Połączone wyniki obu rywalizujących, ale i uzupełniających się, eksperymentów neutrinowych NOvA i T2K znacznie poszerzają wiedzę o oscylacjach neutrin i potwierdzają zasadność wspólnego wysiłku naukowców z obu zespołów. Wśród zaangażowanych w inicjatywę ekspertów są pracownicy Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach.
W ramach eksperymentów T2K w Japonii oraz NOvA w Stanach Zjednoczonych przeprowadzono wspólną analizę danych i opublikowano jej pierwsze wyniki w prestiżowym czasopiśmie Nature – artykuł pt. „Joint neutrino oscillation analysis from the T2K and NOvA experiments”.
W eksperymencie T2K bierze udział grupa fizyków z Instytutu Fizyki UŚ w składzie: dr Lakshmi Sandhya Mohan, dr hab. Arkadiusz Bubak, prof. UŚ; mgr Jacek Holeczek oraz prof. dr hab. Jan Kisiel.
Oba przedsięwzięcia są tzw. eksperymentami z długą bazą, które badają oscylacje neutrin z użyciem wiązek z akceleratorów. Wykorzystując różne długości tzw. bazy (odległości między miejscem produkcji wiązki neutrin a miejscem, w którym są rejestrowane) i różne zakresy energii neutrin. Zespoły naukowców wykonały razem precyzyjne pomiary tego zjawiska. Udało im się zredukować niepewność pomiaru różnic między masami neutrin do mniej niż 2%.
Choć hierarchia trzech mas neutrin wciąż pozostaje nieznana, wyniki analizy pokazują, że stopień łamania symetrii CP (różnicy w zachowaniu się cząstek i antycząstek) może być silnie ograniczony. Osiągnięcie to jest ważnym krokiem w kierunku odkrycia łamania symetrii CP w sektorze neutrin i wyjaśnienia asymetrii materia-antymateria we współczesnym wszechświecie.
We wspólnej analizie połączono dane z T2K zbierane przez 10 lat od 2010 roku i dane z NOvA zbierane przez 6 lat od 2014 roku. Przeprowadzenie takiej analizy pokazuje wartość i siłę współpracy między dwoma międzynarodowymi eksperymentami, które jednocześnie rywalizują ze sobą, ale i się uzupełniają.
Kontekst
Fizycy spodziewaliby się, że na początku wszechświata powstały równe ilości materii i antymaterii. Jednak w takim wypadku powinna zajść całkowita anihilacja materii i antymaterii.
Takie zjawisko nie miało miejsca, o czym wiemy, ponieważ istniejemy. W jakiś sposób materia wygrała z antymaterią, ale nie wiemy jak i dlaczego.
Fizycy podejrzewają, że odpowiedź może być związana z tajemniczym zachowaniem licznych choć ulotnych cząstek zwanych neutrinami. W szczególności, badanie zjawiska zwanego oscylacjami neutrin, kiedy to zmieniają one swój typ (tzw. zapach) w trakcie „podróży” od miejsca, gdzie powstały, do miejsca, w którym je rejestrujemy – może doprowadzić nas do poznania tej odpowiedzi.
Dwa międzynarodowe zespoły naukowców pracujące w dwóch eksperymentach neutrinowych, T2K w Japonii i NOvA w Stanach Zjednoczonych, podjęły wysiłek, by przygotować pierwszą wspólną analizę danych, która 22 października 2025 opublikowana została w czasopiśmie „Nature”. Ta pierwsza wspólna praca przyniosła kilka najbardziej precyzyjnych pomiarów oscylacji neutrin.
Wewnątrz detektora Super-Kamiokande | Fot. Kamioka Observatory, ICRR (Institute for Cosmic Ray Research), The University of Tokyo
T2K w Japonii (po lewej) oraz NOvA w Stanach Zjednoczonych (po prawej) są eksperymentami z długą bazą: oba używają intensywnej wiązki neutrin, która przebiega przez tzw. bliski detektor ustawiony w pobliżu źródła neutrin oraz przez daleki detektor znajdujący się w odległości kilkuset kilometrów. Oba eksperymenty porównują dane zebrane w bliskim i dalekim detektorze, by badać zachowanie i własności neutrin.
Różne eksperymenty, wspólny cel
Pomimo powszechności występowania neutrin, są one bardzo trudne do detekcji i badania. Zaobserwowane po raz pierwszy w latach pięćdziesiątych ubiegłego wieku, wciąż pozostają bardzo tajemnicze. Uzupełnienie luk w naszej wiedzy o neutrinach i ich własnościach może odsłonić fundamentalne prawdy o wszechświecie.
T2K i NOvA są eksperymentami z długą bazą: oba używają intensywnej wiązki neutrin, która przebiega przez tzw. bliski detektor ustawiony w pobliżu źródła neutrin oraz przez daleki detektor znajdujący się w odległości kilkuset kilometrów. Oba eksperymenty porównują dane zebrane w bliskim i dalekim detektorze, by badać zachowanie i własności neutrin.
Eksperyment NOvA (skrót od „the NuMI Off-axis νe Appearance”) wysyła wiązkę neutrin ze źródła znajdującego się w Narodowym Laboratorium Fermiego (Fermilab) w pobliżu Chicago do 14-kilotonowego detektora wypełnionego ciekłym scyntylatorem w Ash River w Minnesocie, w odległości 810 km.
W eksperymencie T2K wiązka neutrin podróżuje na odległość 295 km, z Tokai do Kamioki (stąd nazwa eksperymentu, skrót od „Tokai-to-Kamioka”). Tokai to siedziba laboratorium Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC), a w pobliżu Kamioki, kilometr pod ziemią, znajduje się detektor Super-Kamiokande, olbrzymi zbiornik ultraczystej wody.
Ponieważ oba eksperymenty mają bardzo podobne cele fizyczne, ale używają różnych baz i energii neutrin, fizycy mogą dowiedzieć się więcej, jeśli połączą otrzymane przez nie zestawy danych.
Jako eksperymenty z długą bazą, NOvA i T2K idealnie nadają się do badania oscylacji neutrin, zjawiska, które pozwala zbliżyć się do odpowiedzi na pytania o łamanie symetrii ładunkowo-przestrzennej (Charge-Parity, CP) i hierarchię mas neutrin. Dwa eksperymenty o różnej bazie i energiach neutrin mają lepszą szansę na rozwikłanie wpływu tych dwóch efektów, niż każdy z nich oddzielnie.
Daleki detektor neutrin NOvA w Ash River w Minnesocie | Fot. Reidar Hahn z Fermilab
Badania oscylacji neutrin
Tajemnica hierarchii mas neutrin dotyczy pytania, które z neutrin jest najlżejsze. Nie da się tego określić, kładąc cząstki na wadze. Neutrina mają bardzo małe masy, a co więcej, masy te nie są wprost związane z ich typem (zapachem). Każdy z zapachów neutrin składa się z mieszanki trzech mas, a każda z mas z różnym prawdopodobieństwem może zachowywać się jak dowolny zapach.
Są dwie możliwe hierarchie mas, jedna zwana normalną, a druga odwróconą. W hierarchii normalnej dwie masy są znacząco lżejsze od trzeciej, a w odwróconej – dwie masy są cięższe, a jedna zdecydowanie lżejsza.
W przypadku hierarchii normalnej, prawdopodobieństwo, że neutrina mionowe będą oscylować w neutrina elektronowe jest większe niż analogiczne prawdopodobieństwo dla antyneutrin. Dla hierarchii odwróconej jest odwrotnie. Jednak różnica (asymetria) w oscylacjach neutrin i antyneutrin może być także rezultatem łamania symetrii CP – tj. różnicą pomiędzy zachowanie się materii (neutrina) i antymaterii (antyneutrina).
Wspólny wynik T2K i NOvA nie daje odpowiedzi, która z hierarchii mas neutrin jest prawdziwa (realizowana w przyrodzie). Jeśli normalna, to trudno określić, czy symetria CP jest łamana – wymaga to zebrania dodatkowych danych. Natomiast jeśli w przyszłości dowiemy się, że prawdziwa jest hierarchia odwrotna – to wynik dziś opublikowany dostarcza dowodu, że neutrina łamią symetrię CP, co zdecydowanie przybliża nas do zrozumienia, dlaczego Wszechświat jest zdominowany przez materię.
Wspólna analiza dostarczyła jednej z najdokładniejszych wartości różnic w masie neutrin, wielkości określanej jako Δm232. Dzięki niepewności mniejszej niż 2%, wartość ta pozwoli fizykom na precyzyjne porównania z innymi eksperymentami neutrinowymi, by badać i sprawdzać kompletność teorii oscylacji neutrin.
Co dalej?
Wyniki pierwszej wspólnej analizy nie odsłaniają jeszcze do końca tajemnic neutrin, ale poszerzają wiedzę fizyków o tych cząstkach. Potwierdzają one również wartość imponującego wspólnego wysiłku obu rywalizujących i uzupełniających się eksperymentów.
Zespół NOvA liczy ponad 250 naukowców i inżynierów z 49 instytucji z 8 państw, a T2K – ponad 560 członków z 75 instytucji w 15 państwach. Oba zespoły rozpoczęły prace nad wspólną analizą w 2019 roku. Włączono w nią dane zebrane przez 6 lat, od 2014 roku, przez NOvA, oraz przez 10 lat, od 2010 roku, przez T2K. Oba eksperymenty kontynuują zbieranie danych i podjęto już działania, by przeprowadzić kolejną wspólną analizę z użyciem nowych danych.
NOvA i T2K są obecnie jedynymi działającymi eksperymentami z długą bazą. Ich pierwsze wspólne wyniki kładą podwaliny dla przyszłych eksperymentów, które ostatecznie odpowiedzą na pytania dotyczące neutrin.
Nowy eksperyment pod egidą Fermilabu, Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE) powstaje w stanach Illinois i Dakota Południowa. Mając dłuższą bazę – 1300 km – DUNE będzie bardziej czułe na hierarchię mas neutrin i może dać fizykom ostateczną odpowiedź wkrótce po jego uruchomieniu, na początku przyszłej dekady.
W Japonii, w kopalni w Kamioce (Hida City, prefektura Gifu) budowany jest obecnie następca Super-Kamiokande, Hyper-Kamiokande, który rozpocznie pracę w 2028 roku. Hyper-Kamiokande będzie prowadzić bardzo precyzyjne poszukiwania sygnału łamania symetrii CP dzięki wielkiej liczbie zarejestrowanych oddziaływań neutrin, na co pozwoli 8-krotnie większa niż Super-Kamiokande masa detektora i intensywna wiązka neutrin.
Wielu fizyków ma nadzieję, że ta kolejna generacja eksperymentów neutrinowych nawiąże taką współpracę, jak NOvA i T2K, aby osiągnąć większy postęp w osiągnięciu wspólnych celów naukowych – dowiedzeniu się więcej o neutrinach i ich niezwykłych właściwościach.
Członkowie T2K | The T2K Collaboration
Polski wkład
Polska Grupa Neutrinowa uczestniczy w eksperymencie T2K od 2007 roku, a w jej skład wchodzi sześć instytucji: Narodowe Centrum Badań Jądrowych, Uniwersytet Warszawski, Politechnika Warszawska, Uniwersytet Śląski w Katowicach, Uniwersytet Wrocławski oraz Instytut Fizyki Jądrowej PAN. Polscy naukowcy, fizycy i inżynierowie, brali udział w konstrukcji bliskiego detektora, a następnie, po uruchomieniu eksperymentu w 2010 roku, w zbieraniu danych, przeprowadzaniu symulacji, kalibracji, testach jakości danych oraz ich analizie. O wartości polskiego wkładu świadczy pełnienie przez polskich naukowców istotnych funkcji w zespole T2K – współprzewodniczących różnych grup roboczych oraz udział w ciałach zarządzających (Executive Board, Analysis Steering Group, Publication Board).
Kontakt
- prof. dr hab. Jan Kisiel: jan.kisiel@us.edu.pl, tel. 606 590 867
- dr hab. Arkadiusz Bubak, prof. UŚ: arkadiusz.bubak@us.edu.pl, tel. 32 349 76 48