Eksperymenty przy akceleratorach

Aby dokładnie wyznaczać własności neutrin, nie wystarczy badać neutrina wytworzone w procesach naturalnych. W procesach takich nie mamy bowiem żadnej kontroli nad ich liczbą, kierunkiem rozchodzenia się czy energią. A precyzyjne pomiary właśnie takiej kontroli wymagają. Dlatego coraz więcej eksperymentów budowanych jest obok akceleratorów, które wykorzystywane są jako źródła neutrin. Obecnie najciekawszym z nich jest eksperyment MiniBooNE. Potwierdzi on albo zaprzeczy kontrowersyjnym rezultatom eksperymentu LSND, który działał w latach 90-tych. Jeśli wynik ów zostanie potwierdzony, znaczną część podręczników fizyki neutrin trzeba będzie przepisać od nowa.


W latach 1993-1998 zbierał dane eksperyment LSND zlokalizowany przy akceleratorze w ośrodku Los Alamos. Był to eksperyment, który wykorzystywał do produkcji neutrin wiązkę protonów. Protony z wiązki kierowane były na tarczę, na której następowała produkcja krótkożyciowych cząstek, pionów dodatnich. Piony te rozpadały się następnie na miony dodatnie (anty-miony) oraz neutrina mionowe. Miony z kolei mogły ulegać rozpadowi na anty-elektrony, neutrina elektronowe i anty-neutrina mionowe. Detektor LSND umieszczony został za osłoną wykonaną z żelaza i miedzi, która wyłapywała wszystkie cząstki, poza neutrinami i anty-neutrinami. Jego celem była próba rejestracji anty-neutrin elektronowych. Anty-neutrina te nie mogłyby powstawać w opisanym powyżej łańcuchu rozpadów. Musiałyby więc pochodzić z procesu oscylacji powstających w rozpadzie anty-neutrin mionowych w anty-neutrina elektronowe.

Wiązka neutrin z akceleratora

Detekcja anty-neutrin elektronowych oparta była na poszukiwaniu odwrotnego rozpadu beta. W procesie tym anty-neutrino elektronowe oddziałuje z protonem. W wyniku oddziaływania pojawia się anty-alektron, który w ośrodku szybko ulega anihilacji, w czasie której pojawia się błysk światła. W wyniku oddziaływania pojawia się również neutron, który wyłapywany jest przez jądro atomowe ośrodka. Wychwytowi temu towarzyszy również błysk światła. Zasada pomiaru była więc bardzo zbliżona do zasady doświadczenia Reinesa i Cowana, z tym że w eksperymencie tym źródłem anty-neutrin elektronowych miał być nie reaktor jądrowy, a oscylacje anty-neutrin mionowych pochodzących z akceleratora. Wynik eksperymentu LSND był pozytywny. W detektorze pojawiły się błyski światła, które naukowcy utożsamili z oddziaływaniami anty-neutrin elektronowych. LSND dostarczył dowodu na oscylacje anty-neutrin mionowych w elektronowe.

Wnętrze detektora LSND

Szybko jednak okazało się, że wyniki LSND nie dają się pogodzić w prosty sposób z obserwacjami z innych eksperymentów neutrinowych. W szczególności posługując się zaobserwowaną amplitudą oscylacji można oszacować różnice mas neutrin biorących udział w oscylacji. Jeśli istnieją trzy niezależne stany masowe neutrin, które tłumaczą się na trzy znane rodziny neutrin, to pomiędzy owymi masami znajdują się jedynie dwie niezależne różnice mas. Eksperymenty, których zadaniem jest zmierzenie owych różnic mas, powinny więc jako wynik przedstawić ostatecznie dwie różne liczby. Tymczasem wynik LSND dostarcza różnicy mas, która jest znacznie wyższa niż różnice mas dopuszczone przez wyniki innych eksperymentów. Jeśli pomiar grupy LSND nie jest wynikiem jakiegoś błędu, to może on oznaczać, że w przyrodzie pojawia się jeszcze jeden rodzaj neutrina! Czwarte neutrino. Jednak jak zauważyliśmy na stronie poświeconej pomiarowi ilości gatunków neutrin, w przyrodzie powinny istnieć jedynie trzy generacje owych cząstek - elektronowa, mionowa i taonowa. Aby pogodzić wynik LSND i pomiar mówiący o trzech generacjach, fizycy nadali owemu hipotetycznemu neutrinu specjalne cechy. Nie oddziałuje ono z materią. Wcale! Może być obserwowane jedynie poprzez efekty związane z oscylacjami. Nazwano je neutrinem sterylnym. Teoria neutrina sterylnego nie podoba się większości fizyków, którzy mają wrodzoną niechęć do wprowadzania do fizyki obiektów, których nie można bezpośrednio zaobserwować (słyszę śmiech Pauliego...). Wydaje się również, że inne pomiary oscylacji neutrin dokonywane przez różne eksperymenty zostawiają obecnie bardzo mało miejsca dla takiego dziwnego obiektu. Wyjątkowo istotną kwestią wydaje się więc potwierdzenie pomiaru eksperymentu LSND i wykluczenie pomyłki fizyków pracujących przy nim.

Eksperyment MINIBOONE

Głównym zadaniem zbierającego właśnie dane eksperymentu MiniBooNE jest próba potwierdzenia wyniku grupy LSND. MiniBooNE zlokalizowany jest przy jednym z akceleratorów ośrodka Fermilab (USA). Akcelerator ten służy do przyśpieszania protonów. Protony wykorzystywane są następnie do produkcji wiązki neutrin, która kierowana jest do detektora. Wiązka ta składa się praktycznie tylko z neutrin lub anty-neutrin mionowych. Liczba "zanieczyszczeń" w postaci pozostałych rodzajów neutrin jest dobrze znana. Detektor poszukuje nadwyżki neutrin bądź anty-neutrin elektronowych, która to nadwyżka wykraczałaby ponad ów poziom zanieczyszczenia.

Eksperyment MINIBOONE

Detektor eksperymentu MiniBooNE to 800 tonowy kulisty zbiornik oleju mineralnego. Na ścianach zbiornika znajduje się 1520 fotodetektorów, których zadaniem jest wykrycie światła emitowanego przez wyprodukowany we wnętrzu detektora elektron bądź mion. Produkcja elektronu następuje wskutek oddziaływania z neutrinem elektronowym, zaś produkcja mionu wskutek oddziaływania z neutrinem mionowym. Emisja promieniowania spowodowana jest zjawiskiem Wawiłowa-Czerenkowa (opisanym szerzej na stronie poświęconej detektorowi Super-Kamiokande). Badając to promieniowanie możliwe jest stwierdzenie, czy cząstką wyprodukowaną w detektorze był elektron czy mion, a więc można ustalić rodzaj neutrina, które oddziaływało (przy czym możliwość oddziaływania neutrina mionowego z elektronem ośrodka za pomocą wymiany bozonu Z0 i nadanie mu w tym oddziaływaniu dużej prędkości jest również brana pod uwagę). W ten sposób bada się ile neutrin obu rodzajów występuje w wiązce pochodzącej z akceleratora.

Przypadek z eksperymentu MINIBOONE

Eksperyment MiniBooNe trwa. Naukowcy pracujący przy nim nie podali jeszcze wyników. Świat fizyków neutrin czeka na nie z zapartym tchem...