T2K

T2K (Tokai to Kamioka) est une expérience de physique des particules située au Japon, dans laquelle collaborent de nombreux pays, avec une forte contribution de l'Europe (50% des collaborateurs). Il s'agit d'une expérience d'oscillation de neutrinos mesurant un faisceau de neutrinos muoniques à courte (280m) et à longue distances (295km). Elle prend la suite de l'expérience K2K. L'accélérateur J-PARC basé à Tokai produit le faisceau, qui pointe vers le détecteur lointain Super-Kamiokande. A noter que le faisceau est hors axe de 2,5°, permettant d'avoir un spectre plus piqué et à une énergie plus appropriée aux oscillations, et également de réduire le bruit de fond. Le but principal de T2K est de mesurer l'oscillation des neutrinos muoniques en neutrinos électroniques afin de mesurer θ₁₃, le dernier paramètre de la Matrice PMNS non mesuré.

Objectifs physiques

Le but de l'expérience T2K est d'avoir une compréhension plus complète des paramètres d'oscillation. Les expériences précédentes ont observé la disparition des neutrinos muoniques, expliquée par leur oscillation en neutrinos tau. Mais l'oscillation vers les neutrinos électroniques n'a jamais été observée, l'angle de mélange θ₁₃ dont dépend sa probabilité étant trop petit, voire nul. Or la nullité de cet angle aurait de grandes conséquences en physique, que ce soit théorique pour l'expliquer ou cosmologique, le neutrino ayant un rôle déterminant dans l'histoire de l'Univers. T2K espère donc être la première expérience à le mesurer.

Si ce dernier était trouvé à une valeur suffisamment élevé, l'expérience entrerait dans une deuxième phase, avec un faisceau plus intense, afin de chercher si la symétrie CP est conservée dans le secteur leptonique. Elle comparerait pour ce faire les oscillations de neutrinos et d'anti-neutrinos.

Les mesures très précises des paramètres de mélange Δm²₂₃ et θ₂₃ constituent des objectifs secondaires de T2K.

Production des Neutrinos

J-PARC

J-PARC est un nouvel accélérateur de particules plus puissant que KEK utilisé dans l'expérience K2K. Le synchrotron sera finalement capable d'accélérer des protons de 50 GeV /C. Les protons en collision sur une cible de carbone produiront des pions qui se désintègrent en muons qui, à leur tour, se désintègrent en neutrinos muoniques. La puissance du faisceau devrait être de 0,75 MW et fournir 110 fois plus d'événements de neutrinos que K2K.

Hors axe

Le faisceau de neutrinos à J-PARC est conçu de sorte qu'il forme un angle de 2.5° par rapport au détecteur lointain Super Kamiokande. Cela réduit le flux de neutrinos qui atteignent le détecteur, mais offre un spectre d'énergie plus approprié aux oscillations de neutrino. Hors axe, l'énergie de pointe est faible, les énergies plus élevées étant supprimées. A la distance entre Tokai et Kamioka, l'oscillation maximale des neutrinos devrait se produire à des énergies inférieures à 1 GeV.

Détecteur proche

Le détecteur proche (ND280) est un détecteur segmenté composé de plusieurs sous-détecteurs. Il comprend un trajectomètre, un calorimètre et un détecteur de pions entourés par l'aimant de l'expérience UA1 et d'un détecteur de muons afin de contrôler le faisceau. ND280 sera en mesure de mesurer le spectre d'énergie de faisceau de neutrinos, son flux, le contenu en saveur, et les sections efficaces d'interaction avant l'oscillation des neutrinos.

Trajectomètre

Il est composé de 3 TPCs et de 2 FGDs entrelacés.

La chambre à projection temporelle (Time Projection Chamber ou TPC) sera capable de mesurer le moment des particules produites dans le détecteur. Les détecteurs à grains fins (Fine-Grained Detector ou FGD) constitueront la cible des interactions des neutrinos et pourront mesurer la courte trace du proton de recul. Le second FGD est partiellement composé d'eau afin de pouvoir comparer les sections efficaces du détecteur proche et du détecteur loitain (Super-Kamiokande, composé exclusivement d'eau) sur des noyaux équivalents.

Ce trajectomètre détectera les courants quasi-elastiques afin de mesurer le flux et le spectre des neutrinos muoniques avant oscillation, des autres courants chargés afin d'évaluer les erreurs de reconstruction de l'énergie dans Super-Kamiokande, des courants neutres et de la contamination du faisceau en neutrinos électroniques qui constituent les bruits de fond principaux de l'expérience.

Pi Zero

Le détecteur Pi Zero est composé de couches de scintillateurs et de plomb utilisé pour mesurer les pions neutres produits dans les interactions de courant neutre.

Super Kamiokande

Le détecteur Super-Kamiokande est massif, même selon les normes de physique des particules. Il se compose de 50.000 tonnes d'eau pure entourée d'environ 11.200 photomultiplicateurs. Le détecteur est conçu comme une structure cylindrique de 41.4 m de haut et 39,3 m de diamètre. Le détecteur a été entouré d'un détecteur externe afin d'agir comme veto pour les muons cosmiques. La prise de données de Super Kamiokande a commencé en 1996 et a fait plusieurs mesures importantes. Il s'agit notamment de mesure de précision du flux des neutrinos solaires, la première preuve très forte d'oscillation des neutrinos et une limite considérablement plus stricte sur la désintégration du proton.

Collaboration avec l'expérience NA61

Le faisceau de neutrinos dérive du faisceau secondaire de pions (et d'une partie de kaons). Or, la détection de ce faisceau secondaire est limité dans T2K, du fait de l'intensité du faisceau. T2K est donc en synergie avec l'expérience du CERN NA61/SHINE. Cette dernière utilise le faisceau de protons du SPS (Super Proton Synchrotron), qui interagit avec une réplique exacte de la cible de carbone du faisceau de T2K, à la même énergie. Mais NA61 est instrumenté de façon à reconstruire complètement les informations des mésons, que ce soit leur identification, leur moment ou leur angle. Ces informations sont ensuite intégrées dans l'analyse de T2K. Le faisceau secondaire de T2K est ainsi connu avec une meilleure précision, permettant de diminuer sensiblement les erreurs systématiques.

Voir aussi

• K2K
• Oscillation de neutrinos
• NA61/SHINE

Liens externes

• Official T2K site
• Super-Kamiokande

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