ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2021, том 84, № 1, с. 37-39

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ПОЛЯ

ЭКСПЕРИМЕНТ T2K:

ПОСЛЕДНИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ

Институт ядерных исследований Российской академии наук (ИЯИ РАН), Москва, Россия

Поступила в редакцию 07.05.2020 г.; после доработки 07.05.2020 г.; принята к публикации 07.05.2020 г.

Международный ускорительный нейтринный эксперимент T2K (Tokai-to-Kamioka) начал набор

данных в 2010 г. и с тех пор провел 10 сеансов в нейтринном и антинейтринном режимах. В

настоящей работе представлены последние результаты анализа данных, включая первые ограничения

CP-нарушающей фазы δ_CP на уровне достоверности 3σ, а также планы по модернизации ближнего

детектора ND280.

DOI: 10.31857/S0044002720060185

1. ВВЕДЕНИЕ

тороидальных электромагнитов, окружающих гра-

фитовую мишень, заряженные мезоны фокусиру-

T2K (Tokai-to-Kamioka) — это осцилляцион-

ются в направлении распадной зоны, за которой

ный нейтринный эксперимент с длинной базой, в

расположен массивный поглотитель пучка, задер-

котором поток мюонных нейтрино и антинейтрино,

живающий всю адронную компоненту и низкоэнер-

образованных в протонном ускорительном ком-

гетичную часть мюонной компоненты пучка. Меняя

плексе J-PARC, направляется в сторону дальнего

направление импульсного тока электромагнитов,

детектора Супер-Камиоканде (SK), расположен-

можно переключаться между нейтринным и анти-

ного в 295 км [1]. Первоначально основными зада-

нейтринным режимами.

чами эксперимента T2K были открытие переходов

T2K состоит из двух ближних детекторов,

ν_μ → ν_e, т.е. подтверждение ненулевого значения

установленных на расстоянии 280 м от мишени

угла смешивания θ₁₃, и прецизионное измерение

(INGRID и ND280), и дальнего детектора SK,

параметров осцилляций ν_μ → ν_μ, однако после

который располагается на расстоянии 295 км. SK

открытия ненулевого значения θ₁₃ на передний

и один из ближних детекторов (ND280) располо-

план выступает задача поиска CP-нарушения в

жены под небольшим углом (2.5^◦) по отношению

лептонном секторе.

к оси исходного протонного пучка, благодаря чему

В данной статье кратко описывается экспери-

энергетический спектр нейтринного потока имеет

ментальная установка T2K, приводятся последние

почти монолинию, соответствующую осцилляци-

результаты эксперимента, а также планы по модер-

онному максимуму (E_ν ≈ 600 МэВ) на выбранном

низации ближнего детектора ND280.

расстоянии 295 км, при этом значительно подавля-

ется нежелательный высокоэнергичный фон.

Для контроля направления и интенсивности

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ

нейтринного пучка в реальном времени служит де-

УСТАНОВКА T2K

тектор INGRID (Interactive Neutrino GRID), уста-

новленный на оси нейтринного пучка [2]. Десяти-

Источником нейтрино в T2K является Япон-

летняя история наблюдений INGRID показывает,

ский протонный ускорительный исследовательский

что направление нейтринного пучка стабильно ле-

комплекс (J-PARC) в селении Токай, префектура

жит в узкой полосе ±0.1 мрад.

Ибараки. Поток мюонных нейтрино и антиней-

Внеосевой ближний детекторный комплекс

трино в T2K получается в результате распадов

ND280 состоит из магнита UA1, внутри которого

заряженных мезонов, образовавшихся в ядерных

в поле 0.2 Тл помещены трекер (три времяпро-

реакциях протонов с энергией 30 ГэВ, направ-

екционных камеры TPC и два высокосегменти-

ленных на специальную графитовую мишень. С

рованных сцинтилляционных детектора FGD) [3,

помощью трех последовательно расположенных

4] и другие детекторы частиц (π⁰-детектор P0D,

^*E-mail: marat@inr.ru

электромагнитный калориметр ECAL и детектор

ХАБИБУЛЛИН

мюонного пробега SMRD) [5-7]. Эта система слу-

T2K runs 1-9

жит для определения состава нейтринного пучка,

0.034

T2K + reactors

а также для ограничения систематических ошибок,

0.032

T2K only

связанных с предсказанием потока нейтрино и с

Reactor

0.030

сечениями нейтринных взаимодействий.

0.028

Дальний детектор SK представляет собой бак

0.026

с водой (диаметр 39 м, высота 41 м, полный вес

0.024

воды 50 тысяч тонн), разделенный на внутреннюю

0.022

часть, просматриваемую более 11000 фотоэлек-

0.020

тронными умножителями (ФЭУ) диаметром 50 см,

0.65

и на внешнюю часть (∼2 тысяч ФЭУ, ∅20 см).

68.27 доверительная

99.73% вероятность

SK способен различать черенковские кольца, вы-

0.60

званные мюонами и электронами, с эффективно-

стью, превышающей 99% [8]. Для синхронизации

0.55

работы ближних и дальнего детекторов использу-

ется спутниковая система навигации GPS (Global

0.50

Positioning System).

0.45

0.40

3. АНАЛИЗ ДАННЫХ И ПОСЛЕДНИЕ

РЕЗУЛЬТАТЫ T2K

в NO

T2K начал набор данных в 2010 г. и к началу

февраля 2020 г. провел 10 сеансов как в нейтрин-

-3

-2

-1

δ_CP

ном, так и в антинейтринном режимах. Всего за

это время набрана статистика, соответствующая

3.64 × 10²¹ протонов на мишени (POT): ∼55% в

Рис. 1. Ограничения на осцилляционные парамет-

нейтринном (ν) режиме, ∼45% — в антинейтрин-

ры нейтрино, полученные в эксперименте T2K после

обработки данных девяти сеансов: а — контуры дву-

ном (ν) режиме. Анализ в T2K представляет собой

мерных доверительных интервалов (68.27%) на плос-

многоэтапную процедуру, включающую в себя не

кости sin²(θ13) - δCP в предположении нормальной

только обработку реальных данных, но и модели-

иерархии масс (NO); контур, обозначенный как “T2K

рование различных процессов: от протонных вза-

only” (серая линия), был получен без использования

имодействий в графитовой мишени до нейтринных

ограничений на sin²(θ13) из других экспериментов,

взаимодействий в детекторах [9]. К началу марта

в то время как контур “T2K + reactors” (черная

2020 г. проанализировано около 86% всех данных

линия) был получен с использованием результатов

реакторных экспериментов (серая полоса); б — кон-

(сеансы 1-9), что соответствует 1.49 × 10²¹ POT в

туры двумерных доверительных интервалов (68.27%

ν-режиме и 1.64 × 10²¹ POT в ν-режиме.

и 99.73%) на плоскости sin²(θ23) - δCP в предпо-

Для получения осцилляционных параметров с

ложении NO с использованием результатов “T2K +

+ reactors”; градации оттенков серого цвета соот-

помощью специальных критериев отбираются со-

ветствуют величине функции правдоподобия (-2ln λ)

бытия в дальнем детекторе SK и формируются

для каждого значения осцилляционных параметров;

пять наборов данных: три в ν-режиме (μ-CCQE,

в —одномерные доверительные интервалы параметра

δCP для нормальной (NO) и обратной (IO) иерархий

e-CCQE, e-CC1π⁺)¹⁾ и два в ν-режиме (μ-CCQE,

масс в случае “T2K + reactors”; закрашенная полоска

e-CCQE), затем строятся функции правдоподобия.

соответствует доверительной вероятности 68.27%, а

Эти пять наборов данных анализируются одновре-

длина отрезков — доверительной вероятности 99.73%.

менно, при этом искомые параметры определяются

Рисунок из [9].

методом отношения функций правдоподобия. Для

ограничения параметров нейтринного потока, се-

чений взаимодействия и систематических погреш-

ND280, что позволяет существенно уменьшить си-

ностей используются данные ближнего детектора

стематические неопределенности (например, с 13-

17% до 4-9% для l-CCQE реакций).

¹⁾l-CCQE (Charged-Current Quasi Elastic) — процесс ква-

зиупругого взаимодействия нейтрино посредством заря-

В результате анализа данных девяти сеансов

женных токов ν_lN → lN^′, где N, N^′ — нуклоны, l — леп-

получены следующие осцилляционные параметры:

тон, например, νμn → μ^-p; e-CC1π⁺ — процесс с обра-

|Δm²³²| = (2.45 ± 0.07) × 10-3 эВ²/c⁴ и sin²(θ₂₃) =

зованием не менее одного положительного пиона νeN →

→e^-N^′π⁺.

= 0.53+0.03-0.04 — для нормальной иерархии масс (т.е.

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 84

№1

2021

ЭКСПЕРИМЕНТ T2K: ПОСЛЕДНИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

для случая m₃ > m1,2), что согласуется с результа-

ваться кремниевыми фотодиодами [11]; 2) две го-

тами других осцилляционных экспериментов. Кро-

ризонтальные времяпроекционные камеры HTPC

ме того, с использованием данных для θ₁₃ из

(сверху и снизу относительно SFGD); 3) шесть

реакторных экспериментов получены следующие

времяпролетных (ToF) панелей вокруг системы

наилучшие оценки CP-нарушающей фазы: δ_CP =

HTPC1 + SFGD + HTPC2.

= -1.89+0.70-0.58 для нормальной иерархии масс (NO)

Ожидается, что эти новшества приведут к

уменьшению систематики T2K до 3-4%; расширят

и δ_CP = -1.38+0.48-0.54 для обратной иерархии масс

аксептанс регистрации мюонов до 4π; снизят порог

(IO). Для δ_CP также вычислены 3σ доверительные

регистрации протонов до 300 МэВ/c; позволят

интервалы: [-3.41; -0.03] для NO и [-2.54; -0.32]

детектировать нейтроны и подавить фон частиц,

для IO, которые показывают, что с вероятностью

попадающих в ближний детектор снаружи.

99.73% CP-сохраняющее значение δ_CP = 0 ис-

ключается для обеих иерархий масс, а для обрат-

Автор выражает благодарность Российскому

ной иерархии исключается и значение δ_CP = π [9].

научному фонду за поддержку в виде гранта РНФ

Полученные результаты для sin²(θ₁₃), sin²(θ₂₃) и

№ 19-12-00325.

δ_CP графически представлены на рис. 1.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

4. МОДЕРНИЗАЦИЯ БЛИЖНЕГО

1. K. Abe et al. (T2K Collab.), Nucl. Instrum. Methods

ДЕТЕКТОРА ND280

A 659, 106 (2011).

2. K. Abe et al. (T2K Collab.), Nucl. Instrum. Methods

Основными факторами, ограничивающими чув-

A 694, 211 (2012).

ствительность эксперимента T2K к значению CP-

3. N. Abgrall et al., Nucl. Instrum. Methods A 637, 25

нарушающей фазы δ_CP , являются систематиче-

(2011).

ские погрешности, связанные с неопределенностя-

4. P. A. Amaudruz et al., Nucl. Instrum. Methods A

ми сечений нейтринных взаимодействий. Улучше-

696, 1 (2012).

ния точности измерения этих сечений можно до-

5. S. Assylbekov et al., Nucl. Instrum. Methods A 686,

стичь уменьшением сегментации активной мишени,

48 (2012).

в которой происходят нейтринные взаимодействия.

6. D. Allan et al., JINST 8, P10019 (2013).

Для достижения этой цели в 2021 г. планирует-

7. S. Aoki et al., Nucl. Instrum. Methods A 698, 135

ся проведение модернизации ближнего детектора

(2013).

ND280 [10], которая заключается в том, что вместо

8. S. Fukuda et al. (Super-Kamiokande Collab.), Nucl.

детектора P0D будут установлены три новые си-

Instrum. Methods A 501, 418 (2003).

стемы: 1) активная трехмерная нейтринная мишень

9. K. Abe et al. (T2K Collab.), Nature 580, 339 (2020);

SFGD примерно из 2 млн сцинтилляционных ку-

https://doi.org/10.1038/s41586-020-2177-0;

биков (192 × 184 × 56 кубиков, каждый объемом

arXiv:1910.03887.

1 см³), свет с которых будет собираться спек-

10. K. Abe et al., arXiv:1901.03750.

11. A. Blondel et al., JINST 13, P02006 (2018).

тросмещающими оптическими волокнами и считы-

EXPERIMENT T2K: LATEST RESULTS AND PERSPECTIVES

M. Khabibullin

Institute for Nuclear Research of the Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia

The long-baseline accelerator neutrino experiment T2K (Tokai-to-Kamioka) in Japan has started data

taking in 2010 and carried out 10 runs in neutrino and antineutrino modes. In this talk the latest results,

including the first 3σ constraints on the CP-violating phase δ_CP , and future plans on the upgrade of the

near detector ND280 are presented.

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА том 84

№1

2021