Zagadka atmosfery

Neutrina rodzą się również w atmosferze ziemskiej. Pochodzą one z rozpadów krótkożyjących cząstek produkowanych w czasie zderzeń promieniowania kosmicznego z atomami atmosfery. W wyniku rozpadów powstają zarówno neutrina elektronowe, jak i mionowe. Detektory budowane w kopalniach pod powierzchnią Ziemi są w stanie mierzyć owe neutrina i wyznaczać ich ilość. W latach 90-tych po raz pierwszy zmierzono także ilość owych neutrin dochodzących do detektorów z różnych kierunków. W szczególności zwrócono uwagę na neutrina docierające z kierunku antypodów - neutrina te narodziły się w atmosferze po przeciwnej stronie globu, a następnie przenikały przez całą Ziemię i trafiały do detektora. Mierząc neutrina mionowe docierające z antypodów okazało się, że jest ich znacznie mniej niż tych docierających z kierunku zenitu. Neutrina mionowe pokonując Ziemię gdzieś znikały...


Neutrina atmosferyczne są produkowane dzięki procesowi zderzeń cząstek promieniowania kosmicznego z atomami górnych warstw atmosfery. W wyniku zderzeń powstaje ogromna liczba nietrwałych cząstek zwanych pionami. Pion rozpada się w czasie podróży przez atmosferę na mion oraz neutrino mionowe (nie będziemy na niniejszej stronie rozróżniać cząstek i antycząstek, gdyż detektory mierzące neutrina atmosferyczne również tego nie potrafią, mówiąc neutrino mamy więc na myśli zarówno neutrino, jak i odpowiadające mu anty-neutrino). Mion rozpada się zaś na elektron, neutrino elektronowe i neutrino mionowe. Bazując na tej prostej przemianie można oszacować stosunek ilości neutrin mionowych do ilości neutrin elektronowych, które docierają do powierzchni Ziemi. Powinien on wynosić 2 do 1, czyli detektory neutrin atmosferycznych powinny rejestrować dwa razy więcej neutrin mionowych od elektronowych. Oczywiście, jak zawsze w fizyce, należy brać pod uwagę liczne dodatkowe poprawki i wprowadzić kilka korekt do owego stosunku. Poprawki te są znane i obliczane przez naukowców. Ostateczne oszacowanie stosunku strumieni neutrin obu gatunków docierających do powierzchni Ziemi jest wyznaczone z dokładnością kilku procent.

Promieniowanie kosmiczne produkujące neutrina

W 1998 roku eksperyment SuperKamiokande (o którym szerzej możesz przeczytać w części poświęconej dzisiejszym eksperymentom neutrinowym) opublikował pierwszy wynik pomiaru ilości neutrin atmosferycznych obu rodzajów. Naukowcy otrzymali stosunek neutrin mionowych do neutrin elektronowych o czynnik 1,6 mniejszy niż przewidywany!

Neutrina dochodzące z góry i z dołu

Drugim wynikiem grupy SuperKamiokande był pomiar asymetrii w ilości neutrin docierających do detektora z dołu i z góry. Promieniowanie kosmiczne dociera do powierzchni Ziemi izotropowo, tzn. tak samo z każdego kierunku. Oczywiście ziemskie pole magnetyczne wpływa na rozchodzenie się promieniowania i zaburza ową symetrię. Jednak jeśli weźmiemy pod uwagę jedynie bardzo szybkie cząstki promieniowania, to pole magnetyczne Ziemi będzie miało na nie znikomy wpływ. W eksperymencie skupiono się więc na badaniu bardzo szybkich neutrin, które produkowane były przez bardzo szybkie cząstki promieni kosmicznych. Jeśli promieniowanie kosmiczne dociera do atmosfery w sposób izotropowy, to do detektora neutrina powinny docierać również izotropowo (trzeba tu uwzględnić jeszcze poprawkę na grubość atmosfery ziemskiej, która w różnych kierunkach od detektora jest inna, niemniej stwierdzenie, że z kierunku zenitu powinno do detektora docierać dokładnie tyle neutrin co z kierunku nadiru, pozostaje w mocy). Rysunek poniżej przedstawia przewidywania i wyniki pomiaru. Na lewym wykresie, który obrazuje pomiar neutrin elektronowych, wyniki eksperymentu w doskonały sposób zgadzają się z przewidywaniami. Prawy wykres przedstawia natomiast sytuację dla neutrin mionowych. Wynika z niego jasno, że ilość neutrin docierających do detektora "z dołu" jest znacząco mniejsze od przewidywanej. Ilość neutrin docierających "z góry", pozostaje natomiast zgodna z ilością teoretyczną.

Wynik pomiaru neutrin atmosferycznych

Jaki wniosek płynie z wyników eksperymentu SuperKamiokande? Gdzieś pomiędzy punktem powstania a detektorem część neutrin mionowych znika. Przy czym znikanie to jest zależne od drogi, którą neutrina przebywają. Dla neutrin, które przybywają z góry, przechodząc jedynie przez obszar atmosfery (średnia przebyta przez nie droga wynosi około kilkunastu kilometrów), znikania neutrin nie zanotowano. Dla neutrin, które rodzą się w atmosferze po drugiej stronie globu, a następnie przenikają całą Ziemię (około 10 000 kilometrów) zanim dotrą do detektora, efekt jest znaczący.

Eksperyment Soudan 2

Eksperyment SuperKamiokande był pierwszym eksperymentem, który opublikował wyniki "znikania" mionowych neutrin atmosferycznych. Wkrótce odkrycie zostało potwierdzone przez detektor Soudan II znajdujący się w kopalni w Minnesocie w Stanach Zjednoczonych. Detektor ten również zarejestrował niedobór atmosferycznych neutrin mionowych dochodzących do niego z kierunku nadiru.

Znikanie mionowych neutrin atmosferycznych

Jak wytłumaczyć wyniki eksperymentów SuperKamiokande i Soudan II? Co się dzieje ze znikającymi neutrinami? Czy problem ten da się powiązać z brakującymi neutrinami słonecznymi?

Okazuje się, że znikanie neutrin atmosferycznych i niedobór neutrin słonecznych są dowodami na niezerową masę owych cząstek, o czym powiemy na następnej stronie.