Prawie cztery lata temu na łamach prestiżowego czasopisma „Nature” ukazał się artykuł z wynikami badań prowadzonych w ośrodku akceleratorowym J-PARC na wschodnim wybrzeżu Japonii. Prowadzony jest tam eksperyment neutrinowy Tokai- -to-Kamioka (T2K) – fascynujące przedsięwzięcie zagłębiające się w tajemniczy świat neutrin. Wykonywane od kilkunastu lat analizy przybliżyły nas wówczas do odpowiedzi na pytanie dotyczące braku równowagi między ilością materii i antymaterii we Wszechświecie. Kontynuacja badań była uzależniona od modyfikacji aparatury badawczej. Trwające ponad trzy lata prace modernizacyjne właśnie dobiegły końca, a eksperyment T2K wszedł w nową fazę.

Detektor Super-Kamiokande zlokalizowany we wnętrzu góry w miejscowości Kamioka

Badania natury neutrin prowadzi obecnie około 570 naukowców z 78 instytucji badawczych w 14 krajach. W tym gronie jest również zespół z Instytutu Fizyki Wydziału Nauk Ścisłych i Technicznych Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach, pracujący pod kierunkiem dr. hab. Arkadiusza Bubaka, prof. UŚ i prof. dr. hab. Jana Kisiela.

Aby zrozumieć, dlaczego dla tego typu badań kluczowa jest aparatura, trzeba najpierw przyjrzeć się samym neutrinom. Choć w zasadzie akt „przyglądania się” nie jest najlepszym określeniem.

– Nie jesteśmy w stanie zaobserwować neutrin, a jedynie efekty ich oddziaływania z innymi cząstkami. Cząstki te rozbiegają się w charakterystyczny sposób od punktu oddziaływania i można je rejestrować stosunkowo prostymi metodami – mówi prof. Arkadiusz Bubak. – Na ekranie monitora wygląda to tak, jakby cząstki pojawiały się znikąd. Dopiero na podstawie rodzaju cząstek powstałych w oddziaływaniu neutrina i kątów pomiędzy ich śladami możemy wnioskować, z jakim rodzajem neutrina mieliśmy do czynienia – dodaje prof. Jan Kisiel.

Trudność w detekcji neutrin wynika z ich bardzo słabego, a zatem rzadkiego oddziaływania z materią. Tak słabego, że nie czujemy, jak co sekundę przez każdy centymetr naszego ciała przechodzą ich miliardy. Co więcej, przez całe życie człowieka jedynie kilka z nich wejdzie w interakcje z pierwiastkami budującymi nasze ciała. Dlatego trzeba było zbudować potężne detektory zlokalizowane głęboko pod Ziemią, czyli w miejscu, do którego prawie nie dociera promieniowanie kosmiczne, aby mieć szansę obserwacji tego wyjątkowo rzadkiego zjawiska.

Na potrzeby eksperymentu T2K zbudowane zostały dwa detektory: bliski ND280 w Japonii w miejscowości Tokai oraz daleki Super-Kamiokande zlokalizowany we wnętrzu góry w miejscowości Kamioka. Od nazw tych dwóch miejsc swoją nazwę wziął eksperyment T2K. W Tokai znajduje się również ośrodek naukowy Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC), w którym „produkowane” są neutrina w reakcjach wywołanych w sztuczny, kontrolowany sposób. Jak wyjaśniają naukowcy, dopiero takie połączenie skomplikowanej i zaawansowanej aparatury oraz odpowiednich detektorów pozwala zaobserwować oddziaływania neutrin z materią tychże detektorów. Niezwykle interesującym odkryciem ostatnich lat było zjawisko oscylacji neutrin, polegające na zmianie ich rodzaju w trakcie podróży w przestrzeni od miejsca produkcji do miejsca detekcji. Fizycy biorący udział w eksperymencie T2K podejrzewają, że zjawisko to może przebiegać inaczej niż zjawisko oscylacji antyneutrin, a to ważny trop w kontekście odpowiedzi na pytanie o miażdżącą przewagę materii nad antymaterią we Wszechświecie. Unowocześnienie aparatury pomiarowej eksperymentu T2K powinno umocnić nasze podejrzenia i przybliżyć nas o kolejny krok do uzyskania odpowiedzi na to pytanie.

Modernizacja detektorów i akceleratora protonów zakończyła się pod koniec 2023 roku. Zwiększono przede wszystkim intensywność wiązki neutrin produkowanej w głównym akceleratorze. Jej stabilność została utrzymana przy wzroście mocy urządzenia aż o 40%, osiągając poziom 760 kW. Dodatkowo w bliskim systemie detektorów ND280 zainstalowane zostały dwa nowe detektory pozwalające precyzyjniej rekonstruować tory cząstek produkowanych w wyniku oddziaływań neutrin.

Nowe, dokładniejsze dane powinny przybliżyć nas do odpowiedzi na podstawowe pytania współczesnej fizyki, takie jak asymetria pomiędzy materią i antymaterią we Wszechświecie czy łamanie symetrii ładunkowo-przestrzennej CP (ang. Charge-Parity Symmetry) – podsumowują fizycy z Uniwersytetu Śląskiego.