Atmosfera ziemska

Z przestrzeni międzygwiazdowej do górnych warstw atmosfery dochodzi promieniowanie kosmiczne. Promieniowaniem tym są bardzo szybko poruszające się cząstki takie jak elektrony i jądra atomowe. Cząstki te zderzają się z atomami atmosfery. W zderzeniach produkowane są krótko żyjące obiekty takie jak piony. Piony rozpadają się na miony i anty-neutrina mionowe. Miony również żyją krótko i rozpadają się na elektrony, neutrina mionowe i anty-neutrina elektronowe. Neutrina produkowane w atmosferze docierają do powierzchni Ziemi, gdzie mogą być rejestrowane przez specjalne detektory.


Atmosfera ziemska jest bez przerwy bombardowana cząstkami promieniowania kosmicznego. Cząstkami tym są przede wszystkim protony (około 86%), cząstki alfa - czyli jądra helu (około 13%) oraz jądra cięższych pierwiastków. Cząstki promieniowania oddziałują z atomami atmosfery. W czasie tych oddziaływań mogą zachodzić procesy prowadzące do powstania rzadkich, nie występujących naturalnie cząstek - tzw. pionów (mówiliśmy o nich w rozdziale poświęconym promieniowaniu kosmicznemu i odkryciu neutrina mionowego). Piony są obiektami niestabilnymi, które po krótkim czasie życia rozpadają się na miony oraz anty-neutrina mionowe (zgodnie oczywiście z zasadą zachowania liczby mionowej). Miony również nie pozostają długo stabilne i po chwili życia zamieniają się w elektrony, anty-neutrina elektronowe oraz neutrina mionowe. W atmosferze produkowane są więc zarówno neutrina z rodzaju mionowych, jak i z rodzaju elektronowych (anty-neutrina), przy czym liczba neutrin mionowych (neutrin+anty-neutrin) jest dwukrotnie większa niż neutrin elektronowych - z każdym powstającym mionem powstaje anty-neutrino mionowe, zaś z każdym rozpadem mionu anty-neutrino elektronowe i neutrino mionowe.

Promieniowanie kosmiczne

Na powierzchni Ziemi powinniśmy więc obserwować dwa razy więcej neutrin rodzaju mionowego niż neutrin rodzaju elektronowego (chwilowo posługujemy się nazwą neutrina, pod którą rozumiemy zarówno neutrina danego rodzaju, jak i anty-neutrina tego samego rodzaju). Stwierdzenie to nie jest w pełni prawdziwe. Otóż zgodnie z teorią względności, niestabilne cząstki, które poruszają się z dużymi prędkościami, żyją dłużej. Część mionów powstających w wyniku oddziaływania cząstek promieniowania kosmicznego ma takie prędkości, że dociera do powierzchni Ziemi nie rozpadając się. Promieniowanie kosmiczne może również produkować w atmosferze ziemskiej inny gatunek cząstek, tzw. kaony, których rozpady dodatkowo zaburzają ów stosunek neutrin mionowych i elektronowych. Niemniej dla neutrin o dość niskich energiach stosunek 2:1 powinien być istotnie obserwowany.

Promieniowanie kosmiczne

Atmosfera otacza cały glob ziemski. Neutrina są w podobnej ilości produkowane w każdym jej obszarze (bez znaczenia jest tu szerokość oraz długość geograficzna). Co więcej, neutrina bez problemu przenikają przez całą Ziemię (przypomnijmy, że oddziałują one z materią wyjątkowo niechętnie). Jeśli umieścimy detektor neutrin atmosferycznych w pewnym miejscu na powierzchni Ziemi, powinien on wykryć tyle samo neutrin docierających do niego z góry (produkowanych w atmosferze tuż nad nim), co z dołu (produkowanych w atmosferze na antypodach i przenikających przez całą Ziemię). Budowa takiego detektora i obserwacja neutrin dochodzących do niego z różnych kierunków oraz pomiar stosunku ilości neutrin mionowych do elektronowych byłby wspaniałym testem dla naszego modelu neutrin oraz modelu oddziaływania promieniowania kosmicznego z atmosferą. Pierwszy czuły detektor, który dokonał pomiaru neutrin atmosferycznych, powstał w Japonii. Rejestrował on zarówno neutrina elektronowe, które dochodziły do niego w równych ilościach (uwzględniając dodatkową poprawkę na różną grubość atmosfery w różnych kierunkach od detektora) ze wszystkich kierunków (co jest zgodne z powyższym rozumowaniem), jak i neutrina mionowe. W przypadku tych drugich, ku zaskoczeniu fizyków, okazało się, że ilość neutrin docierających z góry w przybliżeniu odpowiada teorii, zaś ilość neutrin przychodzących do detektora od dołu jest znacznie mniejsza od przewidywanej! Rozwiązanie zagadki "brakujących" neutrin było jednym z najważniejszych osiągnięć w fizyce przełomu XX i XXI wieku.

Strumień neutrin elektronowych i mionowych