NOvA und T2K veröffentlichen erste gemeinsame Analyse

Die Lücken in unserem Wissen über Neutrinos und ihre Eigenschaften zu schließen, könnte grundlegende Erkenntnisse über das Universum liefern. T2K und NOvA zählen beide zu den long-baseline-Experimenten: Sie schießen jeweils einen intensiven Neutrinostrahl ab, der sowohl einen Detektor in der Nähe der Quelle als auch einen Detektor in Hunderten von Kilometern Entfernung durchläuft. Beide Experimente vergleichen die in den einzelnen Detektoren aufgezeichneten Daten, um mehr über das Verhalten und die Eigenschaften von Neutrinos wie Massen und Oszillationen zu erfahren.

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NOvA, das NuMI Off-axis ν_e Appea­rance Experi­ment, sendet einen Neutrino­strahl über eine Entfer­nung von 810 Kilo­metern von seiner Quelle im Fermi National Accele­rator Labora­tory in der Nähe von Chi­cago, Illi­nois, zu einem 14.000 Ton­nen schweren Flüssig­szintil­lator-Detektor in Ash River, Minne­sota.

Der Neutrinostrahl des T2K-Experi­ments legt 295 Kilo­meter von Tokai nach Kamioka zurück – daher der Name T2K. In Tokai befindet sich der Japan Proton Accele­rator Research Complex (J-PARC) und in Kamioka der Super-Kamio­kande-Neutrino­detektor, ein riesiger Tank mit ultra­reinem Wasser, der sich einen Kilo­meter unter der Erde befindet.

Da die Experimente ähnliche wissen­schaft­liche Ziele ver­folgen, aber unter­schied­liche Basis­linien und Neutrino­energien haben, können Physike­rinnen und Physiker durch die Kombi­nation ihrer Daten mehr Erkennt­nisse gewinnen. „Durch eine gemein­same Analyse erhält man präzisere Mess­werte, als jedes Expe­riment für sich allein liefern könnte“, sagt Liudmila Kolu­paeva, Mitar­bei­terin bei NOvA. „In der Regel unter­scheiden sich Experi­mente in der Hoch­energie­physik in ihrer Ausge­staltung, auch wenn sie das­selbe wissen­schaft­liche Ziel verfolgen. Gemein­same Ana­lysen ermög­lichen es uns, die komple­men­tären Merk­male dieser Ausge­stal­tungen zu nutzen.“

Als long-baseline-Experimente eignen sich NOvA und T2K ideal für die Unter­suchung von Neutrino­oszilla­tionen, einem Phänomen, das Aufschluss über offene Fragen wie die Verletzung der Ladungs­parität und die Neutrino­massen­ordnung geben kann. Diese jetzigen ersten gemein­samen Ergeb­nisse lösen zwar noch keines der Rätsel um Neutrinos, erwei­tern jedoch das Wissen über diese Teilchen.

Die NOvA-Kollaboration besteht aus mehr als 250 Forschende aus 49 Institu­tionen in acht Ländern. Die T2K-Kolla­bo­ration hat mehr als 560 Mit­glieder aus 75 Institu­tionen in 15 Ländern. Die beiden Kollaborationen begannen 2019 mit der aktiven Arbeit an dieser gemeinsamen Analyse. Sie kombiniert sechs Jahre Daten von NOvA, das 2014 mit der Daten­erfas­sung begann, und ein Jahrzehnt Daten von T2K, das 2010 an den Start ging. Prof. Weber entwickelte ursprüng­lich die Elek­tronik für den T2K-Nah­detektor. Jetzt unter­sucht sein von der DFG gefördertes Team mit dem verbes­serten T2K/ND280-Detektor, wie das Vorhanden­sein von Neutro­nen in Neutrino-Wechsel­wirkungen die Ergeb­nisse beein­flusst. Dr. Koch ist seit 2012 Teil der T2K-Kollabo­ration und leitet seit 2024 die Analyse­gruppe für Neutronen im Nah­detektor.

Beide Experimente sammeln weiterhin Daten, und es werden bereits An­streng­ungen unter­nommen, um die gemein­same Analyse mit den neuen Daten zu aktuali­sieren. „Die gemein­same Analyse­arbeit ist beiden Kollabo­rationen zugute­gekom­men“, sagt Patricia Vahle, Co-Sprecherin von NOvA. „Wir haben ein viel besseres gegen­seitiges Verständ­nis für die Stärken und Heraus­forde­rungen der ver­schie­denen Versuchs­aufbauten und Analyse­techniken.“ [JGU / dre]