Pod lodem i pod wodą

Wielkie detektory konstruowane przez człowieka zawierają dziesiątki tysięcy ton substancji, z którą mogą oddziałać przelatujące przez niego neutrina. Detektory budowane w oparciu o to, czego dostarcza nam przyroda, mogą mieć miliony ton owej substancji. Są to detektory działające wewnątrz pokrywy lodowej Bieguna Południowego i detektory umieszczone na dużych głębokościach pod wodą. Dzięki swoim rozmiarom (wielokrotnie przekraczającym rozmiar Super-Kamiokande) są one w stanie wykryć neutrina o ekstremalnie wysokich energiach. Technika detektorów podlodowych i podmorskich jest wciąż na wstępnym etapie rozwoju, jednak już dziś działają eksperymenty, które ją wykorzystują.


Eksperymenty typu Super-Kamiokande czy SNO nie mogą rejestrować neutrin o skrajnie wysokich energiach. Neutrina takie bowiem w oddziaływaniach produkują jedynie bardzo wysoko energetyczne elektrony lub miony. Takie skrajnie energetyczne naładowane cząstki oczywiście również wytwarzają promieniowanie Wawiłowa-Czerenkowa. Jednak detektory mające wielkość kilkudziesięciu metrów (jak Super-Kamiokande) nie są w stanie dokładnie zarejestrować tego promieniowania (detektory są po prostu za małe). Również częstotliwość pojawiania się tak wysokoenergetycznych neutrin nie jest wysoka, tak że aby zarejestrować odpowiednio duża liczbę przypadków ich oddziaływań, detektor powinien być znacznie większy od olbrzymiego Super-Kamiokande. Niestety im większy detektor, tym większy koszt jego budowy... Okazuje się jednak, że istnieje sprytne rozwiązanie owego budżetowego problemu. Można bowiem wykorzystać detektory, które udostępniła nam sama natura.

Baza polarna nad detektorem AMANDA

Detektor AMANDA znajduje się na biegunie południowym, a właściwie na głębokości 1,5 - 2 km pod jego lodową powierzchnią. Składa się z około 700 fotodetektorów obserwujących otaczający je lód. Na tej głębokości jest on wyjątkowo przezroczysty i w miarę jednorodny. Wysokoenergetyczne neutrina przechodząc przez lód mogą oddziaływać z nim i produkować naładowane cząstki. Naukowcy z eksperymentu AMANDA koncentrują się na wyprodukowanych w ten sposób mionach (przypomnijmy, że miony mogą zostać wyprodukowane jedynie przez neutrina mionowe). Mion jest cząstką bardzo przenikliwą i może pokonać kilkaset metrów w lodzie emitując przy tym promieniowania Wawiłowa-Czerenkowa. W związku z tym detektor może rejestrować oddziaływania neutrin mionowych, które nastąpiły nawet w dużej odległości od fotopowielaczy. Zwiększone są tym samym rozmiary samego detektora. Neutrina elektronowe natomiast bardzo szybko zatrzymują się w ośrodku. Aby zarejestrować ich dostatecznie wiele, detektor musiałby być znacznie większy. Prace nad takim detektorem trwają.

Eksperyment AMANDA Symulacja przechodzącego przez detektor mionu

Naukowcy pracujący przy eksperymencie AMANDA są świadomi, iż wiele wysokoenergetycznych mionów produkowanych jest bezpośrednio przez promieniowanie kosmiczne w atmosferze znajdującej się nad biegunem. Aby pozbyć się tego niechcianego tła analiza skupia się na badaniu tylko takich mionów, które docierają do detektora od dołu. Jeśli bowiem mion dociera od dołu, to oznacza to, że został wyprodukowany przez neutrino, które jako jedyna cząstka jest w stanie przejść przez całą Ziemię. Ziemia służy w tym wypadku za swoisty filtr.

Baza polarna nad detektorem AMANDA

Konkurencją dla detektora AMANDA jest detektor BAIKAL. Jako ośrodek, w którym następuje oddziaływanie neutrin, wykorzystuje on wodę jeziora Bajkał. Detektor zanurzony jest na głębokości około 1000 metrów, a jego konstrukcja zbliżona jest do konstrukcji AMANDY. Przewagą nad detektorem podlodowym jest w wypadku eksperymentu BAIKAL znacznie łatwiejsze umieszczenie fotodetektorów w ośrodku oraz ich ewentualna późniejsza konserwacja. Minusem są natomiast liczne zanieczyszczenia wody, w tym pojawiająca się w niej fluorescencja i rozpady zawartych w niej związków promieniotwórczych.

Eksperyment BAIKAL

Dlaczego tak ważne jest zmierzenie skrajnie wysokoenergetycznych neutrin? Otóż jest kilka istotnych powodów przeprowadzania tych badań. Detektory typu AMANDA czy BAIKAL mogą rejestrować kierunek, z którego przybyło neutrino, i tym samym zlokalizować jego źródło. Stwierdzenie, że znane nam (z obserwacji w widmie elektromagnetycznym) obiekty kosmiczne mogą produkować wysokoenergetyczne neutrina, powiedziałoby nam wiele na temat procesów w nich zachodzących. W szczególności poszukuje się neutrin związanych z rozbłyskami gamma - największymi zaobserwowanymi wybuchami we Wszechświecie, których pochodzenie nie zostało jeszcze w pełni wyjaśnione.

Wynik eksperymentu AMANDA

Innym ciekawym pomiarem jest poszukiwanie egzotycznych składników tzw. ciemnej materii zwanych WIMPami. Ciemna materia to materia, której istnienia jesteśmy pewni. Widzimy, jak oddziałuje na zwykłą materię grawitacyjnie (zaobserwowano ten efekt badając ruchy galaktyk). Nie dostrzegamy jednak jej w żaden inny sposób. Jednym z kandydatów na cząstki tej tajemniczej materii są tzw. WIMPy (z ang. Weakly Interacting Massive Particles). Jeśli takie obiekty rzeczywiście istnieją, to mogłyby, przyciągane grawitacyjnie, gromadzić się w centrum Słońca lub Ziemi. Z czasem ich zagęszczenie zwiększałoby się na tyle, że oddziaływałyby one ze sobą, również anihilowały. W wyniku anihilacji mogłyby być generowane, oprócz innych cząstek, neutrina o bardzo wysokich energiach. Poszukiwanie takich wysokoenergetycznych neutrin pochodzących ze Słońca jest jednym z celów podlodowych i podwodnych eksperymentów neutrinowych.