L’expérience T2K redémarre avec un détecteur proche amélioré

L’expérience T2K a commencé à prendre des données en utilisant un faisceau de neutrinos amélioré et un détecteur proche mis à niveau à partir de décembre 2023. Pour cette nouvelle prise de données, l'accélérateur et la ligne de faisceau de neutrinos de KEK/J-PARC ont été modernisés afin d’augmenter la puissance du faisceau jusqu’à l’intensité record d’environ 760 kW, soit une augmentation d'environ 40 % par rapport à la période précédente. De plus, le courant appliqué aux aimants de focalisation ( « cornes » électromagnétiques) est passé de 250 à 320 kA, ce qui a permis d'augmenter le flux de neutrinos de 10 %.

Pour bénéficier au mieux de ce faisceau intense, la collaboration T2K a également installé de nouveaux détecteurs de neutrinos capables de mesurer les interactions des ces particules avec une précision bien plus grande qu'auparavant. Les nouveaux détecteurs comprennent le Super-FGD, qui détecte les traces autour d'un point d'interaction à l'intérieur du détecteur, les High-Angle TPC, qui mesurent l’impulsion des particules émises à grand angle, et le Time-Of-Flight, qui mesure précisément les temps de passage des particules. Les premières interactions de neutrinos dans ces nouveaux détecteurs ont été observées avec succès lors de la prise de données commencée en fin d’année 2023.

De nouveaux détecteurs proches pour T2K

La mise à niveau du détecteur proche « hors axe » de T2K est un projet qui a débuté en 2017 et qui a impliqué la plupart des collaborateurs de T2K venant de nombreux pays, dont la France avec l’IN2P3. 

Cette amélioration apporte plusieurs nouveaux détecteurs qui complètent le système de trajectographie du détecteur ND280 composé de 3 chambres à projection temporelle et de 2 cibles pour les interactions de neutrinos (FGD).

Le Super-FGD, d'une masse d'environ 2 tonnes de volume sensible, est situé au centre du nouveau système de détection. Il possède une structure innovante composée d'environ 2 millions de cubes de 1 cm³ de scintillateur en plastique, comportant chacun 3 trous. Grâce aux environ 56 000 fibres optiques qui pénètrent les cubes dans trois directions et aux photodétecteurs situés aux extrémités de ces fibres, les trajectoires des particules chargées peuvent être reconstituées avec une  haute résolution à partir des trois projections. En dessous du Super-FGD, une première chambre à projection temporelle à grand-angle (HA-TPC) a été installée. La HA-TPC est un détecteur gazeux composé de deux cages de champ qui produisent un champ électrique uniforme et qui utilise, comme système de lecture, des modules Micromegas résistifs, un détecteur innovant qui permet une excellente reconstruction de la trajectoire et donc une détermination précise de l’impulsion des particules émises par les interactions de neutrinos dans le Super-FGD. L’ensemble est entouré par des détecteurs de temps de vol (TOF), qui permettent de connaître la direction des particules et de les identifier. T2K a installé ces détecteurs à l'automne 2023 et a observé les premières interactions de neutrinos pendant le mois de décembre 2023. 

Les équipes IN2P3 de l'ILANCE (un  International Research Laboratory du CNRS au Japon), du LLR à Palaiseau et du LPNHE à Paris ont fortement contribué à cette mise à niveau, en assurant la coordination générale du projet et en contribuant à la production des cartes électroniques pour la HA-TPC (en collaboration avec le CEA à Saclay) et à la production de l'électronique de lecture du Super-FGD (en collaboration avec l'université de Genève), qui utilise les circuits intégrés CITIROC développés par le laboratoire OMEGA de l’IN2P3 à Palaiseau.

T2K est une expérience visant à étudier les oscillations de neutrinos en utilisant des neutrinos muoniques produits au « Japan Proton Accelerator Research Complex » (J-PARC) à Tokai, Ibaraki. Les neutrinos sont détectés dans un complexe de détecteurs proches (INGRID sur l'axe, ND280 hors axe, Wagasci-BabyMIND) à 280 mètres du point de production et dans le détecteur lointain, Super-Kamiokande à Kamioka, Gifu, à environ 300 km de là. L'expérience T2K a commencé à prendre des données en 2010 et a réalisé la première observation de l'apparition de neutrinos électroniques en 2013. En 2014, T2K a commencé à effectuer des mesures avec un faisceau d'anti-neutrinos pour rechercher la violation de charge Parité (CP) et, en 2020 dans un article publié dans Nature , l’expérience T2K a fortement contraint les valeurs possibles de la phase CP des neutrinos. 

Grâce à cette nouvelle mise à jour, T2K continuera à jouer un rôle de premier plan dans la recherche sur les neutrinos, en élucidant le mystère de la disparition de l'antimatière dans notre Univers. Cette phase est aussi une étape fondamentale vers Hyper-Kamiokande, le détecteur de prochaine génération au Japon, qui permettra de mesurer le paramètre qui règle la violation de CP dans le secteur leptonique en utilisant le faisceau des neutrinos de J-PARC et le détecteur proche de T2K.

L'expérience T2K. Infographie : Clara Hinoveanu /IN2P3 (cliquer sur l'image pour télécharger le fichier)