Super-Kamiokande

Znajdujący się w japońskiej kopalni eksperyment Super-Kamiokande jest najbardziej znanym eksperymentem neutrinowym. To właśnie on potwierdził ostatecznie istnienie oscylacji neutrin. Dokonał tego mierząc strumień neutrin mionowych produkowanych w atmosferze ziemskiej w różnej odległości od detektora. Eksperyment Super-Kamiokande zmierzył również z wielką precyzją ilość oddziaływań neutrin pochodzących ze Słońca, potwierdzając ich deficyt. W 2002 roku fizyk kierujący eksperymentem został uhonorowany Nagrodą Nobla.


Eksperyment Super-Kamiokande to największy eksperyment badający neutrina. Dokonał on również w ostatnim czasie największej liczby odkryć związanych z nimi.

Eksperyment Super-Kamiokande

Super-Kamiokande znajduje się 1000 metrów pod powierzchnią Ziemi, w japońskiej kopalni Mozumi. Jest on detektorem składającym się z olbrzymiego zbiornika ultraczystej wody otoczonego przeszło 11 000 fotodetektorami. Zbiornik ma kształt walca, którego średnica i wysokość wynoszą po 40 metrów. Wypełnia go 50 000 ton wody. Zasada jego działania polega na rejestrowaniu oddziaływań neutrin z jądrami bądź elektronami cieczy. W wyniku takiego oddziaływania produkowany jest elektron (jeśli oddziałującym neutrinem było neutrino elektronowe) lub mion (jeśli oddziałało neutrino mionowe). W rzeczywistości sytuacja nie jest tak prosta. Elektron może być również wybity przez neutrino z materii za pośrednictwem wymiany bozonu Z0. W tym przypadku przelatujące przez ośrodek neutrino (obojętnie jakiego typu) wysyła bozon Z0, który absorbowany jest przez elektron. W wyniku absorpcji elektron nabywa wystarczającej energii kinetycznej, aby być zaobserwowany w detektorze. Jednakże prawdopodobieństwo tego, że to neutrino elektronowe spowodowało pojawienie się elektonu w detektorze, jest znacznie większe niż prawdopodobieństwo tego, iż było to neutrino mionowe bądź taonowe. W poniższym zapomnimy o tej niewielkiej domieszce i założymy, że wszystkie elektrony obserwowane w detektorze pochodzą z oddziaływań neutrin elektronowych.

Detektor Super-Kamiokande w czasie konstruowania

Jeśli oddziałujące neutrino miało wystarczająco dużo energii, to wyprodukowany mion lub elektron będzie poruszał się w cieczy z bardzo dużą prędkością. W szczególności prędkość ta może być większa od prędkości rozchodzenia się światła w wodzie. Przypomnijmy tutaj fakt, iż prędkość światła próżni jest maksymalną prędkością, której nie da się przekroczyć (zgodnie z teorią Alberta Einsteina), zaś prędkość rozchodzenia się światła w dowolnym ośrodku materialnym (a takim jest na przykład woda) jest mniejsza od owej maksymalnej prędkości w próżni. Dlatego przekroczenie prędkości rozchodzenia się światła w ośrodku materialnym jest możliwe. Jeśli prędkość cząstki naładowanej jest większa niż prędkość światła w ośrodku, w którym ta cząstka porusza się, zaczyna ona emitować światło w stożku skierowanym zgodnie z kierunkiem jej ruchu. Zjawisko to jest odpowiednikiem dźwiękowej fali uderzeniowej, która powstaje dla obiektów poruszających się szybciej niż dźwięk (np. naddźwiękowych samolotów). Nazywa się ono zjawiskiem Wawiłowa-Czerenkowa. Światło emitowane przez cząstkę jest następnie rejestrowane przez fotodetektory znajdujące się na ścianach zbiornika. Zarejestrowany błysk światła dostarcza naukowcom informacji o kierunku, z którego nadleciało neutrino (powstała w oddziaływaniu naładowana cząstka zazwyczaj kontynuuje ruch neutrina, które ją wyprodukowało) oraz o rodzaju neutrina (czy było ono neutrinem elektronowym, czy mionowym). Informacje o rodzaju neutrina zdobywa się analizując krawędzie zarejestrowanego stożka świetlnego. W przypadku, gdy oddziałało neutrino mionowe, wyprodukował się mion, który emituje stożek światła o bardzo ostro zaznaczonych krawędziach. W przypadku neutrina elektronowego powstał elektron, który chętnie oddziałuje z ośrodkiem i poruszając się produkuje liczne cząstki wtórne, w tym fotony tzw. promieniowania hamowania. W czasie oddziaływań zmienia też nieco kierunek swojego pierwotnego ruchu. Efekty te powodują, że utworzony stożek świetlny nie będzie miał ostrych brzegów. Będą one rozmazane. Dodatkowo naukowcy obliczają, jaką energię posiadało oddziaływujące neutrino. Obliczenia te dokonywane są na podstawie pomiaru ilości światła wyemitowanego przez wyprodukowany elektron bądź mion. Niestety dysponując danymi z Super-Kamiokande nie można ustalić ładunku elektronu lub mionu, a więc odpowiedzieć na pytanie, czy w oddziaływaniu wyprodukowała się cząstka, czy anty-cząstka. W związku z tym ustalenie tego, czy oddziaływało neutrino czy anty-neutrino, jest niemożliwe.

Przypadek z elektronem i mionem

Detektor Super-Kamiokande wywodzi się z wcześniejszego detektora - Kamiokande, który rozpoczął pracę w 1983 roku. Był on ponad 10 razy mniejszy od obecnego. Jego głównym celem było poszukiwanie rozpadu protonu, zjawiska, które powinno zgodnie z niektórymi teoriami fizycznymi zachodzić. Rozpadu protonu nie odkryto (wciąż jest on poszukiwany), za to zauważono, że detektor Kamiokande doskonale nadaje się do badania neutrin pochodzących ze Słońca. Detektor został do tego celu przystosowany i zaczął rejestrować owe neutrina. Dzięki możliwości oceny kierunku, z którego przybywały do detektora neutrina, udało się potwierdzić, że rzeczywiście pochodzą one ze Słońca. Był to pierwszy bezpośredni dowód na to, że Słońce jest źródłem neutrin. We wcześniejszych eksperymentach po prostu zakładano, że to, co się obserwuje, rzeczywiście pochodzi z naszej gwiazdy.

Wybuch supernowej widziany w "świetle" neutrinowym

W 1987 roku eksperyment Kamiokande był jednym z tych, którym udało się zarejestrować neutrina pochodzące z wybuchu supernowej w Wielkim Obłoku Magellana. W latach 90-tych podjęto decyzję o powiększeniu detektora, tak aby mógł on dokonać bardziej czułych pomiarów neutrin pochodzących ze Słońca i neutrin produkowanych w atmosferze przez cząstki promieniowania kosmicznego.

Napełnianie detektora

W 1996 detektor Super-Kamiokande został oddany do użytku. Dwa lata później zespół naukowców pracujących przy eksperymencie przedstawił analizę danych, z której wynikało, że natężenie mierzonych neutrin atmosferycznych typu mionowego jest zależne od odległości, którą te neutrina pokonały pomiędzy punktem produkcji i punktem detekcji. Był to dowód na oscylacje neutrin, czyli przekształcanie się jednego typu neutrin w inne. Oscylacje takie nie są możliwe w przypadku neutrin nieważkich. Neutrina muszą więc posiadać pewną masę.

Wyniki dla neutrin atmosferycznych

Dane eksperymentu Super-Kamiokande potwierdziły również wynik doświadczenia Davisa, czyli obserwacje znacznie niższego niż przewidywany strumienia elektronowych neutrin słonecznych. Wynik ten mógł również zostać wyjaśniony poprzez założenie oscylacji neutrin elektronowych (produkowanych na Słońcu) w inny, niemierzalny w doświadczeniu gatunek neutrin (naturalnym kandydatem na ten gatunek jest tutaj oczywiście gatunek taonowy).

Słońce widziane w świetle neutrinowym przez eksperyment Super-Kamiokande

Eksperyment Super-Kamiokande działał do 2001 roku, kiedy to zdarzył się wypadek. W wyniku uszkodzenia mechanicznego jednego z fotodetektorów, jego pęknięcia i zalania, w wodzie wypełniającej detektor pojawiła się fala uderzeniowa, która spowodowała zniszczenie kilku tysięcy innych fotodetektorów. Super-Kamiokande szybko zostało przebudowane i z mniejszą ilością fotodetektorów (a co za tym idzie, z mniejszą czułością) kontynuowało prace do lata 2005 roku, kiedy rozpoczęto generalną rekonstrukcję detektora. Rekonstrukcja zakończyła się wiosną 2006 roku. Super-Kamiokande znów zbiera dane i zbierać będzie w przyszłości.

Uszkodzenia detektora Super-Kamiokande