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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 [[Neutrino|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|autore=T2K Collaboration|anno=2011|titolo=Indication of Electron Neutrino Appearance from an Accelerator-produced Off-axis Muon Neutrino Beam|rivista=Physical Review Letters|volume=107|doi=10.1103/PhysRevLett.107.041801|bibcode=2011PhRvL.107d1801A|pmid=21866992|arxiv=1106.2822|issue=4|pagina=041801|s2cid=16654679}}</ref> Ha inoltre fornito la migliore misura al mondo del parametro di oscillazione ''θ''<sub>23</sub> <ref name="1403.1532">{{Cita pubblicazione|autore=T2K Collaboration|anno=2014|titolo=Precise Measurement of the Neutrino Mixing Parameter θ23 from Muon Neutrino Disappearance in an Off-Axis Beam|rivista=Phys. Rev. Lett.|volume=112|doi=10.1103/PhysRevLett.112.181801|bibcode=2014PhRvL.112r1801A|arxiv=1403.1532|pagina=181801|issue=18}}</ref> e una indicazione di una significativa asimmetria materia-antimateria nelle oscillazioni dei neutrini. <ref>{{Cita pubblicazione|autore=T2K Collaboration|anno=2015|titolo=Measurements of neutrino oscillation in appearance and disappearance channels by the T2K experiment with 6.6x10E20 protons on target|rivista=Phys. Rev. D|volume=D91|numero=7|p=072010|doi=10.1103/PhysRevD.91.072010|arxiv=1502.01550}}</ref> <ref name="cpnature">{{Cita pubblicazione|autore=T2K Collaboration|titolo=Constraint on the matter-antimatter symmetry-violating phase in neutrino oscillations|rivista=Nature|volume=580|numero=7803|pp=339-344|doi=10.1038/s41586-020-2177-0|arxiv=1910.03887}}</ref>. La misura dell’asimmetria dell’oscillazione neutrino-antineutrino potrebbe contribuire alla spiegazione dell’esistenza del nostro Universo [[Asimmetria barionica|dominato dalla materia]] .<ref>{{Cita pubblicazione|nome=M.|cognome=Fukugita|nome2=T.|cognome2=Yanagida|data=1986-06|titolo=Barygenesis without grand unification|rivista=Physics Letters B|volume=174|numero=1|pp=45–47|accesso=2024-03-10|doi=10.1016/0370-2693(86)91126-3|url=http://dx.doi.org/10.1016/0370-2693(86)91126-3}}</ref><ref>{{Cita pubblicazione|nome=R N|cognome=Mohapatra|nome2=S|cognome2=Antusch|nome3=K S|cognome3=Babu|data=2007-11-01|titolo=Theory of neutrinos: a white paper|rivista=Reports on Progress in Physics|volume=70|numero=11|pp=1757–1867|accesso=2024-03-10|doi=10.1088/0034-4885/70/11/R02|url=https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0034-4885/70/11/R02}}</ref>.
L'intenso fascio di neutrini muonici viene prodotto nell'impiantonei laboratori J-PARC<ref name=":0">{{Cita web|url=https://j-parc.jp/c/en/|titolo=J-PARC Laboratory}}</ref> (Japan Proton Accelerator Research Complex) a [[Tōkai (Ibaraki)|Tokai]] nella [[prefettura di Ibaraki]], sulla costa orientale del Giappone. Il fascio è diretto verso il rilevatorerivelatore 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 rilevatorerivelatore 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, così comeche 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 ==
* 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.
Dall’inizio della raccolta dati nel 2010, l’esperimento T2K è riuscito a fornire una 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" /><ref>{{Cita pubblicazione|autore=T2K Collaboration|anno=2013|titolo=Evidence of electron neutrino appearance in a muon neutrino beam|rivista=Physical Review D|volume=88|numero=3|doi=10.1103/PhysRevD.88.032002|url=https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevD.88.032002}}</ref>
* La misura più precisa al mondo del parametro ''θ''<sub>23</sub> <ref>{{Cita pubblicazione|autore=T2K Collaboration|anno=2014|titolo=Precise Measurement of the Neutrino Mixing Parameter θ 23 from Muon Neutrino Disappearance in an Off-Axis Beam|rivista=Physical Review Letters|volume=112|numero=18|doi=10.1103/PhysRevLett.112.181801|url=https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.112.181801}}</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|doi=10.1103/PhysRevD.91.051102|url=https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevD.91.051102}}</ref> che in quello lontano [[Super-Kamiokande]] <ref>{{Cita pubblicazione|autore=T2K Collaboration|anno=2019|titolo=Search for light sterile neutrinos with the T2K far detector Super-Kamiokande at a baseline of 295 km|rivista=Physical Review D|volume=99|numero=7|doi=10.1103/PhysRevD.99.071103|url=https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevD.99.071103}}</ref> .
* Varie misurazioni [[Sezione d'urto|della sezione d'urto]] di neutrini e antineutrini elettronici<ref>{{Cita pubblicazione|cognome=T2K collaboration|anno=2020|titolo=Measurement of the charged-current electron (anti-)neutrino inclusive cross-sections at the T2K off-axis near detector ND280|rivista=Journal of High Energy Physics|volume=2020|numero=10|doi=10.1007/JHEP10(2020)114|url=https://link.springer.com/10.1007/JHEP10(2020)114}}</ref> <ref>{{Cita pubblicazione|autore=T2K Collaboration|anno=3025|titolo=Measurement of the electron neutrino charged-current interaction rate on water with the T2K ND280 π 0 detector|rivista=Physical Review D|volume=91|numero=11|doi=10.1103/PhysRevD.91.112010|url=https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevD.91.112010}}</ref> e muonici, comprese le interazioni con [[Interazione debole#Interazione a corrente carica|corrente carica]] inclusiva (CC),<ref>{{Cita pubblicazione|autore=T2K Collaboration|anno=2013|titolo=Measurement of the inclusive ν μ charged current cross section on carbon in the near detector of the T2K experiment|rivista=Physical Review D|volume=87|numero=9|doi=10.1103/PhysRevD.87.092003|url=https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevD.87.092003}}</ref> interazioni CC senza pioni <ref>{{Cita pubblicazione|autore=T2K Collaboration|anno=2016|titolo=Measurement of double-differential muon neutrino charged-current interactions on C 8 H 8 without pions in the final state using the T2K off-axis beam|rivista=Physical Review D|volume=93|numero=11|doi=10.1103/PhysRevD.93.112012|url=https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevD.93.112012}}</ref><ref>{{Cita pubblicazione|autore=T2K Collaboration|anno=2015|titolo=Measurement of the νμ charged-current quasielastic cross section on carbon with the ND280 detector at T2K|rivista=Physical Review D|volume=92|numero=11|doi=10.1103/PhysRevD.92.112003|url=https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevD.92.112003}}</ref> <ref>{{Cita pubblicazione|autore=T2K Collaboration|anno=2020|titolo=First combined measurement of the muon neutrino and antineutrino charged-current cross section without pions in the final state at T2K|rivista=Physical Review D|volume=101|numero=11|doi=10.1103/PhysRevD.101.112001|url=https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevD.101.112001}}</ref> e con un singolo pione nel stato finale,<ref>{{Cita pubblicazione|autore=T2K Collaboration|anno=2017|titolo=First measurement of the muon neutrino charged current single pion production cross section on water with the T2K near detector|rivista=Physical Review D|volume=95|numero=1|doi=10.1103/PhysRevD.95.012010|url=https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevD.95.012010}}</ref> produzione coerente di pioni,<ref>{{Cita pubblicazione|autore=T2K Collaboration|anno=2016|titolo=Measurement of Coherent π+ Production in Low Energy Neutrino-Carbon Scattering|rivista=Physical Review Letters|volume=117|numero=19|doi=10.1103/PhysRevLett.117.192501|url=https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.117.192501}}</ref> interazioni [[Corrente debole neutra|di corrente neutra]],<ref>{{Cita pubblicazione|autore=T2K Collaboration|anno=2014|titolo=Measurement of the neutrino-oxygen neutral-current interaction cross section by observing nuclear deexcitation γ rays|rivista=Physical Review D|volume=90|numero=7|doi=10.1103/PhysRevD.90.072012|url=https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevD.90.072012}}</ref> ecc. su diversi bersagli come [[carbonio]], [[acqua]] e [[ferro]] <ref>{{Cita pubblicazione|autore=T2K Collaboration|anno=2019|titolo=Measurement of the muon neutrino charged-current cross sections on water, hydrocarbon and iron, and their ratios, with the T2K on-axis detectors|rivista=Progress of Theoretical and Experimental Physics|volume=2019|numero=9|doi=10.1093/ptep/ptz070|url=https://academic.oup.com/ptep/article/doi/10.1093/ptep/ptz070/5573875}}</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" />.
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" /> <ref>{{Cita news|lingua=en|url=https://www.science.org/content/article/skewed-neutrino-behavior-could-help-explain-matter-s-dominion-over-antimatter}}</ref> <ref>{{Cita web|url=https://www.bbc.com/news/science-environment-52297058|sito=BBC News website|dataaccesso=18 April 2020}}</ref>
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 rilevatorerivelatore lontano ad Ash River, [[Minnesota]] . NOvA ha finora fornito una misurazione meno precisa di ''δ''<sub>CP</sub>, 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%. E' in corso una analisi congiunta dei dati di entrambi gli esperimenti per quantificare la loro coerenza e produrre una misura sperimentale piu accurata.<ref>{{Cita web|url=https://kds.kek.jp/event/49811/|titolo=New Oscillation Results from T2K+NOvA}}</ref> <ref>{{Cita web|url=https://indico.fnal.gov/event/62062/|titolo=Results from a joint analysis of data from NOvA and T2K}}</ref>
Si prevede che i futuri upgrade di T2K forniranno misurazioni più precise di Δ''m''{{Apici e pedici|b=23|p=2}} e ''θ''<sub>23</sub>, misurazioni di sezione d'urto che amplieranno la nostra comprensione delle interazioni dei neutrini, e migliori limiti sulla fase ''δ''<sub>CP</sub> , 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 .
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}}T2K utilizza un fascio di neutrini muonici (o antineutrini muonici) prodotto presso il complesso J-PARC<ref name=":0" /> utilizzando un fascio di protoni accelerato a 30 GeV da un sistema di tre [[Acceleratore di particelle|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). [[Protone|I protoni]] si scontrano con un bersaglio [[Grafite|di grafite]], producendo [[Mesone|mesoni]], principalmente [[Pione|pioni]] e [[Kaone|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 {{Particella subatomica|Muon+}} e {{Particella subatomica|Muon neutrino}}, formando un fascio di neutrini muonici, mentre pioni negativi decadono principalmente in {{Particella subatomica|Muon-}} e {{Particella subatomica|Muon antineutrino}}, formando un fascio di antineutrini muonici. Tutti [[Adrone|gli adroni]] e [[Leptone|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. <ref name="t2knim" />
=== 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 rilevatorerivelatore lontano [[Super-Kamiokande]] e da uno dei rilevatoririvelatori 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 rilevatorerivelatore 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 [[Interazione debole#Interazione a corrente carica|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" /> <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>
== RilevatoriRivelatori vicini (Near detectors, ND) ==
Il complesso di rivelatore vicini <ref name="t2knim" /> 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 rilevatoririvelatori principali:
* Rivelatore INGRID (Interactive Neutrino GRID) situato sull'asse del fascio di neutrini,
* RilevatoreRivelatore ND280 situato a 2,5° dall'asse del fascio, cioè allo stesso angolo del rilevatorerivelatore 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=1705.10406}}</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}}</ref>
=== Lettura del segnale ===
[[File:Scintillator.svg|miniatura|Principio di funzionamento di uno scintillatore nei rivelatori vicini T2K]]
L'interoIl materiale attivo (che consente il tracciamento delle particelle) dei rilevatoririvelatori vicini è [[Scintillatore|uno scintillatore]] [[Materie plastiche|plastico]]. La luce prodotta attraversandodalle particelle cariche nelleche barreattraversano ele neibarre piani dellodi scintillatore plastico viene raccolta da [[Fibra ottica|fibre]] [[Wavelength shifter|a spostamento di lunghezza d'onda]] e rilevatarivelata dai [[SiPM|contatori fotonici multi-pixel]] Hamamatsu situati su una o entrambe le estremità delle fibre. Le barre scintillatriciscintillanti sono disposte perpendicolarmente tra loro fornendo e così permettono di ricostruire informazioni 3D sulle particelle che le attraversano. <ref name="t2knim" /> . Le camere traccianti di ND280 sono completate da tre [[Camera a proiezione temporale|camere di proiezione temporale]] in ND280 che permettono di determinaredeterminano con precisione il momento delle particelle cariche misurando la loro curvatura all'interno del campo magnetico.
=== Il rivelatore INGRID ===
Lo scopo principale del rivelatore INGRID è il continuo monitoraggio della direzione e dell'intensità del fascio di neutrini mediante rilevazionerivelazione diretta delle interazioni dei neutrini. Il rilevatorerivelatore 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 è una parte del rivelatore dove non deve essere registrato alcun segnale per poter accettare l'evento. Questo tipo di richiesta permettere di ridurre il numero di eventi di fondo in un particolare campione; in questo caso fondi generati da particelle che sono prodotte al di fuori del rivelatore.</ref>dello scintillatore circondano il modulo sui lati per separare le particelle che entrano dall'esterno da quelle prodotte dalle interazioni all'interno del modulo. La massa totale di ferro in un modulo è di 7,1 tonnellate e costituisce il 96% del peso del modulo. Sull'asse del fascio di neutrini, al centro dell'incrocio tra il braccio verticale e quello orizzontale, si trova un modulo aggiuntivo costruito solo da strati di scintillatore plastico (Modulo Protonico) con una massa di 0,55 tonnellate. Il suo scopo è registrare le interazioni quasi-elastiche e confrontare i risultati ottenuti con le simulazioni. <ref name="t2knim" />
=== Il rivelatore ND280 ===
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}}Il rilevatorerivelatore 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 rilevatorerivelatore 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" />
ND280 è composto dal set di sottorivelatori interni: rilevatorerivelatore di pioni neutri Pi-Zero (fino al 2023) e un tracker con 2 rilevatoririvelatori 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 rilevatorerivelatore di muoni laterali. <ref name="t2knim" />
==== Il rivelatore Pi-Zero ====
[[File:Nd280_p0d_layers_structure.png|miniatura|233x233px|Schema del rilevatorerivelatore Pi-Zero.]]
Il rivelatore di [[Pione|pioni]] neutri Pi-Zero ({{Particella subatomica|Pion0}}), chiamato anche P0D, contiene 40 piani di scintillatore plastico, che nella parte centrale sono intercalati con sacche spesse 2,8 cm, riempibili con acqua, e con lastre di ottone. In due regioni periferiche i moduli scintillatori sono intercalati con lastre di piombo. Confrontando lil numero di interazioni tra le modalità con e senza acqua nelle sacche, è possibile estrarre il numero di interazioni dei neutrini che si verificano nell'acqua – di particolare interesse perchè è il materiale di cui è costituito il rilevatorerivelatore lontano Super-Kamiokande. La dimensione dell'intero volume attivo del P0D è di circa 2,1 m × 2,2 m × 2,4 m (X×Y×Z) e la sua massa con e senza acqua è rispettivamente di 15,8 e 12,9 tonnellate.
Lo scopo principale del rilevatorerivelatore Pi-Zero è la misurazione della produzione di [[Pione|pioni]] neutri nelle interazioni dei neutrini [[Corrente debole neutra|a corrente neutra]]:
: {{Particella subatomica|Muon neutrino}} + N → {{Particella subatomica|Muon neutrino}} + N’ + {{Particella subatomica|Pion0}}
==== Camere a proiezione temporale ====
[[Camera a proiezione temporale|Le camere a proiezione temporale]] (TPC) sono camere rettangolari a tenuta di gas, con un piano catodico al centro e moduli MicroMegas<ref>{{Cita pubblicazione|nome=Y.|cognome=Giomataris|nome2=Ph.|cognome2=Rebourgeard|nome3=J.P.|cognome3=Robert|anno=1996|titolo=MICROMEGAS: a high-granularity position-sensitive gaseous detector for high particle-flux environments|rivista=Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment|volume=376|numero=1|pp=29–35|accesso=2024-03-11|doi=10.1016/0168-9002(96)00175-1|url=https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/0168900296001751}}</ref> di lettura su entrambi i lati paralleli al catodo. Tre di queste camere equipaggiano ND280. Le TPC sono riempite con una miscela di gas deriva a base di [[argon]] a pressione atmosferica. Le particelle cariche che attraversano le TPC [[Ionizzazione|ionizzano]] il gas lungo il loro percorso. Gli elettroni di ionizzazione si spostano dal catodo ai lati delle TPC, dove vengono rilevatirivelati dai rivelatori MicroMegas fornendo un'immagine 3D del percorso della particella cariche nelle TPC. Le coordinate Y e Z si basano sulla posizione degli elettroni di ionizzazione rilevatirivelati sui moduli MicroMegas e la coordinata X si basa sul tempo di deriva degli elettroni. Nel campo magnetico, la curvatura di questo percorso consente di determinare [[Carica elettrica|la carica]] e [[Quantità di moto|la quantità di moto]] della particella, e la quantità di elettroni di ionizzazione per unità di distanza viene utilizzata per identificare le particelle in base alla [[Formula di Bethe|formula di Bethe-Bloch]] . <ref name="t2knim" /> <ref>{{Cita pubblicazione|autore=T2K ND280 TPC collaboration|coautori=et al.|titolo=Time Projection Chambers for the T2K Near Detectors|rivista=Nucl. Instrum. Meth. A|volume=637|pp=25-46|doi=10.1016/j.nima.2011.02.036|bibcode=2011NIMPA.637...25A|arxiv=1012.0865}}</ref>
==== Rivelatori a grana fine ====
Due rilevatoririvelatori 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" /> <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 rilevantirivelanti per la loro identificazione. <ref name="t2knim" /> <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>
==== RilevatoreRivelatore laterale dei muoni ====
Il rilevatorerivelatore 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 deldal 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 <ref group="note">In un sistema di acquisizione dati, il trigger è un segnale che fa partire la registrazione di un evento.</ref> 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" /> <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 ===
* 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" /> <ref name="wagasci" />
* Un modulo per la rivelazione dei protoni, lo stesso del rilevatorerivelatore INGRID, costituito da semplici barre [[Scintillatore|scintillatrici]] [[Materie plastiche|di plastica]] (CH), che funge da bersaglio e tracciatore di particelle. <ref name="babymind" /> <ref name="wagasci" />
* 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 ( rilevatorerivelatore di neutrini di ferro magnetizzato) che è uno spettrometro magnetizzato di muoni per rivelare i muoni in avanti. BabyMIND ha un'originale configurazione di moduli di scintillatore intervallati con moduli di ferrite magnetizzata. I moduli possono essere riorganizzati facilmente per adattare il campo magnetico alle particolari esigenze dell'esperimento. Il campo magnetico viene creato solo all'interno della ferrite, quindi è molto efficiente dal punto di vista energetico rispetto ai magneti che devono magnetizzare gli spazi vuoti attorno a loro come quello di ND280. Tuttavia, il campo magnetico non è omogeneo lungo il volume percorso dai muoni, e ciò pone una sfida ancora aperta per la ricostruzione della quantità di moto delle particelle cariche. <ref name="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" /> <ref name="wagasci" />
L'obiettivo principale del rilevatorerivelatore WAGASCI-BabyMIND è la riduzione dell'errore sistematico nell'analisi [[Oscillazione del neutrino|dell'oscillazione]], grazie alla sua complementarità rispetto al rilevatorerivelatore 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 name="babymind" /> <ref name="wagasci" />
* Il nuovo rivelatore fornirà misurazioni di vari canali di interazione dei neutrini con [[Interazione debole#Interazione a corrente carica|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 rilevamentorivelamento 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 rilevatoririvelatori 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" />
== Super-Kamiokande ==
[[File:Superkamiokande_electron_muon_discriminator.png|miniatura|Rilevazionerivelazione di [[Elettrone|elettroni]] e [[Muone|muoni]] nel rivelatore [[Super-Kamiokande]]]]
Il rilevatorerivelatore [[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|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). Rilevarivela 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 [[Interazione debole#Interazione a corrente carica|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 rilevatorivelato 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]] rilevantirivelanti per la scomparsa del neutrino muonico e la comparsa del neutrino elettronico. <ref name="t2knim" /> <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 pubblicazione|autore=K2K Collaboration|anno=2006|titolo=Measurement of Neutrino Oscillation by the K2K Experiment|rivista=Phys. Rev. D|numero=74|p=072003|doi=doi:10.1103/PhysRevD.74.072003|arxiv=hep-ex/0606032}}</ref>
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 rilevatorerivelatore INGRID e della maggior parte del rilevatorerivelatore 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" />
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 con il 55% dei dati in modalità neutrino e il 45% in modalità antineutrino. <ref name="T2K-long">{{Cita pubblicazione|autore=T2K Collaboration|anno=2023|titolo=Measurements of neutrino oscillation parameters from the T2K experiment using 3.6×1021 protons on target|rivista=Eur.Phys.J|volume=C83|numero=9|p=782|doi=https://doi.org/10.1140/epjc/s10052-023-11819-x|urlarchivio=arXiv:2303.03222 [hep-ex]}}</ref>
== 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 rilevatorerivelatore lontano [[Super-Kamiokande]]<ref name="T2K-long" />. Nel 2021-2022 è stato eseguito un importante upgrade della linea di fascio dei neutrini e del rivelatore vicino ND280. Dal 2023 al 2026 i dati sui neutrini verranno raccolti nell'ambito della seconda fase dell'esperimento T2K (T2K-II) <ref name="lomonosov2021">{{Cita web|url=https://lomcon.ru/files/20LomCon/presentations/Presenteations/19/lomonosov2021_kudenko.pdf|sito=The 20th Lomonosov Conference on Elementary Particle Physics|dataaccesso=2021-09-29}}</ref> . Nel 2027, il successore dell’esperimento T2K – l’esperimento Hyper-Kamiokande (HK) – sarà inaugurato con il nuovo rilevatorerivelatore lontano [[Effetto Čerenkov|Cherenkov]] da 250.000 tonnellate di acqua – il rilevatorerivelatore [[Hyper-Kamiokande]] . <ref name="HK-TDR" />
=== 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''<sub>23</sub> e Δ''m''{{Apici e pedici|b=23|p=2}} con una precisione rispettivamente di 1,7° e 1%, nonché una conferma fino a 3[[Scarto quadratico medio|σ]] dell'asimmetria materia-antimateria nel settore dei neutrini regolata dalla fase di oscillazione ''δ''<sub>CP</sub>. Il raggiungimento di questi obiettivi richiede la riduzione degli errori statistici e sistematici. Pertanto sono necessari un aggiornamento significativo della linea di fascio e del rilevatorerivelatore ND280, l'ulteriore aggiunta di [[gadolinio]] nell'acqua di SK assieme a miglioramenti del software e dei metodi di analisi.
==== Upgrade del fascio di neutrini ====
==== Upgrade di ND280 ====
[[File:Nd280upgrade_scheme.png|miniatura|Schema della parte interna del rilevatorerivelatore ND280 dopo l'aggiornamento pianificato]]
L'attuale design del rilevatorerivelatore ND280 è ottimizzato per la rilevazionerivelazione e la ricostruzione di [[Leptone|leptoni]] ( [[Muone|muoni]] ed [[Elettrone|elettroni]] ) che vanno in avanti, ma presenta anche una serie di limitazioni, come la bassa efficienza di ricostruzione delle particelle prodotte quasi perpendicolari e all'indietro rispetto alla direzione del [[neutrino]] interagente, nonché una soglia di quantità di moto troppo elevata per ricostruire gran parte dei pioni prodotti e dei nucleoni eliminati (protoni e neutroni). Nelle interazioni Chargeddi Currentcorrente carica Quasi-ElasticElastiche (CCQE), l'interazione dominante nel rivelatore vicino ND280, la cinematica del leptone prodotto è sufficiente per la ricostruzione dell'energia del neutrino in arrivo. Tuttavia, altri tipi di interazioni dei neutrini in cui sono andate perse particelle aggiuntive ( [[Pione|pioni]], [[Kaone|kaoni]], [[Nucleone|nucleoni]] ), potrebbero essere ricostruiti in modo errato come CCQE e introdurre una [[Bias (statistica)|distorsione]] nello spettro energetico dei neutrini ricostruito. Pertanto, è essenziale ottimizzare il rilevatorerivelatore affinché sia sensibile alle particelle aggiuntive e agli effetti nucleari .
Per affrontare questi problemi è necessario adottare tre misure principali:
* Il rivelatore deve riconoscere in modo efficiente i nucleoni nello stato finale delle interazioni dei neutrini. Per questo è necessario abbassare le soglie di rilevamentorivelamento di protoni e neutroni.
* Le particelle emesse ad alto angolo e quelle che vanno all'indietro devono essere ben ricostruite. Ciò si ottiene aumentando l'accettanza angolare e l'efficienza della discriminazione tra le tracce all'indietro e quelle in avanti utilizzando le informazioni di temporali.
* 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 rilevatorerivelatore ND280 soddisfa questi requisiti sostituendo il sottorivelatore P0D con tre tipi di nuovi sottorivelatori. I due rilevatoririvelatori 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. Il P0D saràè stato sostituitasostituito 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 rilevatoririvelatori del tempo di volo (TOF) che circondano la nuova struttura. Ciascuno di questi sottorivelatori è brevemente descritto di seguito. L'installazione dei nuovi sottorivelatori è stata completata nel 2024<ref name="nd280upgradetdra">{{Cita pubblicazione|autore=T2K Collaboration|titolo=T2K ND280 Upgrade - Technical Design Report|arxiv=1901.03750}}</ref><ref name="nd280upgradetdradd">{{Cita pubblicazione|autore=The T2K ND280 Upgrade Working Group|volume=CERN-SPSC-2020-008. SPSC-SR-267|url=https://cds.cern.ch/record/2713578}}</ref>.
===== SuperFGD =====
Il SuperFGD<ref>{{Cita pubblicazione|nome=A.|cognome=Blondel|coautori=et al.|anno=2018|titolo=A fully-active fine-grained detector with three readout views|rivista=Journal of Instrumentation|volume=13|numero=02|pp=P02006–P02006|doi=10.1088/1748-0221/13/02/P02006|url=https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-0221/13/02/P02006}}</ref> è un rivelatore costituito da circa 2 milioni di cubi [[Scintillatore|scintillanti]] [[Polistirene|in polistirene]] da 1cm<sup>3</sup> . I cubi sono intrecciati con una serie di [[Fibra ottica|fibre ottiche]] progettate per rivelare la luce emessa dalle particelle prodotte durante le interazioni nel bersaglio. A differenza degli attuali FGD, il SuperFGD ha tre letture 2D proiettive che forniscono una lettura quasi 3D. Questa configurazione di rivelatore aumenta il rilevamentorivelamento di tracce brevi in modo quasi uniforme in tutte le direzioni. Grazie alla sua geometria e accoppiato con il TOF e le HATPC, il SuperFGD ha la capacità di rivelare neutroni veloci, che potrebbero essere utili nella ricostruzione dell'energia [[Neutrino|dell'antineutrino]] .
===== 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) circonderannocircondano 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|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|doi=10.1016/j.nima.2021.166109|url=https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S0168900221010111}}</ref>.
===== TOF =====
I sei rilevatoririvelatori 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 140 ps<ref>{{Cita pubblicazione|nome=A.|cognome=Korzenev|nome2=F.|cognome2=Barao|nome3=S.|cognome3=Bordoni|coautori=et al|anno=2021|titolo=A 4π time-of-flight detector for the ND280/T2K upgrade|rivista=Journal of Instrumentation|volume=17|numero=01|pp=P01016|doi=10.1088/1748-0221/17/01/P01016|url=https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-0221/17/01/P01016}}</ref>. È stato dimostrato che la capacità di determinare il senso della direzione delle tracce in ND280 è fondamentale per ridurre il fondo da particelle che entrano nei rivelatori di ND280 dall'esterno.
===== Impatto sulla fisica delle oscillazioni dei neutrini =====
L’aggiornamento dell’upgrade di ND280 avrà un duplice impatto sulle analisi di T2K. In primo luogo, un grande aumento del numero di eventi raccolti grazie al target SuperFGD da 2 tonnellate (che quasi raddoppia la massa attiva complessiva dei moduli FGD, pari a 2,2 tonnellate). In secondo luogo, e più rilevanterivelante, la nuova configurazione consentiràconsente un migliore rilevamentorivelamento di particelle ad alto angolo, grazie alla maggiore accettazione angolare, e di particelle meno energetiche a causa delle soglie di rilevamentorivelamento più basse. Questo miglioramento dell'accettanza del rivelatore è importante per coprire quasi lo stesso spazio delle fasi disponibile nel rivelatore lontano (SK). Inoltre, le particelle dello stato finale consentirannoconsentono di studiare gli effetti nucleari che sono essenziali per limitare gli effetti sistematici dell'analisi delle oscillazioni. Si tratta di un passo importante anche nella transizione verso l’uso di modelli di interazione semi-inclusivi o esclusivi nella fisica delle oscillazioni dei neutrini, in contrapposizione agli attuali modelli inclusivi che utilizzano solo il leptone dello stato finale nelle loro previsioni.
==== SK-Gd ====
Il terzo elemento di miglioraramento nell’ambito di T2K–II è l’introduzione di [[gadolinio]] in Super-Kamiokande<ref name="skgd">{{Cita pubblicazione|nome=K.|cognome=Abe|coautori=et al.|anno=2022|titolo=First gadolinium loading to Super-Kamiokande|rivista=Nuclear Instruments and Methods in Physics A|volume=1027|pp=166248|lingua=en|doi=10.1016/j.nima.2021.166248}}</ref>, che finora era riempito con acqua ultrapura. SK non è in grado di misurare la [[Carica elettrica|carica]] della particella registrata. Ciò significa che non è possibile distinguere l'interazione tra neutrino e antineutrino sulla base della carica di [[leptone]] prodotto (ad es.{{Particella subatomica|Muon-}} è prodotto da {{Particella subatomica|Muon neutrino}} mentre {{Particella subatomica|Muon+}} da {{Particella subatomica|Muon antineutrino}} ). Nelle interazioni (anti)neutrino-nucleo, a parte la produzione di leptoni carichi, dal [[Nucleone|nucleo]] viene solitamente emesso un [[Nucleo atomico|nucleone]] . A causa della [[Legge di conservazione della carica elettrica|conservazione della carica]], per i neutrini viene emesso un protone e per gli antineutrini un neutrone.<ref>{{Cita pubblicazione|autore=Formaggio, J. A.|autore2=Zeller, G. P.|anno=2012|titolo=From eV to EeV: Neutrino cross sections across energy scales|rivista=Rev. Mod. Phys.|volume=84|pp=1307-1341|doi=10.1103/RevModPhys.84.1307|bibcode=2012RvMP...84.1307F|arxiv=1305.7513}}</ref><sup>: 23</sup> . Per cui la rivelazione di un neutrone in coincidenza con la rivelazione di un leptone è la firma di un evento di antineutrino.
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 sono spesso scendonoprodotti con energie 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 l'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 igli neutriniantineutrini relici di supernova , permettendo di sepraraseparare i {{Particella subatomica|Electron antineutrino}} prodottirelici dai neutrini provenienti da altre fonti. Migliorerà inoltre le prestazioni del rilevatorerivelatore 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" /> <ref name="skgd" /> . 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 e la versione aggiornata di ND280. Oltre a ciò, verrà costruito un nuovo rilevatorerivelatore lontano, [[Hyper-Kamiokande]], e possibilmente anche un nuovo [[Hyper-Kamiokande|rilevatorerivelatore intermedio]] (IWCD). Parte dei lavori di upgrade del fascio e l'upgrade del rilevatorerivelatore ND280 verrannosono eseguitigià primastati dell'inizioeseguiti della faseper T2K-II dell'esperimento T2K. Si prevede chei Hyper-Kamiokande inizierà la presa dati intorno al 2027. <ref name="hyperkstart">{{Cita news|url=http://www.j-parc.jp/c/en/topics/2020/02/12000416.html}}</ref> <ref>{{Cita pubblicazione|autore=Hyper-Kamiokande Proto-Collaboration|volume=2015|doi=10.1093/ptep/ptv061|bibcode=2015PTEP.2015e3C02A|arxiv=1502.05199}}</ref>
== Note ==
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