T2K: differenze tra le versioni

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* Il primo vincolo significativo sulla fase di oscillazione ''δ''_CP, responsabile dell'asimmetria materia-antimateria nelle oscillazioni dei neutrini <ref name="cpnature" />.

La fase ''δ''_CP 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''_CP uguale a 0 o ± ''π''. T2K ha fornito il primo e il più forte vincolo finora su ''δ''_CP, 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|titolo= |sito=BBC News website|accesso=18 aprile 2020}}</ref>

L'esperimento NOvA è l'altro esperimento sull'oscillazione dei neutrini in grado di misurare ''δ''_CP 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&nbsp;km tra il luogo di produzione del fascio nel [[Fermilab]] e il rivelatore lontano ad Ash River, [[Minnesota]]. NOvA ha finora fornito una misurazione meno precisa di ''δ''_CP, che è in leggera tensione con il risultato T2K. Il punto di migliore fit per T2K si trova nella regione sfavorita da NOvA con un livello di confidenza del 90%. È 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>

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==== 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=11 marzo 2024|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 rivelati 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 rivelati 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 ====

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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>^{: 23}. 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 prodotti 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 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 10⁵ 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&nbsp;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="skgd" /><ref name="skgdnews">{{Cita web|url=http://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/sk/news/2020/08/sk-gd-detail-e.html|titolo= |accesso=7 ottobre 2021}}</ref>

Nel periodo luglio-agosto 2020 un primo carico di 13 tonnellate di Gd₂ (SO₄)₃ ·8H₂O ( 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 gli antineutrini relici di supernova, permettendo di separare i {{Particella subatomica|Electron antineutrino}} relici dai neutrini provenienti da altre fonti. Migliorerà inoltre le prestazioni del rivelatore 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="skgd" /><ref name="skgdnews" />. A luglio 2022 si è completato lo scioglimento in acqua di altre 87 tonnellate di gadolinio(III) solfato ottaidrato, per una concentrazione totale di gadolinio pari allo 0,02%.