• Artykuły
  • Forum
  • Ciekawostki
  • Encyklopedia
  • Eksperyment T2K - nowa era w badaniu fundamentalnych własności przyrody

    26.02.2010. 18:38
    opublikowane przez: Piotr aewski-Banaszak

    Wiązka neutrin - cząstek elementarnych o zerowym ładunku elektrycznym - wytworzona w ramach eksperymentu T2K przeleciała przez warstwę ziemi grubości niemal 300 km i wywołała pierwszy błysk w japońskim detektorze Super-Kamiokande. Eksperyment ma pomóc wyjaśnić tajemnice tzw. zjawiska oscylacji neutrin. Biorą w nim udział naukowcy z kilkunastu państw, w tym z Polski.

    Jak informuje rzecznik Instytutu Problemów Jądrowych w Świerku dr Marek Pawłowski, w ramach eksperymentu T2K (Tokai to Kamioka) w japońskim detektorze Super-Kamiokande zarejestrowano ślad pierwszego neutrina pochodzącego z laboratorium J-PARC w Tokai. Wiązka neutrin bez przeszkód pokonała warstwę ziemi grubości 295 km. Eksperyment T2K otwiera nową erę w badaniu fundamentalnych własności przyrody.

    "Dla fizyków zajmujących się neutrinami projekt T2K ma taką rangę, jak akcelerator LHC dla badaczy protonów i kwarków" - mówi prof. Danuta Kiełczewska z Instytutu Problemów Jądrowych w Świerku i Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego.

    Dr Pawłowski wyjaśnia, że neutrina oddziałują za pomocą oddziaływań grawitacyjnych i jądrowych słabych. Grawitacja w świecie cząstek elementarnych nie odgrywa obecnie żadnej roli, a oddziaływania jądrowe słabe mają zasięg 1000 razy mniejszy od rozmiarów protonu. Czynniki te powodują, że neutrina muszą znaleźć się niezwykle blisko innych cząstek, by mogły one zareagować na ich obecność. W rezultacie, aby mieć pewność zatrzymania neutrina, należałoby zbudować tarczę z ołowiu grubości tysięcy lat świetlnych.

    "Laboratorium w Tokai będzie wytwarzać najsilniejsze wiązki neutrin na świecie, mimo to spodziewamy się, że w podziemnym detektorze Super-Kamiokande będziemy rejestrować tylko pojedyncze zdarzenia" - mówi prof. Agnieszka Zalewska z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie.

    Badania neutrin cieszą się zainteresowaniem fizyków z powodu intrygującej zagadki. W przyrodzie występują trzy rodzaje neutrin, różniące się masą: elektronowe, mionowe i taonowe. Gdy w 1967 roku w kopalni złota Homestake w Południowej Dakocie przeprowadzono pierwsze pomiary liczby neutrin elektronowych, powstających na Słońcu w wyniku reakcji termojądrowych, uzyskano wynik trzykrotnie niższy od oczekiwanego. Z kolei na przełomie wieków w detektorze Super-Kamiokande mierzono liczbę neutrin mionowych tworzących się podczas oddziaływania promieniowania kosmicznego z ziemską atmosferą. Wyniki zależały od kierunku obserwacji: neutrin napływających z góry było dwukrotnie więcej niż napływających z dołu. Rezultaty te tłumaczy się obecnie oscylacjami neutrin.

    "Oscylacje neutrin są efektem ze świata kwantów, gdzie cząstki mogą przebywać w stanie będącym mieszaniną kilku różnych stanów. Na co dzień jesteśmy przyzwyczajeni do tego, że dany obiekt ma ściśle określoną, niezmienną masę. Fizycy przypuszczają jednak, że neutrina znajdują się w mieszaninie stanów o różnych masach. Stany te ciągle oscylują" - tłumaczy rzecznik IPJ. W rezultacie tam, gdzie dominuje jeden stan, obserwujemy neutrino o odpowiadającej mu masie, a nieco dalej, gdzie dominuje drugi lub trzeci stan, widzimy neutrino o innej masie - a więc innego typu.

    Podstawowym celem eksperymentu T2K jest zbadanie zjawiska oscylacji neutrin. Wiązka tych cząstek, wytwarzana w synchrotronie w laboratorium w Tokai, trafia do znajdującego się w odległości zaledwie 280 m tzw. detektora bliskiego, a następnie przelatuje przez warstwę ziemi grubości niemal 300 km do detektora dalekiego, którym jest Super-Kamiokande. Fizycy spodziewają się, że pomiary liczby neutrin poszczególnych typów w obu detektorach będą różne i pozwolą lepiej poznać charakter oscylacji.

    "Problem w tym, że oscylacje neutrin mogą zachodzić tylko wtedy, gdy neutrina mają masę, co bardzo trudno wytłumaczyć za pomocą obecnych teorii" - mówi prof. Agnieszka Zalewska. Fizycy starają się znaleźć głębszą teorię badając zjawiska zachodzące w zderzeniach protonów w akceleratorze LHC, ale jest możliwe, że na jej trop uda się wpaść dzięki obserwacjom neutrin w eksperymencie T2K.

    Dr Pawłowski wyjaśnia, że polscy naukowcy w eksperymencie T2K współpracowali przy budowie i uruchamianiu elementów bliskiego detektora ND280. Detektor ten znajduje się w Tokai, w odległości 280 m od źródła neutrin i pierwsze ślady przelotów neutrin zarejestrował już w listopadzie ubiegłego roku.

    Jednym z najważniejszych elementów ND280 jest rozległy detektor mionów SMRD (Side Muon Range Detector). Zadanie SMRD polega na rejestrowaniu mionów, cząstek powstających w wyniku oddziaływania neutrin z materią. Zespół inżynierów i techników z Instytutu Fizyki Jądrowej w Krakowie opracował system montażu rosyjskich elementów tego detektora, a w ich przygotowaniu i instalacji uczestniczyła także grupa z Instytutu Problemów Jądrowych w Świerku.

    Z kolei grupa teoretyków z Uniwersytetu Wrocławskiego przygotowuje symulacje komputerowe, których wyniki pozwalają precyzyjniej optymalizować aparaturę, a w przyszłości ułatwią interpretację zebranych danych o przelotach neutrin. W badaniach uczestniczą także naukowcy z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, Uniwersytetu Śląskiego i Politechniki Warszawskiej.

    W sumie w skład międzynarodowego zespołu naukowego odpowiedzialnego za eksperyment T2K wchodzi 508 fizyków z 62 instytucji naukowych z 12 krajów.

    Źródło:
    PAP - Nauka w Polsce

    Czy wiesz ĹĽe...? (beta)
    OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus – Oscylacyjny Projekt z użyciem Emulsyjnego Rejestrującego Aparatu) – eksperyment fizyczny przeprowadzony w podziemnym laboratorium w Gran Sasso we Włoszech, z wykorzystaniem wiązki neutrin produkowanej w CERN przez tamtejszy Supersynchrotron Protonowy. Przeznaczony do badania zjawiska oscylacji neutrin, przede wszystkim do zaobserwowania zjawiska pojawiania się neutrin taonowych w wiązce złożonej początkowo z neutrin mionowych. T2K (ang. Tokai to Kamioka) - eksperyment z dziedziny fizyki cząstek elementarnych badający oscylacje neutrin, prowadzony w Japonii. Problem neutrin słonecznych (ang. Solar Neutrino Problem) – rozbieżność pomiędzy zmierzoną liczbą neutrin słonecznych docierających do Ziemi ze Słońca a teoretycznym modelem wnętrza Słońca. Problem pojawił się w połowie lat 60. XX wieku, a udało się go rozwiązać dopiero w roku 2002 dzięki lepszemu zrozumieniu fizyki neutrin. Wymagało to modyfikacji fizyki cząstek elementarnych.

    KamLAND (Kamioka Liquid Scintillator Antineutrino Detector) – eksperyment neutrinowy, badający oscylacje neutrin reaktorowych. Detektor o masie 1000 ton, wypełniony ciekłym scyntylatorem i zawierający ok. 1850 fotopowielaczy, znajduje się w Japonii w kopalni w Kamioce (na miejscu detektora Kamiokande). Oscylacje neutrin – zjawisko zaproponowane, aby wyjaśnić zbyt małą liczbę neutrin pochodzących ze Słońca obserwowanych na Ziemi (tzw. problem neutrin słonecznych).

    Neutrino sterylne – hipotetyczna cząstka elementarna mająca tworzyć ciemną materię. Miałaby ona należeć do neutrin – cząsteczek o zerowym ładunku elektrycznym. Czasem neutrino sterylne traktowane jest jako czwarta generacja neutrin (obok neutrina elektronowego, mionowego i taonowego). Jego charakterystyczną cechą jest to, że oddziałuje z materią tylko grawitacyjnie. Jest oznaczane symbolem nS. Astronomia neutrinowa – gałąź astronomii, w której obserwacje obiektów na niebie prowadzi się poprzez detekcję neutrin emitowanych przez te ciała niebieskie. Neutrina produkowane są we wnętrzach gwiazd, w szczególności w czasie wybuchu supernowej. Ich źródłem są zachodzące tam reakcje termojądrowe. Astronomia neutrinowa daje możliwość obserwacji obszarów nieobserwowalnych przez jakiekolwiek teleskopy, nie tylko optyczne. Astronomia ta jest na początku swego rozwoju i jak dotychczas zarejestrowano tylko dwa kosmiczne źródła neutrin: Słońce oraz supernową SN 1987A.

    Sudbury Neutrino Observatory (SNO) – podziemny detektor neutrin ulokowany głęboko pod ziemią. Znajduje się w pobliżu Sudbury w Kanadzie w prowincji Ontario. W SNO prowadzono między innymi podziemny eksperyment od listopada 1999 r. do stycznia 2001 r. SNO jest obecnie modyfikowany w przygotowaniu do eksperymentu „SNO+”. Fizyka poza modelem standardowym - aspekty fizyki teoretycznej, próbujące wyjaśnić niedoskonałości modelu standardowego, takie jak: pochodzenie masy, naruszenie parzystości ładunku, oscylacje neutrin, asymetrię materii i antymaterii oraz naturę ciemnej materii i ciemnej energii. Dodatkową trudność sprawia aparat matematyczny samego modelu standardowego, który jest niespójny z ogólną teorią względności w punktach, w których jedna lub obie teorie załamują się przy określonych warunkach (np. w osobliwościach czasoprzestrzeni takich jak Wielki Wybuch czy horyzont zdarzeń czarnej dziury).

    Super-Kamiokande albo Super-K – wodny detektor promieniowania Czerenkowa o masie 50 000 ton, znajdujący się w kopalni niedaleko miejscowości Kamioka w Japonii. Kontynuacja prowadzonego w latach 1983-1995 eksperymentu Kamiokande (Kamioka Nucleon Decay Experiment) z mniejszym 3000-tonowym detektorem.

    Gargamelle – nazwa dużej komory pęcherzykowej, użytej w latach 70. XX wieku w CERN do badania oddziaływania neutrin z innymi cząstkami elementarnymi. Zbudowana we Francji, o średnicy niemal 2 metrów i długości 4,8 metra, Gargamelle mieściła prawie 12 m freonu. Ciężki płyn został użyty zamiast popularniejszego ciekłego wodoru, co zwiększyło szansę na oddziaływanie neutrino z innymi cząstkami, a także ułatwiło odróżnienie mionów od pionów.

    Pi of the Sky – naukowy projekt badawczy powstały z inicjatywy prof. Bohdana Paczyńskiego służący do automatycznej obserwacji nieba w poszukiwaniu rozbłysków optycznych pochodzenia kosmicznego. Aparatura zainstalowana jest w obserwatorium Uniwersytetu Warszawskiego w Las Campanas Observatory na pustyni Atacama w Chile. W realizacji projektu uczestniczy zespół naukowców i inżynierów z Instytutu Problemów Jądrowych im. Andrzeja Sołtana, Instytutu Fizyki Doświadczalnej UW, Instytutu Systemów Elektronicznych Politechniki Warszawskiej, Wydziału Fizyki Politechniki Warszawskiej, Centrum Fizyki Teoretycznej PAN i Centrum Badań Kosmicznych PAN. Program Pi of the Sky działa od 2004 roku. Gorąca ciemna materia – jeden z rodzajów ciemnej materii. Składa się z cząstek poruszających się z prędkościami relatywistycznymi. Najlepszym kandydatem na gorącą ciemną materię są neutrina. Mają bardzo małą masę, nie uczestniczą ani w elektromagnetycznych, ani w silnych jądrowych oddziaływaniach, są zatem bardzo trudno wykrywalne.

    ANTARES – francuski detektor neutrin (teleskop neutrinowy). Nazwa jest akronimem od Astronomy with a Neutrino Telescope and Abyss Environmental Research. Detektor cząstek elementarnych jest szczególnym przypadkiem detektora promieniowania jądrowego, służącym do wykrywania obecności i badania własności indywidualnych cząstek elementarnych o wysokich energiach, z reguły przekraczających kilka MeV. Najczęściej detektory cząstek elementarnych wykorzystywane są do detekcji produktów zderzeń cząstek rozpędzonych w akceleratorze lub pochodzących z promieniowania kosmicznego.

    Dodano: 26.02.2010. 18:38  


    Najnowsze