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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="HK-TDR">{{Cita pubblicazione|titolo=Hyper-Kamiokande Design Report|arxiv=1106.2822}}</ref>
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|anno=2011|volume=107|doi=10.1103/PhysRevLett.107.041801|bibcode=2011PhRvL.107d1801A|PMID=21866992|arxiv=1106.2822}}</ref> Ha inoltre fornito la migliore misura al mondo del parametro di oscillazione ''θ''<sub>23</sub> <ref name="1403.1532">{{Cita pubblicazione|anno=2014|volume=112|doi=10.1103/PhysRevLett.112.181801|bibcode=2014PhRvL.112r1801A|PMID=24856687|arxiv=1403.1532}}</ref> e una indicazione di una significativa asimmetria materia-antimateria nelle oscillazioni dei neutrini. <ref>{{Cita pubblicazione|anno=2015|volume=D91|doi=10.1103/PhysRevD.91.072010|arxiv=1502.01550}}</ref> <ref name="cpnature">{{Cita pubblicazione|
L'intenso fascio di neutrini muonici viene prodotto nell'impianto J-PARC (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 ==
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* 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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* 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">{{Cita pubblicazione|anno=2011|volume=107|doi=10.1103/PhysRevLett.107.041801|bibcode=2011PhRvL.107d1801A|PMID=21866992|arxiv=1106.2822}}</ref> <ref name="1304.0841">{{Cita pubblicazione|autore=T2K Collaboration|volume=88|doi=10.1103/PhysRevD.88.032002|bibcode=2013PhRvD..88c2002A|arxiv=1304.0841}}</ref>
* La misura più precisa al mondo del parametro ''θ''<sub>23</sub> . <ref
* 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 <ref>{{Cita pubblicazione|autore=T2K Collaboration|volume=2020|doi=10.1007/JHEP10(2020)114|bibcode=2020JHEP...10..114T|arxiv=2002.11986}}</ref> <ref>{{Cita pubblicazione|autore=T2K Collaboration|volume=91|doi=10.1103/PhysRevD.91.112010|bibcode=2015PhRvD..91k2010A|arxiv=1503.08815}}</ref> e muonici, comprese le interazioni con corrente carica inclusiva (CC), <ref>{{Cita pubblicazione|autore=T2K Collaboration|volume=87|doi=10.1103/PhysRevD.87.092003|bibcode=2013PhRvD..87i2003A|arxiv=1302.4908}}</ref> interazioni CC senza pioni <ref>{{Cita pubblicazione|autore=T2K Collaboration|volume=93|doi=10.1103/PhysRevD.93.112012|bibcode=2016PhRvD..93k2012A|arxiv=1602.03652}}</ref> <ref>{{Cita pubblicazione|autore=T2K Collaboration|volume=92|doi=10.1103/PhysRevD.92.112003|bibcode=2015PhRvD..92k2003A|arxiv=1411.6264}}</ref> <ref>{{Cita pubblicazione|autore=T2K Collaboration|volume=101|doi=10.1103/PhysRevD.101.112001|bibcode=2020PhRvD.101k2001A|arxiv=2002.09323}}</ref> e con un singolo pione nel stato finale, <ref>{{Cita pubblicazione|autore=T2K Collaboration|volume=95|doi=10.1103/PhysRevD.95.012010|bibcode=2017PhRvD..95a2010A|arxiv=1605.07964}}</ref> produzione coerente di pioni, <ref>{{Cita pubblicazione|autore=T2K Collaboration|volume=117|doi=10.1103/PhysRevLett.117.192501|bibcode=2016PhRvL.117s2501A|PMID=27858422|arxiv=1604.04406}}</ref> interazioni [[Corrente debole neutra|di corrente neutra]], <ref>{{Cita pubblicazione|autore=T2K Collaboration|volume=90|doi=10.1103/PhysRevD.90.072012|bibcode=2014PhRvD..90g2012A|arxiv=1403.3140}}</ref> ecc. su diversi bersagli come [[carbonio]], [[acqua]] e [[ferro]] . <ref>{{Cita pubblicazione|autore=T2K Collaboration|volume=2019|doi=10.1093/ptep/ptz070|bibcode=2019PTEP.2019i3C02A|arxiv=1904.09611}}</ref>
* 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|volume=580|doi=10.1038/s41586-020-2177-0|bibcode=2020Natur.580..339T|url=https://www.nature.com/articles/s41586-020-2177-0|PMID=32296192|arxiv=1910.03887}}</ref>
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=== 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|volume=659|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) ==
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* 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|arxiv=1704.08079}}</ref> <ref name="wagasci">{{Cita pubblicazione|autore=T. Ovsiannikova|coautori=et al.|titolo=The new experiment WAGASCI for water to hydrocarbon neutrino cross section measurement using the J-PARC beam|rivista=J. Phys. Conf. Ser.|volume=675|numero=1|p=012030|doi=10.1088/1742-6596/675/1/012030
=== Lettura del segnale ===
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==== 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|volume=659|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 ====
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* 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">{{Cita pubblicazione|arxiv=1704.08079}}</ref> <ref name="wagasci">{{Cita pubblicazione|volume=675|doi=10.1088/1742-6596/675/1/012030|bibcode=2016JPhCS.675a2030O}}</ref>
* 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">{{Cita pubblicazione|arxiv=1704.08079}}</ref> <ref name="wagasci">{{Cita pubblicazione|volume=675|doi=10.1088/1742-6596/675/1/012030|bibcode=2016JPhCS.675a2030O}}</ref>
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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<sub>2</sub>O rispetto a quella in CH. La frazione d'acqua nei moduli scintillatori d'acqua WAGASCI è pari all'80%, consentendo una misurazione del rapporto della sezione d'urto dei neutrini della corrente carica tra acqua (H <sub>2</sub> O) e plastica (CH) con una precisione del 3%.<ref>{{Cita pubblicazione|nome=M.|cognome=Antonova|coautori=et al.|anno=2017|titolo=Baby MIND: a magnetized segmented neutrino detector for the WAGASCI experiment|rivista=Journal of Instrumentation|volume=12|numero=07|pp=C07028–C07028|doi=10.1088/1748-0221/12/07/C07028|url=https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-0221/12/07/C07028}}</ref><ref name="babymind">{{Cita pubblicazione|arxiv=1704.08079}}</ref> <ref name="wagasci">{{Cita pubblicazione|volume=675|doi=10.1088/1742-6596/675/1/012030|bibcode=2016JPhCS.675a2030O}}</ref>
* 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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== 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 ====
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===== 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.
===== 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|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<ref name=":0" />. 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.
== Collegamenti esterni ==
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