Polski udział w japońskim eksperymencie T2K

Międzynarodowy zespół naukowców współpracujących przy eksperymencie T2K ogłosił dziś w czasopiśmie Nature znaczące wyniki badań, które poszerzają wiedzę na temat braku symetrii pomiędzy materią i antymaterią. Polscy naukowcy z sześciu ośrodków, współpracujący w ramach Polskiej Grupy Neutrinowej, wnieśli wkład w uzyskanie zaprezentowanych wyników.

Eksperyment T2K (Tokai-to-Kamioka) zlokalizowany jest w Japonii i służy badaniu neutrin – niemal bezmasowych, pozbawionych ładunku elektrycznego, niezmiernie trudnych do obserwacji cząstek elementarnych. Ich istnienie zostało przewidziane teoretycznie 90 lat temu przez Wolfganga Pauliego, a zostało potwierdzone eksperymentalnie 26 lat później. Mimo, że od tego czasu minęły już 64 lata, niektóre własności neutrin nadal stanowią zagadkę dla naukowców. W Japonii, neutrina produkowane w wyniku bombardowania tarczy grafitowej przez protony rozpędzone w akceleratorze J-PARC w mieście Tokai, są obserwowane najpierw zaraz po wytworzeniu w bliskim detektorze ND280, a następnie prawie 300 km dalej w wielkim detektorze Super-Kamiokande zbudowanym w sztolni dawnej kopalni cynku w Kamioka. Naukowcy z ponad 60 instytucji z Azji, Ameryki Północnej i Europy badają przede wszystkim zmiany zachodzące w składzie wiązki neutrin po przebyciu drogi od miejsca powstania do miejsca końcowej obserwacji. Rezultat opisany w ostatnim numerze czasopisma Nature (szczegóły w osobnym komunikacie współpracy T2K) to efekt wieloletnich wyrafinowanych pomiarów i zaawansowanych analiz. W działaniach tych brali udział także Polacy.

Udział polskich zespołów naukowych w eksperymencie rozpoczął się w 2006 r. od zaangażowania w budowę bliskiego detektora ND280. W skład Polskiej Grupy Neutrinowej (PGN) wchodzą zespoły z Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach (UŚ), Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie (IFJ), Narodowego Centrum Badań Jądrowych w Otwocku i Warszawie (NCBJ), Politechniki Warszawskiej (PW), Uniwersytetu Warszawskiego (UW) i Uniwersytetu Wrocławskiego (UWr). „Przedstawiciele wszystkich tych sześciu instytucji wspólnie uczestniczą w pracach T2K” – mówi prof. Ewa Rondio (NCBJ), reprezentująca polskich naukowców we władzach współpracy T2K. „Od początku działamy razem i dzielimy się zadaniami. Mamy też wspólne finasowanie udziału w eksperymencie ze środków Ministerstwa Nauki, z grantów NCN, a także z grantów na mobilność w ramach UE.”

Polscy fizycy są wszechstronnie zaangażowani w działalność eksperymentu T2K, począwszy od budowy i obsługi aparatury pomiarowej, poprzez rozwijanie oprogramowania, zbieranie danych, prowadzenie analiz, aż po przewodniczenie grupom roboczym i udział w komitetach doradczych i zarządzających współpracą. „Historia naszego udziału w eksperymencie sięga roku 2006, kiedy był on dopiero przygotowywany” wspomina pani profesor Rondio. „W latach 2006-2009 polscy naukowcy uczestniczyli w projektowaniu i budowie jednego z podzespołów bliskiego detektora ND280 – detektora do pomiaru zasięgu mionów, a w kolejnych latach odpowiadaliśmy też za jego sprawne działanie i obsługę.”

Fizycy z PGN uczestniczyli także w projekcie mierzącym czas przelotu neutrin pomiędzy detektorem bliskim a dalekim. W 2018 roku przejęli nadzór nad działaniem jednego z kluczowych podzespołów ND280 – detektora scyntylacyjnego FGD, w którym rejestrowane są oddziaływania neutrin. Polski zespół bierze czynny udział w zbieraniu danych w Japonii. Naukowcy pełnią m.in. odpowiedzialną funkcję kierownika zmiany. Są także zaangażowani w prowadzone obecnie prace nad unowocześnieniem bliskiego detektora, m.in. w zakresie testowania nowatorskich podzespołów do detektorów cząstek.

W Polsce rozwijane jest też używane przez współpracę oprogramowanie komputerowe. W wielu analizach wykorzystywany jest generator oddziaływań neutrin NuWro, stworzony we Wrocławiu. Jest to elastyczne narzędzie umożliwiające włączanie do obliczeń najnowszych modeli teoretycznych. Przygotowane zostały także symulacje zewnętrznego tła oraz rozwinięto metody rekonstrukcji oddziaływań neutrin w detektorze ND280. Polacy są także odpowiedzialni za część zadań związanych z kontrolą jakości zbieranych danych i ich kalibracją, zarówno w bliskim, jak i w dalekim detektorze. Naukowcy pracują nad wyznaczaniem niepewności systematycznych związanych z efektami detektorowymi.

W zakresie analizy danych wysiłki polskiego zespołu koncentrują się na detektorze ND280 i pomiarach oddziaływań neutrin. „Wkraczamy też w analizy danych zebranych przez detektor Super-Kamiokande” wyjaśnia pani profesor. „Warto również dodać, że dokładność pomiaru parametrów oscylacji neutrin w T2K, w tym wyniku opublikowanego w Nature, istotnie zależy od jak najlepszego modelowania wiązki neutrin i antyneutrin. Uzyskuje się to na drodze dedykowanych pomiarów prowadzonych w eksperymencie NA61/SHINE w CERN z dużym udziałem polskich grup w zbieraniu i analizie danych.”

Polscy uczestnicy są zauważani i doceniani we współpracy. Członkowie Polskiej Grupy Neutrinowej pełnili lub pełnią ważne funkcje koordynatorów grup roboczych oraz zasiadali lub zasiadają także w komitetach doradczych (Analysis Steering Group, Future Neutrino Panel) i zarządzających współpracą (Publication Board, ND280 G4 Committee, Executive Committee). Badacze z PGN regularnie reprezentują współpracę T2K na międzynarodowych konferencjach z dziedziny fizyki cząstek elementarnych. Udział w T2K stworzył młodym polskim naukowcom okazję napisania około dziesięciu ciekawych rozpraw doktorskich i habilitacyjnych, oraz ponad dziesięciu magisterskich.