T2K实验

**T2K** 意思為東海（Tokai）到神岡（Kamioka），是日本一個粒子物理學實驗，這是國際合作項目，包括日本，加拿大，法國，德國，義大利，韓國，波蘭，俄羅斯，西班牙，瑞士，美國和英國。 這是 K2K 實驗的第二代，另一個相似的長基線中微子振盪實驗。

J-PARC 設施製造高密度的離軸 μ 介子中微子束。該粒子束指向 295 公里外的超級神岡探測器。T2K 的主要目標是測量 ν 

μ 到 ν 

e 的振盪和 _θ_13 的測量值，它是龐蒂科夫 - 牧 - 中川 - 坂田矩陣 (PMNS 矩陣) 的一個參數。

2011 年 6 月 15 日，T2K 合作組織宣觀察到六個電子中微子的事例 ，相比於基底 1.5、顯著性為 2.5 個標準差。

2013 年 7 月 19 日，在斯德哥爾摩的歐洲物理學會的一次會議上，國際 T2K 合作組織宣布一個顯著的 μ 子中微子到電子中微子的轉變。

## 物理學目標

T2K 實驗的目標是對中微子的振盪的參數有一個更完善的了解。 過去的中微子實驗觀察到過 μ 子中微子在一束射流中消失，並振盪為 τ 子中微子，但一直到 2013 年 7 月 19 日都沒有沒有觀察到從 μ 子中微子到電子中微子的振盪。原因是控制這個衰變事例概率的混合角 _θ_13 非常的小。T2K 是測量電子中微子和 μ 子中微子性質的第一次試驗。T2K 的 ND280 探測器會探測水上的中微子相互作用截面。其他的中微子混合參數 Δm2
23
和 _θ_23 的精確測量是本實驗的另一個目的。T2K 的未來的升級可能會通過比較中微子和反中微子的振盪來測量 CP 破壞 _δ_ 相。

## 中微子的產生

### J-PARC

J-PARC 設施有一個比 KEK 的 K2K 實驗更強的加速器。主要的同步加速器最終能將質子加速到 50 GeV/_c_。質子與目標材料撞擊主要會產生的正 π 介子，而它主要會衰變成反 μ 子和 μ 子中微子。射流能量預計為 0.75 MW，能產生比 K2K 多 110 倍的中微子事例。

### 離軸

J-PARC 被設計成距離超級神岡探測器有 2° 到 3°。這降低到達探測器的中微子通量，但它提供了一個更理想的中微子能量譜。 離軸能量峰值在能量更高的時候被抑制。 在東海和岡之間，最強的中微子的振盪能量預期低於 1GeV。

## 近檢測器

280 米近探測器 (ND280) 與石墨靶之間是取自 UA1 實驗的磁鐵包圍的跟蹤系統內的分段探測器。ND280 能夠測量的中微子束的能量譜、通量、味的內容以及在中微子振盪之前的相互交叉部分。 探測器位於靶的離軸方向 280 米外。

### 時間投影室

三個時間投影室 (TPCs) 將能夠測量探測器內由帶電流產生的 μ 子的動量，這些信息會產生的中微子的能量譜。TPCs 也可用於粒子的識別。

### 細粒度探測器

兩個細粒度探測器 (FGDs) 被放在第一個第二個 TPCs 里。 FGDs 和 TPCs 一起構成了 ND280 的探測部分。FGDs 為中微子交互提供的活躍的靶質量並能夠測量質子反衝的短軌道。

第一 FGD 由 30 層 192 段閃爍體組成，交替其中的是垂直和水平的層，而第二個 FGD 是由 14 個交替層分段的閃爍體和 6 個水模組組成。 每個閃爍體在中心有一個洞，包含一個波長轉換纖維來收集來自閃爍體的光並且在 MPPC 的一端被讀出。纖維鏡像的另一端對映著鋁，以便增加整體到達 MPPC 的光通量。鏡像一段還有一個 LED 光注入系統，用以校準和測試纖維的完整性。 第二 FGD 部分由水組成，因為超級神岡的探測器是以水為基礎的。這水被維持在大氣壓強之下 ，以確保在漏氣的情況下氣體會被吸入而不是水在 FGD 內會溢出。 碳和水上的截面可以從中微子和兩個 FGD 的相互作用的比較中得出。

### π0 探測器

π0 探測器 (π0 
) 是由幾層三角形閃爍體和用來傳輸光的嵌入的波長轉換光纖。成千上萬的光電倍增管 (MPPC) 被用於接收光子計數同步以檢測的粒子事件。這些粒子事例與質子束出射計時相關並用幾何學和光子計數的密度數據來重建。P0D 被用來衡量中性流相互作用中產生的中性 π 介子。跟蹤器和 π0 探測器被電磁量能器和 μ 子探測器包圍。 探測 π0 是重要的，因為它們是在超級神岡探測中微子的主要本底。

### 側 μ 子範圍探測器

側 μ 子範圍探測器 (SMRD) 由在間隙中插入磁鐵的閃爍體組成。SMRD 記錄與束流方向大角度從探測器內部逃逸的 μ 子。 它也可以作為宇宙線的觸發器。它也可幫助識別在壁上的和磁鐵本身的束流的相互作用。

### 電磁量能器

電磁量能器 (ECAL) 包裹了內部探測器 (P0D,TPC,FGD)，由閃爍體，閃爍體層與層間吸收用的鉛箔組成。ECAL 有 13 個模組：1 個最後的 TPC 的下游，6 個周圍的 P0D 和六 6 個圍的跟蹤器。

### 數據採集

檢測器附近的 T2K 的數據收集的實施是由英國、加拿大和西班牙的合作者在 MIDAS 上完成的。

## 超級神岡

超級神岡探測器即便在粒子物理學標準下一個也是一個巨大的儀器。 它包括 50,000 噸純水，周圍有 11,200 個光電倍增管。探測器是一個 41.4 米高和直徑 39.3 米的圓柱形容器。內部探測器之外是更複雜的外探測器，用來區分宇宙線中的 μ 子和探測器內衰變事例產生等 μ 子。

超級神岡在 1996 年開始收集數據並已經有了幾個重要的測量成果，包括精確測量太陽中微子通量，彈性散射相互作用，中微子振盪的強有力的證據和質子衰減的更嚴格的證據。

## 計算

合作組在調查實驗所需的網格計算資源提供的計算能力。 這是受大型強子對撞機實驗上大型強子對撞機的網格計算 (wLCG) 的成功所啟發。 T2K.org 的虛擬組織已經從 France Grilles，GridPP 和 IberGrid 獲得資源。

## 參見

* 神岡觀測站

## 標註

## 參考文獻

* Yuichi Oyama. Results from K2K and status of T2K. Nuclear Science and Safety in Europe. NATO Security through Science Series. 2006, **2006**: 113–124. ISBN 978-1-4020-4964-4. arXiv:hep-ex/0512041 . doi:10.1007/978-1-4020-4965-1\_9.
* T2K Collaboration; Abgrall, N.; Aihara, H.; Ajima, Y.; Albert, J. B.; Allan, D.; Amaudruz, P. -A.; Andreopoulos, C.; Andrieu, B.; Anerella, M. D.; Angelsen, C.; Aoki, S.; Araoka, O.; Argyriades, J.; Ariga, A.; Ariga, T.; Assylbekov, S.; de André, J. P. A. M.; Autiero, D.; Badertscher, A.; Ballester, O.; Barbi, M.; Barker, G. J.; Baron, P.; Barr, G.; Bartoszek, L.; Batkiewicz, M.; Bay, F.; Bentham, S.; et al. The T2K Experiment. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment. 2011, **659**: 106. Bibcode:2011NIMPA.659..106T. arXiv:1106.1238 . doi:10.1016/j.nima.2011.06.067.

## 外部連結

* T2K 官方網站（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）（日文）
* 超級神岡（日文）