6596/309/1/012028|bibcode=2011JPhCS.309a2028S}}</ref> Pertanto, i protoni rilasciati nelle interazioni dei neutrini spesso scendono al di sotto della soglia di rivelazione e rimangono inosservati. Il neutrone, essendo una particella neutra, non produce luce Cherenkov. Tuttavia, può essere [[Cattura neutronica|assorbito]] da un altro nucleo, che entra in uno [[Eccitazione (meccanica quantistica)|stato eccitato]] e durante la diseccitazione produce [[raggi gamma]] . I fotoni (raggi gamma) ad alta energia (per il gadolinio la loro energia totale è di circa 8 MeV) [[Diffusione Compton|diffondono gli elettroni]] (diffusione Compton) da un atomo e/o [[Produzione di coppia|producono coppie elettrone-positrone]], che poi producono luce Cherenkov. Il gadolinio è un elemento naturale con la più alta sezione d'urto nella cattura di neutroni a energia termica . Per neutroni da 25 meV, la sezione d'urto del gadolinio è circa 10<sup>5</sup> volte maggiore di quella [[Idrogeno|dell'idrogeno]] . La frazione di neutroni che verrà catturata in SK è del 50% per una concentrazione di Gd dello 0,01% e del 90% per una concentrazione dello 0,1%: la concentrazione finale di Gd pianificata in SK. Il segnale derivante dalla cattura dei neutroni è ritardato di una frazione di millisecondo (il tempo in cui il neutrone viaggia nell'acqua prima della cattura più il tempo in cui il gadolinio rimane nello stato eccitato) rispetto al segnale del leptone carico e solitamente appare entro una distanza di 50 cm (la distanza percorsa dal neutrone prima della cattura) dal punto di interazione del neutrino. Un tale evento di doppio lampo (il primo lampo del leptone carico, il secondo lampo dei fotoni di diseccitazione di Gd) è la firma di un'interazione di antineutrino. <ref name="skgdnews">{{Cita web|url=http://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/sk/news/2020/08/sk-gd-detail-e.html|sito=www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp|dataaccesso=2021-10-07}}</ref> <ref name="skgd">{{Cita pubblicazione|autore=The Super-Kamiokande Collaboration|anno=2022|volume=1027|doi=10.1016/j.nima.2021.166248|bibcode=2022NIMPA102766248A|arxiv=2109.00360}}</ref>
▲Nel periodo luglio-agosto 2020 un primo carico di 13 tonnellate di Gd<sub>2</sub> (SO<sub>4</sub>)<sub>3</sub> ·8H<sub>2</sub>O ( gadolinio (III) solfato [[Idrato|ottaidrato]] ) è stato disciolto nell'acqua di SK, equivalente a una concentrazione dello 0,011% di Gd. T2K ha raccolto i suoi primi dati con Gd in SK nel marzo-aprile 2021. L'utilizzo di acqua drogata con gadolinio consentirà anche di studiare i neutrini relici di supernova , permettendo di seprara i {{Particella subatomica|Electron antineutrino}} prodotti dai neutrini provenienti da altre fonti. Migliorerà inoltre le prestazioni del rilevatore per le esplosioni [[Supernova|di supernova]] nella [[Via Lattea|nostra galassia]] e studierà meglio le differenze tra materia e antimateria nelle oscillazioni dei neutrini dell'acceleratore . <ref name="skgdnews">{{Cita web|url=http://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/sk/news/2020/08/sk-gd-detail-e.html|sito=www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp|dataaccesso=2021-10-07}}</ref> <ref name="skgd">{{Cita pubblicazione|autore=The Super-Kamiokande Collaboration|anno=2022|volume=1027|doi=10.1016/j.nima.2021.166248|bibcode=2022NIMPA102766248A|arxiv=2109.00360}}</ref> A luglio 2022 si è completato lo scioglimento in acqua di altre 87 tonellate di gadolinio(III) solfato ottaidrato, per una concentrazione totale di gadolinio pari allo 0,02%.
=== Esperimento Hyper-Kamiokande ===
Il successore dell'esperimento T2K, l'esperimento [[Hyper-Kamiokande]] (HK), utilizzerà lo stesso fascio prodotto da J-PARC la versione aggiornata di ND280. Oltre a ciò, verrà costruito un nuovo rilevatore lontano, [[Hyper-Kamiokande]], e possibilmente anche un nuovo [[Hyper-Kamiokande|rilevatore intermedio]] (IWCD). Parte dei lavori di upgrade del fascio e l'upgrade del rilevatore ND280 verranno eseguiti prima dell'inizio della fase II dell'esperimento T2K. Si prevede chei Hyper-Kamiokande inizierà la presa dati intorno al 2027.
== Note ==
<references group="note"/>▼
== Bibliografia ==
{{reflist}}
== Collegamenti esterni ==
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* [https://www.youtube.com/watch?v=tBrFrdSneZg Fisica dei neutrini – L'esperimento T2K – YouTube]
* [https://www.youtube.com/watch?v=cs02i8TIphs All'interno della grande fisica giapponese | Prima parte: Super Kamiokande – YouTube]
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[[Categoria:particella elementare]]
[[Categoria:Neutrini]]
[[Categoria:Esperimenti del CERN]]
[[Categoria:Scienza e tecnologia in Giappone]]
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▲<references />
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