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'''T2K''' ({{enS|'''Tokai to Kamioka'''}}) ist ein [[Teilchenphysik]]-Experiment, welches Neutrinooszillationen von an einem [[Teilchenbeschleuniger|Beschleuniger]] erzeugten [[Neutrino]]s misst. Das Experiment befindet sich in [[Japan]] und wird von einer internationalen Kollaboration von ungefähr 500 Wissenschaftlern und Ingenieuren aus über 60 Forschungseinrichtungen und Universitäten aus Europa, Asien und Nordamerika betrieben.<ref name=":0">{{Internetquelle |autor=T2K Kollaboration |url=https://t2k-experiment.org/t2k/collaboration/ |titel=Die T2K Kollaboration |abruf=2020-04-14}}</ref> T2K ist ein anerkanntes [[CERN]] Experiment (RE13).<ref>{{Internetquelle |url=http://committees.web.cern.ch/rec/list.html |titel=Liste anerkannter CERN Experimente |abruf=2023-11-02 |sprache=en |archiv-url=https://web.archive.org/web/20190613152432/http://committees.web.cern.ch/rec/list.html |archiv-datum=2019-06-13 |offline=ja }}</ref><ref>{{Internetquelle |url=https://greybook.cern.ch/greybook/experiment/detail?id=RE13 |titel=RE13/T2K: The long-baseline neutrino experiment |hrsg=CERN wissenschaftliches Programm |abruf=2020-04-14}}</ref>

T2K war das erste Experiment, welches [[Elektronneutrino|Elektron-Neutrinos]] in einem [[Myon-Neutrino]]-Strahl nachweisen konnte.<ref>{{Literatur |Autor=T2K Collaboration, K. Abe, N. Abgrall, Y. Ajima, H. Aihara |Titel=Indication of Electron Neutrino Appearance from an Accelerator-Produced Off-Axis Muon Neutrino Beam |Sammelwerk=Physical Review Letters |Band=107 |Nummer=4 |Datum=2011-07-18 |Seiten=041801 |Online=https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.107.041801 |Abruf=2020-04-15 |DOI=10.1103/PhysRevLett.107.041801}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=T2K Collaboration, K. Abe, J. Adam, H. Aihara, T. Akiri |Titel=Precise Measurement of the Neutrino Mixing Parameter <math>\theta_{23}</math> from Muon Neutrino Disappearance in an Off-Axis Beam |Sammelwerk=Physical Review Letters |Band=112 |Nummer=18 |Datum=2014-05-08 |Seiten=181801 |Online=https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.112.181801 |Abruf=2020-04-15 |DOI=10.1103/PhysRevLett.112.181801}}</ref> Ergebnisse waren die weltweit beste Messung des [[Neutrinooszillation|Oszillationsparameters]] ''θ''<sub>23</sub><ref>{{Literatur |Autor=T2K Collaboration, K. Abe, J. Adam, H. Aihara, T. Akiri |Titel=Measurements of neutrino oscillation in appearance and disappearance channels by the T2K experiment with <math>6.6 \times 1{0}^{20}</math> protons on target |Sammelwerk=Physical Review D |Band=91 |Nummer=7 |Datum=2015-04-29 |Seiten=072010 |Online=https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevD.91.072010 |Abruf=2020-04-15 |DOI=10.1103/PhysRevD.91.072010}}</ref> und Hinweise auf starke [[CP-Verletzung|Materie-Antimaterie-Asymmetrie]] bei Neutrinooszillationen.<ref>{{Literatur |Autor=K. Abe, R. Akutsu, A. Ali, C. Alt, C. Andreopoulos |Titel=Constraint on the Matter-Antimatter Symmetry-Violating Phase in Neutrino Oscillations |Sammelwerk=arXiv:1910.03887 [hep-ex] |Datum=2019-10-10 |arXiv=1910.03887}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=M. Fukugita, T. Yanagida |Titel=Barygenesis without grand unification |Sammelwerk=Physics Letters B |Band=174 |Nummer=1 |Datum=1986-06-26 |ISSN=0370-2693 |Seiten=45–47 |Online=http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0370269386911263 |Abruf=2020-04-15 |DOI=10.1016/0370-2693(86)91126-3}}</ref> Die Messung dieser Asymmetrie könnte Teil der Erklärung für ein von [[Materie]] dominiertes [[Universum]] sein.<ref>{{Literatur |Autor=R. N. Mohapatra, S. Antusch, K. S. Babu, G. Barenboim, M.-C. Chen |Titel=Theory of neutrinos: a white paper |Sammelwerk=Reports on Progress in Physics |Band=70 |Nummer=11 |Datum=2007-10-11 |ISSN=0034-4885 |Seiten=1757–1867 |DOI=10.1088/0034-4885/70/11/r02}}</ref>

Der hochintensive Myon-Neutrino Strahl wird am [[J-PARC]] (Japan Proton Accelerator Research Complex) in [[Tōkai (Ibaraki)|Tokai-mura]] an der Ostküste Japans erzeugt. Der Strahl ist auf das 295 km entfernte [[Super-Kamiokande|Super-Kamiokande-Observatorium]] gerichtet. Die Eigenschaften und Zusammensetzung des Neutrinostrahles werden kurz nach Erzeugung in Tokai-mura durch mehrere Nah-Detektoren 280 m vom Erzeugungsort vermessen. Eine weitere Messung in Super-Kamiokande ermöglicht es Oszillationsparameter zu bestimmen, indem die neue Zusammensetzung des Strahles mit der Ursprünglichen verglichen wird. Super-Kamiokande kann sowohl Myon- als auch Elektron-Neutrinos detektieren und unterscheiden, wodurch verschwindende Myon-Neutrinos und emergente Elektron-Neutrinos gezählt werden können.<ref name=":1">{{Literatur |Autor=K. Abe, N. Abgrall, H. Aihara, Y. Ajima, J. B. Albert |Titel=The T2K experiment |Sammelwerk=Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment |Band=659 |Nummer=1 |Datum=2011-12-11 |ISSN=0168-9002 |Seiten=106–135 |Online=http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168900211011910 |Abruf=2020-04-15 |DOI=10.1016/j.nima.2011.06.067}}</ref>

== Forschungsprogramm ==
Das T2K Experiment wurde 2003 vorgeschlagen mit den folgenden Forschungszielen:<ref>{{Literatur |Autor=K. Abe, N. Abgrall, H. Aihara, Y. Ajima, J. B. Albert |Titel=The T2K experiment |Sammelwerk=Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment |Band=659 |Nummer=1 |Datum=2011-12-11 |ISSN=0168-9002 |Seiten=106–135 |Online=http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168900211011910 |Abruf=2020-04-15 |DOI=10.1016/j.nima.2011.06.067}}</ref>

* Entdeckung von ν<sub>μ</sub> → ν<sub>e</sub> Oszillationen und damit die Bestätigung, dass der letzte, damals noch nicht gemessene Oszillations-Winkel ''θ''<sub>13</sub> nicht verschwindend sein kann.
* Präzise Messung der Oszillationsparameter Δ''m''<sup>2</sup><sub>23</sub> und ''θ''<sub>23</sub>
* Suche nach [[Steriles Neutrino|sterilen Neutrinos]]
* Messung von verschiedenen [[Wechselwirkungsquerschnitt]]en der erzeugten Neutrinos in verschiedenen Materialien im Energiebereich von wenigen [[GeV]].

Seit dem Start des Experimentes 2010, konnte T2K folgende herausragenden Resultate liefern:

* Bestätigung von Elektron-Neutrino Emergenz in einem Myon-Neutrino Strahl (ν<sub>μ</sub>→ν<sub>e</sub>), und damit erstmals der Nachweis von Neutrinos (Elektron-Neutrinos), welche ursprünglich in anderer Art erzeugt und nachgewiesen wurden (Myon-Neutrinos).<ref>{{Literatur |Autor=T2K Collaboration, K. Abe, N. Abgrall, Y. Ajima, H. Aihara |Titel=Indication of Electron Neutrino Appearance from an Accelerator-Produced Off-Axis Muon Neutrino Beam |Sammelwerk=Physical Review Letters |Band=107 |Nummer=4 |Datum=2011-07-18 |Seiten=041801 |Online=https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.107.041801 |Abruf=2020-04-15 |DOI=10.1103/PhysRevLett.107.041801}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=T2K Collaboration, K. Abe, N. Abgrall, H. Aihara, T. Akiri |Titel=Evidence of electron neutrino appearance in a muon neutrino beam |Sammelwerk=Physical Review D |Band=88 |Nummer=3 |Datum=2013-08-05 |Seiten=032002 |Online=https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevD.88.032002 |Abruf=2020-04-15 |DOI=10.1103/PhysRevD.88.032002}}</ref>
* Genauste Messung des Mischungswinkels ''θ''<sub>23</sub>.<ref>{{Literatur |Autor=T2K Collaboration, K. Abe, J. Adam, H. Aihara, T. Akiri |Titel=Precise Measurement of the Neutrino Mixing Parameter <math>\theta_{23}</math> from Muon Neutrino Disappearance in an Off-Axis Beam |Sammelwerk=Physical Review Letters |Band=112 |Nummer=18 |Datum=2014-05-08 |Seiten=181801 |Online=https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.112.181801 |Abruf=2020-04-15 |DOI=10.1103/PhysRevLett.112.181801}}</ref>
* Die erste signifikante Einschränkung von ''δ''<sub>CP</sub>, und damit von der Magnitude der Materie-Antimaterie-Asymmetrie für Neutrinos.<ref>{{Literatur |Autor=K. Abe, R. Akutsu, A. Ali, C. Alt, C. Andreopoulos |Titel=Constraint on the Matter-Antimatter Symmetry-Violating Phase in Neutrino Oscillations |Datum=2019-10-10 |arXiv=1910.03887}}</ref>
* Grenzen für die möglichen Oszillationsparameter steriler Neutrinos in Studien im Nahdetektor ND280<ref>{{Literatur |Autor=T2K Collaboration, K. Abe, J. Adam, H. Aihara, T. Akiri |Titel=Search for short baseline <math>\nu_{e}</math> disappearance with the T2K near detector |Sammelwerk=Physical Review D |Band=91 |Nummer=5 |Datum=2015-03-16 |Seiten=051102 |Online=https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevD.91.051102 |Abruf=2020-04-15 |DOI=10.1103/PhysRevD.91.051102}}</ref> und im Ferndetektor Super-Kamiokande.<ref>{{Literatur |Autor=T2K Collaboration, K. Abe, R. Akutsu, A. Ali, C. Andreopoulos |Titel=Search for light sterile neutrinos with the T2K far detector Super-Kamiokande at a baseline of 295 km |Sammelwerk=Physical Review D |Band=99 |Nummer=7 |Datum=2019-04-30 |Seiten=071103 |Online=https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevD.99.071103 |Abruf=2020-04-15 |DOI=10.1103/PhysRevD.99.071103}}</ref>
* Messung mehrerer [[Wirkungsquerschnitt|Wechselwirkungsquerschnitte]] von Elektron- und Myon-Neutrinos<ref>{{Literatur |Autor=K. Abe, R. Akutsu, A. Ali, C. Alt, C. Andreopoulos |Titel=Measurement of the charged-current electron (anti-)neutrino inclusive cross-sections at the T2K off-axis near detector ND280 |Datum=2020-02-27 |arXiv=2002.11986}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=T2K Collaboration, K. Abe, J. Adam, H. Aihara, C. Andreopoulos |Titel=Measurement of the electron neutrino charged-current interaction rate on water with the T2K ND280 <math>\pi^{0}</math> detector |Sammelwerk=Physical Review D |Band=91 |Nummer=11 |Datum=2015-06-19 |Seiten=112010 |Online=https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevD.91.112010 |Abruf=2020-04-15 |DOI=10.1103/PhysRevD.91.112010}}</ref> und deren Antiteilchen mit inklusiven [[Schwache Wechselwirkung|geladenen Strömen]] (engl. charged current CC) Interaktionen<ref>{{Literatur |Autor=T2K Collaboration, K. Abe, N. Abgrall, H. Aihara, T. Akiri |Titel=Measurement of the inclusive <math>\nu_\mu</math> charged current cross section on carbon in the near detector of the T2K experiment |Sammelwerk=Physical Review D |Band=87 |Nummer=9 |Datum=2013-05-07 |Seiten=092003 |Online=https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevD.87.092003 |Abruf=2020-04-15 |DOI=10.1103/PhysRevD.87.092003}}</ref>, CC Interaktionen ohne produzierte [[Pion]]en<ref>{{Literatur |Autor=T2K Collaboration, K. Abe, C. Andreopoulos, M. Antonova, S. Aoki |Titel=Measurement of double-differential muon neutrino charged-current interactions on <math>{\mathrm{C}}_{8}{\mathrm{H}}_{8}</math> without pions in the final state using the T2K off-axis beam |Sammelwerk=Physical Review D |Band=93 |Nummer=11 |Datum=2016-06-21 |Seiten=112012 |Online=https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevD.93.112012 |Abruf=2020-04-15 |DOI=10.1103/PhysRevD.93.112012}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=T2K Collaboration, K. Abe, J. Adam, H. Aihara, T. Akiri |Titel=Measurement of the <math>\nu_\mu</math> charged-current quasielastic cross section on carbon with the ND280 detector at T2K |Sammelwerk=Physical Review D |Band=92 |Nummer=11 |Datum=2015-12-11 |Seiten=112003 |Online=https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevD.92.112003 |Abruf=2020-04-15 |DOI=10.1103/PhysRevD.92.112003}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=K. Abe, R. Akutsu, A. Ali, C. Alt, C. Andreopoulos |Titel=First combined measurement of the muon neutrino and antineutrino charged-current cross section without pions in the final state at T2K |Datum=2020-02-21 |arXiv=2002.09323}}</ref> und mit einem Pion<ref>{{Literatur |Autor=T2K Collaboration, K. Abe, C. Andreopoulos, M. Antonova, S. Aoki |Titel=First measurement of the muon neutrino charged current single pion production cross section on water with the T2K near detector |Sammelwerk=Physical Review D |Band=95 |Nummer=1 |Datum=2017-01-26 |Seiten=012010 |Online=https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevD.95.012010 |Abruf=2020-04-15 |DOI=10.1103/PhysRevD.95.012010}}</ref>, kohärente Pion Produktion<ref>{{Literatur |Autor=The T2K Collaboration, K. Abe, C. Andreopoulos, M. Antonova, S. Aoki |Titel=Measurement of Coherent <math>\pi^{+}</math> Production in Low Energy Neutrino-Carbon Scattering |Sammelwerk=Physical Review Letters |Band=117 |Nummer=19 |Datum=2016-11-04 |Seiten=192501 |Online=https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.117.192501 |Abruf=2020-04-15 |DOI=10.1103/PhysRevLett.117.192501}}</ref>, [[neutrale Ströme]] Interaktionen<ref>{{Literatur |Autor=T2K Collaboration, K. Abe, J. Adam, H. Aihara, T. Akiri |Titel=Measurement of the neutrino-oxygen neutral-current interaction cross section by observing nuclear deexcitation <math>\gamma</math> rays |Sammelwerk=Physical Review D |Band=90 |Nummer=7 |Datum=2014-10-31 |Seiten=072012 |Online=https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevD.90.072012 |Abruf=2020-04-15 |DOI=10.1103/PhysRevD.90.072012}}</ref> usw. in verschiedenen Materialien, beispielsweise [[Kohlenstoff]], [[Wasser]] und [[Eisen]].<ref>{{Literatur |Autor=K. Abe, R. Akutsu, A. Ali, C. Andreopoulos, L. Anthony |Titel=Measurement of the muon neutrino charged-current cross sections on water, hydrocarbon and iron, and their ratios, with the T2K on-axis detectors |Sammelwerk=Progress of Theoretical and Experimental Physics |Band=2019 |Nummer=9 |Datum=2019-09-01 |Online=https://academic.oup.com/ptep/article/2019/9/093C02/5573875 |Abruf=2020-04-15 |DOI=10.1093/ptep/ptz070}}</ref>

Zukünftige Erweiterungen und Verbesserungen von T2K werden die Messung der ''δ''<sub>CP</sub> Phase verbessern, sowie die Messung von Δ''m''<sup>2</sup><sub>23</sub> und ''θ''<sub>23</sub>. Die projektierte Verbesserung der Wechselwirkungsquerschnitt-Messungen soll helfen [[Theoretische Physik|Theorie]]-Vorhersagen von Neutrinointeraktionen und deren Simulation zu verbessern.<ref>{{Literatur |Autor=K. Abe, H. Aihara, A. Amji, J. Amey, C. Andreopoulos |Titel=Proposal for an Extended Run of T2K to <math>20 \times 10^{21}</math> POT |Datum=2016-09-13 |arXiv=1609.04111}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=Hyper-Kamiokande Proto-Collaboration, K. Abe, Ke Abe, H. Aihara, A. Aimi |Titel=Hyper-Kamiokande Design Report |Datum=2018-11-28 |arXiv=1805.04163}}</ref>

== Neutrino-Strahl ==
[[Datei:The entire view of J-PARC.jpg|mini|Vogelperspektive von J-PARC mit eingezeichneten Beschleunigern.]]
[[Datei:Superconducting Magnets J-PARC.jpg|mini|Supraleitende Dipol-Magnete der Strahlführung im Hauptring von J-PARC (im Aufbau, 2008). Die gezeigten Magnete steuern den Strahl von der Kreisbahn in Richtung Super-Kamiokande.]]
In T2K wird ein Myon-Neutrino Strahl oder ein Anti-Myon-Neutrino Strahl im Forschungszentrum [[J-PARC]] erzeugt, indem ein [[Proton]]enstrahl in drei Stufen durch verbundene [[Teilchenbeschleuniger]] auf eine Teilchenenergie von 30&nbsp;[[GeV]] beschleunigt wird: Zuerst auf 400&nbsp;MeV Energie im [[Linearbeschleuniger|Linac]], dann auf 3&nbsp;GeV durch das [[Synchrotron]] RCS (engl. Rapid Cycle Synchrotron), und abschließend in einem weiteren Synchrotron mit größeren Umfang, dem MR (engl. Main Ring) auf 30&nbsp;GeV. Protonen werden mit einem [[Graphit]]-Ziel zur Kollision gebracht, wo [[Meson]]en, hauptsächlich [[Pion]]en und [[Kaon]]en, erzeugt werden. [[Magnetische Hörner]] fokussieren diese Teilchen in einen Tunnel, den Zerfallstunnel, wo sie dann im freien Flug zerfallen können. Durch die Horn<nowiki></nowiki>[[Polarität (Physik)|polarität]] können entweder positive oder negativ geladene Teilchen in den Zerfallstunnel fokussiert werden. Positiv geladene Pionen zerfallen hauptsächlich in μ<sup>+</sup> und ν<sub>μ</sub>, wodurch der Myon-Neutrino Strahl erzeugt wird. Selektieren von negativ geladenen Mesonen würde einen Anti-Neutrino Strahl erzeugen. Sämtliche übrig gebliebenen Teilchen werden von einem 75 Tonnen schweren Graphit Block gestoppt, sodass nur die kaum wechselwirkenden Neutrinos den Nah- und Ferndetektor erreichen können.<ref>{{Literatur |Autor=K. Abe, N. Abgrall, H. Aihara, Y. Ajima, J. B. Albert |Titel=The T2K experiment |Sammelwerk=Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment |Band=659 |Nummer=1 |Datum=2011-12-11 |ISSN=0168-9002 |Seiten=106–135 |Online=http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168900211011910 |Abruf=2020-04-15 |DOI=10.1016/j.nima.2011.06.067}}</ref>

=== Neben-Achsen-Strahl ===
[[Datei:J-PARC Neutrino Experiment Facility Primary Beamline Final Focusing Section.jpg|mini|Fokussierung des Strahles, kurz bevor er das Graphit-Ziel erreicht.]]
T2K ist das erste Experiment, welches einen sogenannten Neben-Achsen (engl. off-axis) Neutrino-Strahl eingesetzt hat. Die Strahlführung von J-PARC ist so gebaut, dass der erzeugte Neutrinostrahl 2 bis 3 Grad von der direkten Verbindung nach Super-Kamiokande und ND280 weg gesteuert werden kann. Der eingeschlossene Winkel wurde zu 2,5° gewählt, da in diesem Winkel hauptsächlich Neutrinos mit circa 600 MeV abgestrahlt werden. Bei dieser Energie und der Distanz von 295&nbsp;km zu Super-Kamiokande ist die Wahrscheinlichkeit für eine Oszillation der Neutrinos maximal. Bei diesen Energien interagieren Neutrinos hauptsächlich in quasi-elastischen geladenen Strömen, bei denen es möglich ist, die Energie des interagierenden Neutrinos nur aus dem Impuls und der Richtung des erzeugten, geladenen Leptons zu rekonstruieren. Höhere Neutrinoenergien werden durch die Neben-Achsen-Konfiguration unterdrückt, wodurch weniger Interaktionen mit assoziierter Mesonproduktion stattfinden, welche als Hintergrund für T2K zu werten sind.<ref>{{Literatur |Autor=K. Abe, N. Abgrall, H. Aihara, Y. Ajima, J. B. Albert |Titel=The T2K experiment |Sammelwerk=Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment |Band=659 |Nummer=1 |Datum=2011-12-11 |ISSN=0168-9002 |Seiten=106–135 |Online=http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168900211011910 |Abruf=2020-04-15 |DOI=10.1016/j.nima.2011.06.067}}</ref>

== Nahdetektoren ==
Der Nah-Detektor-Komplex<ref name=":1" /> befindet sich 280 Meter entfernt von dem Graphit-Ziel an dem der Protonenstrahl gewandelt wird. Die Aufgabe ist es, den ursprünglichen Neutrino-[[Fluss (Physik)|Fluss]] vor [[Neutrinooszillation|Oszillation]] zu vermessen und Neutrino-Interaktionen an verschiedenen verbauten Materialien zu untersuchen. Der Komplex besteht aus drei Haupt-Detektoren:

* INGRID (Interaktives Neutrino Gitter, engl. Interactive Neutrino GRID) befindet sich im Zentrum des Neutrino-Strahles, also nicht neben der Achse,
* ND280 steht 2,5° neben der Neutrino-Achse, wie auch der Fern-Detektor.
* Wagasci-BabyMIND ist ein magnetisierter Neutrino-Detektor unter einem Winkel von 1,5° neben der Achse, gebaut um die Änderung im Energiespektrum von Neutrinos unter verschiedenen Winkeln zu messen und um Interaktionen bei den dortigen höheren Neutrino-Energien zu vermessen.

=== Signalauslese ===
Mit Ausnahme der [[Spurendriftkammer]]n in ND280 wird ausschließlich [[Szintillator|Plastik-Szintillator]] als aktives Material eingesetzt. In Szintillatoren wird Licht erzeugt, wenn geladenen Teilchen durch sie hindurch fliegen. [[Wellenlängenschieber|Wellenlängenschiebende Fasern]] bündeln und konvertieren diese Photonen. An einem oder beiden Enden der Fasern sind [[Hamamatsu Photonics|Hamamatsu]] [[Avalanche-Photodiode|MPPCs]] verbaut, welche Photonen in elektrische Signal wandeln. Szintillator Balken sind in Lagen angeordnet die von Lage zu Lage um 90 Grad rotiert zueinander sind, wodurch können Teilchenspuren in 3D rekonstruiert werden.<ref>{{Literatur |Autor=K. Abe, N. Abgrall, H. Aihara, Y. Ajima, J. B. Albert |Titel=The T2K experiment |Sammelwerk=Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment |Band=659 |Nummer=1 |Datum=2011-12-11 |ISSN=0168-9002 |Seiten=106–135 |Online=http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168900211011910 |Abruf=2020-04-15 |DOI=10.1016/j.nima.2011.06.067}}</ref>

=== Detektor INGRID ===
Die Hauptaufgabe des INGRID-Detektors ist das Überwachen des Richtungsprofils und der [[Intensität (Physik)|Intensität]] des Neutrino Strahls durch direkte Detektion der Neutrinos. INGRID besteht aus 16 identischen, kreuzförmig angeordneten Modulen. Die jeweils zehn Meter lange Horizontale und Vertikale bestehen aus je sieben Modulen mit zwei weiteren Modulen etwas Abseits. Ein Modul besteht aus alternierenden Schichten aus [[Eisen]] und [[Szintillator|Plastik-Szintillator]]. Umgeben wird das Modul mit vier zusätzlichen Plastik-Szintillator-Schichten als Veto für von außen eindringende Teilchen im Gegensatz zu im Inneren, durch Neutrinointeraktionen erzeugten, Teilchen. Jedes Modul wiegt 7,1 Tonnen im Eisen allein, was 96 % des Gesamtgewichtes ausmacht. Entlang der Neutrinostrahlachse, welche durch den Schnittpunkt der Arme geht, befindet sich ein Modul, welches komplett aus Plastik-Szintillator gebaut wurde. Dieses Proton Modul genannte Modul hat eine Masse von 550 kg und dient der Studie von quasi-[[Elastischer Stoss|elastischen]] Interaktionen und damit der Verifikation von Simulationsvorhersagen.<ref>{{Literatur |Autor=K. Abe, N. Abgrall, H. Aihara, Y. Ajima, J. B. Albert |Titel=The T2K experiment |Sammelwerk=Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment |Band=659 |Nummer=1 |Datum=2011-12-11 |ISSN=0168-9002 |Seiten=106–135 |Online=http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168900211011910 |Abruf=2020-04-15 |DOI=10.1016/j.nima.2011.06.067}}</ref>

=== Detektor ND280 ===
[[Datei:J-PARC T2K ND280 Pit.jpg|mini|Geöffneter UA1-Magnet, bevor ND280 eingebaut wurde.]]
Der ND280-Detektor wird eingesetzt um den Fluss, das Energiespektrum und mögliche Elektron-Neutrino Kontamination unter dem gleichen Winkel wie der Fern-Detektor kurz nach Erzeugung zu messen. ND280 wird ebenfalls eingesetzt um verschiedene Arten von Interaktionen der Elektron-, Myon-Neutrinos und den jeweiligen Antineutrinos zu studieren. All dies ist nötig um die erwartete Anzahl und Art der Neutrinointeraktionen im Fern-Detektor vorher zu sagen und reduziert dadurch den [[Systematische Abweichung|systematischen Fehler]] der Oszillations Messung durch Modellungenauigkeiten der Neutrinointeraktionen und des Flusses.<ref name=":1" />

ND280 selbst besteht aus mehreren Sub-Detektoren: der Pi-Null Detektor und den zwei spurabbildenden Feingranulare Detektor (engl. Fine Grained Detektor FGD) mit drei zwischen liegenden [[Spurendriftkammer]]n. All diese Detektoren sind in einem gemeinsamen Stahlrahmen installiert, der auch Korb genannt wird. Um den Korb herum sind [[Kalorimeter (Teilchenphysik)|elektromagnetische Kalorimeter]] angebracht. Der Korb und die Kalorimeter sind in einem [[Elektromagnet|Magneten]] (ehemals eingesetzt beim [[UA1-Detektor|UA1 Experiment]]) mit einem [[Homogenes Feld|homogenen, horizontalen Feld]] der Stärke 0,2&nbsp;T. Das [[Dreiphasenwechselstrom-Transformator#Aufbau|Joch]] des Magneten ist mit Szintillatorplatten instrumentiert, den Seitlichen Myonen Reichweite Detektoren (engl. Side Muon Range Detector SMRD), welches Teilchen, hauptsächlich Myonen, detektiert die den Detektor verlassen oder von außen eindringen.<ref name=":1" />

=== Detektor Pi-Null ===
Der Pi-Null-(π<sup>0</sup>-)Detektor (P0D) besteht aus 40 [[Szintillator|Plastik-Szintillator]] Modul Lagen, die in einer zentralen Region mit 2,8&nbsp;cm breiten Taschen, die mit Wasser gefüllt werden können, und Bronzeplatten abwechselnd geschichtet sind. In dem vorderen und hinteren Bereich sind Plastikszintillator Lagen mit Bleiplatten geschichtet. Durch Vergleich der Interaktionsraten mit und ohne Wasser in den Taschen können Rückschlüsse gezogen werden auf die Anzahl der Interaktionen im Wasser und damit dem aktiven Medium des Fern-Detektors. Der P0D ist circa 2,1&nbsp;m × 2,2&nbsp;m × 2,4&nbsp;m (X×Y×Z) groß und wiegt 15,8&nbsp;t mit oder 12,9&nbsp;t ohne Wasserfüllung.

Wie der Name schon ersichtlich macht, ist die Hauptaufgabe des P0D die Messung von neutralen Pionen die vorzugsweise in Interaktionen mit [[Neutraler Strom|neutralen Strömen]] erzeugt werden:

ν<sub>μ</sub> + N → ν<sub>μ</sub> + N’ + π<sup>0</sup>

Diese Interaktionen können fehlerhaft als Elektron-Neutrino Interaktionen rekonstruiert werden, da Photonen des π<sup>0</sup> Zerfalls sehr ähnliche Signaturen in Super-Kamiokande erzeugen wie Elektronen. Die Rekonstruktion von isolierten Elektronen wiederum ist die Signatur einer Elektron-Neutrino Interaktion, was π<sup>0</sup> Zerfälle zu einem Hintergrundprozess der Elektron-Neutrino Emergenz macht.<ref name=":1" /><ref>{{Literatur |Autor=S. Assylbekov, G. Barr, B. E. Berger, H. Berns, D. Beznosko |Titel=The T2K ND280 off-axis pi–zero detector |Sammelwerk=Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment |Band=686 |Datum=2012-09-11 |ISSN=0168-9002 |Seiten=48–63 |Online=http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168900212005153 |Abruf=2020-04-15 |DOI=10.1016/j.nima.2012.05.028}}</ref>

=== Spurendriftkammern ===
Drei [[Spurendriftkammer]]n (engl. Time Projection Chamber TPC) sind gasgefüllte, rechteckige Kammern mit einer halbierenden [[Kathode]]nplatte und [[MicroMegas]] (das sind gasgefüllte Weiterentwicklungen der [[Drahtkammer]]) an den beiden gegenüberliegenden Ebenen. Die Spurendriftkammern sind mit einem Gemisch aus 95 % [[Argon]], 3 % [[Tetrafluormethan]] und 2 % [[Isobutan]] bei [[Atmosphärischer Druck|atmosphärischem Druck]] gefüllt. [[Ionisierende Strahlung|Hochenergetische geladene Teilchen]], die die Spurendriftkammern queren, hinterlassen eine Spur aus ionisierten Gasatomen und Molekülen. Das [[Elektrisches Feld|elektrische Feld]] ist so angelegt, dass die Elektronenspuren zu den [[Anode]]n und den dort befindlichen MicroMegas driften, wo eine 2D Projektion der Spuren erzeugt und digitalisiert wird. Die dritte Raumkoordinate kann durch zusammenführen von Spuren, die die Spurendriftkammern verlassen und Signale in den umgebenden Detektoren erzeugen rekonstruiert werden. Durch das [[Magnetisches Feld|magnetische Feld]], welches parallel zum elektrischen Feld erzeugt wird, und daher durch die resultierende [[Lorentzkraft]], werden geladene Teilchen auf [[Helix]]bahnen gezwungen. Der [[Radius]] dieser Bahnen und die Händigkeit bestimmen Ladung und [[Impuls]] der ionisierenden Teilchen. Die Menge der ionisierten Gasatome und Moleküle ist ein Messwert für den Energieverlust nach [[Bethe-Bloch-Formel|Bethe-Bloch]]. Die Kombination von Impuls und Energieverlust in Gas ist charakteristisch für jedes Teilchen und kann daher zur Identifikation der Teilchen genutzt werden.<ref name=":1" /><ref>{{Literatur |Autor=N. Abgrall, B. Andrieu, P. Baron, P. Bene, V. Berardi |Titel=Time projection chambers for the T2K near detectors |Sammelwerk=Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment |Band=637 |Nummer=1 |Datum=2011-05-01 |ISSN=0168-9002 |Seiten=25–46 |Online=http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168900211003421 |Abruf=2020-04-15 |DOI=10.1016/j.nima.2011.02.036}}</ref>

=== Feingranularer Detektor ===
Die beiden feingranularen Detektoren (engl. Fine Grained Detector FGD), sind je einmal zwischen der ersten und zweiten und der zweiten und dritten [[Spurendriftkammer]] angebracht. Zusammen bilden die Spurendriftkammern und die feingranularen Detektoren den spurenabbildenden Teil von ND280. In den FGDs ist der Großteil der aktiven Zielmasse für Neutrinointeraktionen verbaut. Dort werden auch die relativ kurzen Spuren von durch Neutrinos abgestoßenen Protonen rekonstruiert. Der erste FGD besteht rein aus Szintillator-Schichten, während der Zweite immer abwechselnd mit Wasser gefüllte Kammern zwischen den Szintillatorschichten verbaut hat. Auch hier ist der Grund, dass Wasser das aktive Medium des Fern-Detektors Super-Kamiokande ist. [[Wirkungsquerschnitt|Wechselwirkungsquerschnitte]] von Neutrinos mit Kohlenstoff und Wasser können ermittelt werden durch einen Vergleich der Neutrinointeraktionsraten in den beiden FGDs.<ref name=":1" /><ref>{{Literatur |Autor=P. -A. Amaudruz, M. Barbi, D. Bishop, N. Braam, D. G. Brook-Roberge |Titel=The T2K fine-grained detectors |Sammelwerk=Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment |Band=696 |Datum=2012-12-22 |ISSN=0168-9002 |Seiten=1–31 |Online=http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168900212008789 |Abruf=2020-04-15 |DOI=10.1016/j.nima.2012.08.020}}</ref>

=== Elektromagnetisches Kalorimeter ===
Das [[Kalorimeter (Teilchenphysik)|elektromagnetische Kalorimeter]] (engl. electromagnetic Calorimeter ECAL) umgibt die inneren Detektoren (P0D, TPCs und FGDs). Es ist aus Szintillatorschichten alternierend mit [[Blei]]platten aufgebaut. Die Aufgabe ist die Detektion von neutralen Teilchen, insbesondere [[Photon]]en, und die Bestimmung der [[Energie]] und Richtung dieser Teilchen. Es werden auch geladene Teilchen gestoppt und gemessen, was zusätzliche Informationen zur Teilchenidentifikation liefern kann.<ref name=":1" /><ref>{{Literatur |Autor=D. Allan, C. Andreopoulos, C. Angelsen, G. J. Barker, G. Barr |Titel=The electromagnetic calorimeter for the T2K near detector ND280 |Sammelwerk=Journal of Instrumentation |Band=8 |Nummer=10 |Datum=2013-10-17 |ISSN=1748-0221 |Seiten=P10019–P10019 |DOI=10.1088/1748-0221/8/10/p10019}}</ref>

=== Seitliche Myonen Reichweitendetektoren ===
Die Seitlichen Myonenreichweitedetektoren (engl. Side Muon Range Detector SMRD) besteht aus vielen einzelnen Szintillatormodulen, die in Spalten im Magnetjoch eingefügt werden. Die SMRD zeichnen Myonen auf, die aus den inneren Detektoren und den elektromagnetischen Kalorimetern entweichen. Sie werden auch eingesetzt um von außen eindringende Myonen der komischen Höhenstrahlung oder durch Neutrinointeraktionen in dem umgebenden [[Sand]], [[Gestein]] oder dem [[Elektromagnet|Magneten]] selbst zu identifizieren.<ref name=":1" /><ref>{{Literatur |Autor=S. Aoki, G. Barr, M. Batkiewicz, J. Błocki, J. D. Brinson |Titel=The T2K Side Muon Range Detector (SMRD) |Sammelwerk=Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment |Band=698 |Datum=2013-01-11 |ISSN=0168-9002 |Seiten=135–146 |Online=http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168900212011242 |Abruf=2020-04-15 |DOI=10.1016/j.nima.2012.10.001}}</ref>

== Super-Kamiokande ==
{{Hauptartikel|Super-Kamiokande}}

Der [[Super-Kamiokande]]-Detektor befindet sich in 1000&nbsp;m Tiefe in der [[Mozumi-Mine]] unter dem Berg Ikeno in [[Kamioka (Gifu)|Kamioka]], [[Hida]]. Zentrales Stück ist ein 40&nbsp;m hoher [[Edelstahl]]zylinder mit 40&nbsp;m Durchmesser, der mit 50.000 Tonnen [[Reinstwasser|hochreinem Wasser]] gefüllt ist und mit 13.000 [[Photoelektronenvervielfacher]]n (engl. Photo Multiplier Tube PMT) bestückt wurde. Die PMTs werden eingesetzt um die [[Kegel (Geometrie)|Lichtkegel]] des [[Tscherenkow-Strahlung|Tscherenkow Effekts]] zu detektieren. Eine der zentralen Aufgaben ist die Unterscheidung von [[Elektron]]en und [[Myon]]en, die beide in quasi-elastischen Interaktionen, durch ν<sub>μ</sub> bzw. ν<sub>e</sub>, erzeugt werden können, zu unterscheiden. Aufgrund der deutlich höheren Masse von Myonen, werden diese seltener von der ursprünglichen Richtung abgelenkt. Die leichten Elektronen werden hingegen häufig gestreut und erzeugen fast immer [[Elektromagnetischer Schauer|elektromagnetische Schauer]]. Dadurch erscheinen die Kegel von Elektronen ausgeschmiert und die von Myonen scharfkantig. Die ursprüngliche Neutrinoenergie wird anhand der Richtung und Energie des erzeugten Leptons errechnet. So können Spektren für ν<sub>μ</sub> und ν<sub>e</sub> gemessen werden, was wiederum die Messung von [[Neutrinooszillation|Oszillationsparametern]] ermöglicht.<ref name=":1" /><ref>{{Literatur |Autor=S. Fukuda, Y. Fukuda, T. Hayakawa, E. Ichihara, M. Ishitsuka |Titel=The Super-Kamiokande detector |Sammelwerk=Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment |Band=501 |Nummer=2 |Datum=2003-04-01 |ISSN=0168-9002 |Seiten=418–462 |Online=http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S016890020300425X |Abruf=2020-04-15 |DOI=10.1016/S0168-9002(03)00425-X}}</ref>

== Geschichte ==
T2K ist der Nachfolger des [[“KEK-to-Kamioka” (K2K) Experimentes]], welches von 1999 bis 2005 lief. Im K2K Experiment wurde ein Myon-Neutrino Strahl im [[KEK (Forschungszentrum)|KEK Forschungszentrum]] in [[Tsukuba (Ibaraki)|Tsukuba]] ([[Japan]]) erzeugt und zum [[Super-Kamiokande]] Detektor in 250&nbsp;km Entfernung gerichtet. K2K konnte den Verlust von Myon-Neutrinos durch [[Neutrinooszillation|Oszillation]] mit einer [[Konfidenzintervall|statistischen Konfidenz]] von 99,9985 %, entsprechende 4,3 [[Standardabweichung|σ]] nachweisen, was mit damaligen Messungen von Super-Kamiokande an atmosphärischen Neutrinos übereinstimmte.<ref>{{Literatur |Autor=Yuichi Oyama |Titel=RESULTS FROM K2K AND STATUS OF T2K |Sammelwerk=Nuclear Science and Safety in Europe |Reihe=NATO Security through Science Series |Verlag=Springer Netherlands |Ort=Dordrecht |Datum=2006 |ISBN=978-1-4020-4965-1 |Seiten=113–124 |Online=https://link.springer.com/chapter/10.1007%2F978-1-4020-4965-1_9 |Abruf=2020-04-15 |DOI=10.1007/978-1-4020-4965-1_9}}</ref><ref>{{Literatur |Autor=K2K Collaboration, M. H. Ahn, E. Aliu, S. Andringa, S. Aoki |Titel=Measurement of neutrino oscillation by the K2K experiment |Sammelwerk=Physical Review D |Band=74 |Nummer=7 |Datum=2006-10-12 |Seiten=072003 |Online=https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevD.74.072003 |Abruf=2020-04-15 |DOI=10.1103/PhysRevD.74.072003}}</ref>

Mit dem Bau der Neutrino Strahlführung am [[J-PARC]] wurde 2004 begonnen und 2009 abgeschlossen. Im selben Jahr noch wurden INGRID und die inneren Detektoren von ND280 fertig gestellt. Das elektromagnetische Kalorimeter, dessen Bau auch 2009 begann, wurde 2010 fertig gestellt. Super-Kamiokande ist bereits seit 1996 in Betrieb und hat in dieser Zeit auch Messungen ohne Neutrinos, beispielsweise Limits auf die [[Protonenzerfall|Lebensdauer von Protonen]], erzielt.<ref name=":1" />

Die ersten Neutrinos wurden im Januar 2010 detektiert mit einem ursprünglich nicht vollständigen ND280 Detektor. Ab November desselben Jahres läuft der Detektor im vollen Ausbau. Die Messungen wurden durch das [[Tōhoku-Erdbeben 2011|Tohoku-Erdbeben]] im März 2011 zeitweise unterbrochen. Die Protonenstrahl Leistung wächst stetig an und damit auch die Intensität des Neutrinostrahles. Im Februar 2020 wurden 515&nbsp;kW Leistung erreicht mit einer integrierten Protonen Anzahl von 3,64·10<sup>21</sup> mit 55 % davon im Neutrino-Modus und 45 % im Anti-Neutrino-Modus<ref name=":0" />.

== Pläne ==
Das T2K-Experiment lieferte zuletzt im Februar 2020 Messdaten.<ref>[https://t2k-experiment.org/2020/02/t2k-run-10-ended-with-record-beam-power/ Mittelung der T2K Collaboration]</ref> Im folgenden Jahr werden umfassende Aufwertungen der Detektoren durchgeführt und die Neutrino-Strahlführung verbessert. Ab 2022 bis 2026 werden in einer zweiten Phase des T2K-Experimentes (T2K-II) wieder Neutrinos untersucht.<ref>{{Literatur |Autor=K. Abe, H. Aihara, A. Amji, J. Amey, C. Andreopoulos |Titel=Proposal for an Extended Run of T2K to <math>20 \cdot 10^{21}</math> POT |Sammelwerk=arXiv:1609.04111 [hep-ex, physics:physics] |Datum=2016-09-13 |arXiv=1609.04111}}</ref>
Ab 2025 soll der 250.000 Tonnen Hyper-Kamiokande Detektor in Betrieb gehen und damit Super-Kamiokande ergänzen.<ref>{{Literatur |Autor=K. Abe, H. Aihara, C. Andreopoulos, I. Anghel, A. Ariga |Titel=Physics potential of a long-baseline neutrino oscillation experiment using a J-PARC neutrino beam and Hyper-Kamiokande |Sammelwerk=Progress of Theoretical and Experimental Physics |Band=2015 |Nummer=5 |Datum=2015-05-01 |Online=https://academic.oup.com/ptep/article/2015/5/053C02/1531402 |Abruf=2020-04-15 |DOI=10.1093/ptep/ptv061}}</ref><ref name="Hyper">{{Literatur |Autor=Hyper-Kamiokande Proto-Collaboration, K. Abe, Ke Abe, H. Aihara, A. Aimi |Titel=Hyper-Kamiokande Design Report |Sammelwerk=arXiv:1805.04163 [astro-ph, physics:hep-ex, physics:physics] |Datum=2018-11-28 |arXiv=1805.04163}}</ref> Es wurde ebenfalls vorgeschlagen einen zwischenliegenden Detektor, den Intermediären Wasser Tscherenkow Detektor, in einem Abstand von circa 2&nbsp;km zur Neutrinoproduktion zu bauen.<ref name="Hyper" />

== Siehe auch ==
* [[Kamioka Observatory]]

== Weblinks ==
* [http://www.t2k-experiment.org/ T2K Experiment Offizielle Website]
* [http://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/sk/index-e.html Super-Kamiokande Offizielle Website]
* [http://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/realtimemonitor/ Super-Kamiokande Echtzeit Monitor]
* [https://www.youtube.com/watch?v=tBrFrdSneZg Neutrino physics - The T2K experiment - YouTube]
* [https://www.youtube.com/watch?v=cs02i8TIphs Inside Japan's Big Physics | Part one: Super Kamiokande - YouTube]

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Kern- und Teilchenphysikexperiment]]