Pierwsze wyniki eksperymentu T2K

Neutrina to najlżejsze znane cząstki elementarne. Są one niesłychanie przenikliwe i chociaż jest ich wokół nas ogromnie dużo (są produkowane w rozpadach jądrowych, w Słońcu, w elektrowniach jądrowych), ich oddziaływania są bardzo rzadkie i trudno jest je zarejestrować.

Neutrina mają niezwykle ciekawą własność, że poruszając się, mogą zmieniać swoją tożsamość. Są bowiem trzy rodzaje neutrin i neutrino powstałe np. jako neutrino mionowe, może zostać zarejestrowane np. jako neutrino elektronowe. Chodzi o zjawisko oscylacji neutrin. Jest to bardzo ciekawe zjawisko, będące znakomitą ilustracją podstawowych zasad mechaniki kwantowej.

Neutrina od dawna fascynują fizyków. W ciągu ostatnich 20 lat przeprowadzono wiele doświadczeń badających własności neutrin, w tym zjawisko oscylacji. W 2002 r. za badania neutrin przyznano dwóm fizykom nagrody Nobla.

Największy aktualnie pracujący eksperyment w tej dziedzinie to T2K w Japonii. Wiązka neutrin produkowana w nowo zbudowanym laboratorium J-PARC w Tokai, rejestrowana jest w odległym o 295 km detektorze Super-Kamiokande. 295 km to odpowiednia odległość, żeby dać neutrinom szansę na to, by mogły zmienić swoją tożsamość, „przeoscylować”. Ponieważ neutrina oddziałują bardzo słabo, detektor musi być ogromny, jest to faktycznie wielki pojemnik z superczystą wodą w ilości 50 tysięcy ton (!), ulokowany w kopalni Kamioka.

Grupa eksperymentalna liczy ponad 500 osób z 12 krajów z całego świata, w tym grono fizyków z Polski: z Warszawy, Krakowa, Katowic i z Wrocławia, z Wydziału Fizyki i Astronomii Uniwersytetu Wrocławskiego. Grupa wrocławska liczy 3 osoby: prof. dr hab. Jan Sobczyk i dwóch doktorantów: Tomasz Golan i Jakub Żmuda. Doktoranci z Wrocławia, chociaż ich specjalnością jest fizyka teoretyczna, brali także udział w pracach instalacyjnych w J-PARC.

Zbieranie danych zostało nieoczekiwanie przerwane z powodu tragicznego trzęsienia Ziemi w Japonii 11 marca 2011 r. W tym czasie w laboratorium J-PARC przebywała grupa polskich fizyków, ale na szczęście nikt nie ucierpiał.

Analiza dotychczasowych wyników zostanie oficjalnie ogłoszona 15 czerwca 2011 o 6:00 czasu polskiego. Okazało się, że mimo tego, iż eksperyment został zatrzymany, udało się dokonać niezwykle ważnego odkrycia, będącego głównym celem eksperymentu! Zmierzono bowiem wartość nieznanego dotychczas parametru modelu teoretycznego opisującego zjawisko oscylacji neutrin, tzw. kąta mieszania theta13. Jest to przedostatni nieznany jeszcze parametr tzw. Modelu Standardowego opisującego własności cząstek elementarnych i ich oddziaływań.

Żeby uzmysłowić sobie trudności związane z badaniem zjawiska oscylacji, wystarczy powiedzieć, że w okresie zbierania danych w detektorze SuperKamiokande (ok 1 rok), zarejestrowano zaledwie 88 oddziaływań neutrin, z czego 6 zidentyfikowano jako oddziaływania neutrin elektronowych. Gdyby kąt theta13 był równy zeru, tych neutrin elektronowych byłyby zaledwie 1-2. Prawdopodobieństwo tego, że fizycy nie mają do czynienia z tzw. fluktuacją statystyczną, czyli swego rodzaju „psikusem losu” wynosi 99.3%. Jest ono bardzo duże, ale zgodnie ze standardami obowiązującymi w fizyce cząstek elementarnych, pomiar ma charakter „tymczasowy”.

Pomiar dokonany w Japonii otwiera drogę do wyjaśnienia asymetrii materia-antymateria we Wszechświecie, ma więc bardzo daleko idące znaczenie poznawcze.

Eksperyment ma być ponownie uruchomiony mniej więcej za pół roku. Dalsze pomiary pozwolą na znacznie dokładniejszą analizę zjawiska oscylacji neutrin.

Jacek Przygodzki