Super Kamiokande

Pierwsze doświadczenie które potwierdziło zachodzenie oscylacji zrobił zespół złożony ze 114 badaczy oraz studentów którzy pochodzili z dwudziestu trzech ośrodków naukowych w Japonii oraz USA. W tym zespole była także Polka - Danuta Kiełczewska z Instytutu Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego. Jak na to wskazuje samo określenie, doświadczenie zostało oparte na eksperymentach poprzednio wykonanego KM III oraz należy do obserwatorium ICRR w Kamioce.

Detektor Super Kamiokande jest umieszczony prawie tysiąc m pod ziemią (co równoważy prawie 2700 m osłony wodnej) w nieczynnej aktualnie kopalni Mozumi. Miejsce to nie zostało wybrane tak całkowicie przypadkowo. Poza tym, iż należy do Kamioka Mining and Smelting Company powiązanej od zawsze prawie z projektem Kamiokande, to także korzystna dla badaczy jest wartość promieniowania naturalnego w tym obszarze. Tło wynosi tam jedynie prawie jednego neutronu na rok.

Detektor został skończony w 1995 r. Jest on tak samo jak w KM III zbiornikiem wodnym w formie walca, ale tym razem o wiele potężniejszym - 41.4 m wysokości oraz 39.3 m średnicy. Posiada on prawie 50 000 ton wody która jest rozmieszczona w dwóch częściach - po 32 oraz 18 tys. ton w odpowiednio wewnętrznej oraz zewnętrznej części pojemnika. Część zewnętrzna wykorzystywana jest do osłony przed tłem (kosmiczne miony oraz niewielka promieniotwórczość naturalna otoczenia detektora).

Ściany wewnętrznego pojemnika pokryte są prawie jedenastoma tysiącami fotopowielaczy które mogą wykryć nawet pojedyncze fotony promieniowania Czerenkowa. Zostały one zrobione jako prezent dla projektu SK przez HAMAMATSU Co. by zwiększyć dokładność modułów PMT powierzchnia ścian za nimi została pokryta białymi arkuszami polietylenu które nie pochłaniają światła, wprowadzono także korekcję sprawności fotopowielacza (przy późniejszych wyliczeniach), a w celu wyeliminowania wpływu ziemskiego pola magnetycznego na działanie PMT w detektorze zamontowano 26 zestawów cewek Helmholtza. Ale mimo tego rejestrowane są zaburzenia przy pomiarach które pochodzą z pewnego punktu na wschodzie od detektora, spowodowane asymetrią ziemskiego pola magnetycznego.

Zbiornik detektora zapełniony został na początku 1996 r.

Rezultaty 535 dni pomiarów zostały po raz pierwszy pokazane na konferencji Neutrino `98 w Takayamie (4-9 czerwca 1998). W czasie pierwszych trzystu dni pomiarów zarejestrowano wiele więcej neutrin aniżeli w czasie prawie dwóch tysięcy dni analiz dawnego Kamiokande.

Wyniki przewidywano za pomocą konkretnego oprogramowania oraz symulacji Monte Carlo. Do zanalizowania hipotetycznego zjawiska oscylacji zastosowano neutrina które powstają w atmosferze ziemskiej. Tworzą się one przede wszystkim w 2 reakcjach:

Można więc w prosty sposób wyliczyć, iż neutrin (oraz antyneutrin) typu mionowego jest 2 razy więcej aniżeli elektronowych. W wyliczeniach przyjęto błąd dla tej wielkości rzędu 5%. Wyznaczono także inny stosunek. Miał on być wykorzystany do porównania wartości zmierzonej strumienia odpowiednich cząsteczek z wartościami przewidzianymi symulacją MC.

Można zatem napisać:

gdzie czynnik oznaczony indeksem DATA to stosunek strumieni neutrin mionowych oraz elektronowych który został zmierzony w eksperymencie, natomiast MC to taki sam stosunek jaki został wcześniej przewidziany przy pomocy komputera. Gdyby w przypadku neutrin nie dochodziło do procesu oscylacji, wówczas wyznaczone R byłoby jednością, zatem uzasadniona mniejsza wartość R mogłaby być dowodem występowania mieszania typów cząstek. Celem doświadczenia było jej dokładne obliczenie. Potem opracowane wyniki dały ustalić wielkość R na 0.66 0.06 (stat.) 0.08 (syst.), co daje prawie trzydziesto procentowy deficyt.

Występuje przy tym kłopot rozróżnienia, czy zaobserwowane fotopowielacze reakcje zostały spowodowane przez neutrina elektronowe czy mionowe. Otóż da się to zdefiniować z 99% pewnością, stosując do tego nazwijmy to aktywność konkretnej cząsteczki. Mion jaki powstaje po zderzeniu neutrina mionowego z wodą słabo reaguje z otoczeniem, więc nie przemieszcza się a bardzo na swojej drodze do PMT. Co innego w jeżeli chodzi o elektrony. Oddziałuje on na tyle, iż jest w stanie wykryć nieregularności stożka promieniowania Czerenkowa które są spowodowane jego ruchem.

Dzięki systemowi fotopowielaczy ewentualne jest również precyzyjne zdefiniowanie z jakiego kierunku nadleciało reagujące neutrino (dało to możliwość nawet na otrzymanie pierwszej "fotografii" Słońca w świetle neutrinowym, na której biały kolor odpowiada maksymalnej ilości zarejestrowanych cząsteczek).

Rejestrowany strumień dzieli się na 2 zasadnicze części - cząsteczki, które przybyły od razu z atmosfery (po przebyciu prawie dwudziestu km) oraz te które przybywają "spod" detektora, zatem podróżujące prawie 13 000 km przez wnętrze naszej planety. W zgodzie ze wzorem na prawdopodobieństwo oscylacji, jest ono wprost proporcjonalne do przebytej przez cząsteczkę odległości, więc druga część strumienia posiadała większą szansę zmiany generacji.

Jeśli oscylacje naprawdę mają miejsce, to tłumaczy to także po części kłopot pewnych różnic między strumieniem rejestrowanym w nocy oraz w dzień (Słońce nad detektorem), jakkolwiek są one małe. Zastosowano to w SK.

Do wyliczeń wprowadzono także nową wielkość - asymetrię, która miała obrazować zależność pomiędzy strumieniami cząsteczek lecących "w górę" oraz "w dół".

Jeżeli zatem będziemy oznaczać przez D liczbę neutrin które przychodzą od razu z atmosfery (lecą w dół), a ilość tych które podróżują przez nasza planetę przez U, wówczas asymetrię A da się przedstawić następująca zależnością :

Ze względów technicznych oraz cech detektora założono za strumień U te cząsteczki, dla których występuje zależność -1

Równanie to da się przekształcić by przyrównać do zera, gdyby liczba neutrin jakiegoś typu w strumieniu nie była uzależniona od kierunku, z którego przybyły. Z zebranych przez zespół SK danych dało się ustalić wartość asymetrii dla obu generacji neutrin. W przypadku neutrin elektronowych odchylenia od wartości 0 są małe oraz biorą się one przede wszystkim z błędów systematycznych, ale dla cząsteczek z 2 generacji pojawia się wyraźna asymetria. Jej wartość równa jest:

A= 0.296 0.048 (syst.) 0.01 (stat.)

Wynik ten możemy przyjmować jako pewny, gdyż pojawiło się ponad sześć odchyleń standardowych. Ilustracja umieszczona poniżej posiada oryginalne wykresy asymetrii w funkcji momentu zrobione przez SK:

W zgodzie z powyższymi założeniami niezerowa wartość asymetrii niezaprzeczalnie udowadnia że istnieje proces oscylacji neutrin. Co ciekawsze, nie udało się wytłumaczyć braku asymetrii w przypadku neutrin elektronowych. Jakby przy okazji Super Kamiokande dokonał rewolucji w fizyce cząstek - zdefiniował jako niezerowa masę o najmniej jednego z neutrin (niezbędny jest warunek różnego od 0 prawdopodobieństwa oscylacji).