Aktualności (nie tylko) fizyczne
Daya Bay – najefektywniejszy eksperyment neutrinowy
Neutrina są najbardziej tajemniczą i najtrudniej wykrywalną formą materii. Od
ponad pół wieku zbierane są doświadczalne dowody ich oscylacji. Ponieważ
oddziałują tylko słabo (za pomocą masywnych bozonów pośredniczących
i
), a stany własne oddziaływania (rodzaje:
elektronowy, mionowy oraz taonowy) są, jak widać, różne od stanów
masowych (numerowanych 1, 2 i 3), więc neutrina zmieniają swój rodzaj
w trakcie lotu.
Dla dwóch rodzajów neutrin oscylacja może być opisana przez prawdopodobieństwo przetrwania

gdzie
jest tzw. kątem mieszania,
jest różnicą kwadratów
mas (mierzoną w
),
jest długością lotu (w metrach), a
jest energią neutrina (w MeV).
Mieszanie trzech rodzajów neutrin może być opisane przez trzy kąty
mieszania
dwie różnice kwadratów mas
oraz łamiącą kombinowaną parzystość CP fazę
(o której jeszcze nie wiadomo, czy jest różna od zera). Dwa
z kątów mieszania (
;
) są dobrze
zmierzone, głównie dzięki powolnej „słonecznej” oscylacji (powodowanej przez
małą
), w której obserwuje się zanikanie neutrin
elektronowych pochodzących ze Słońca, oraz dzięki szybkiej „atmosferycznej”
oscylacji (powodowanej przez dużą
), w której
obserwowane jest zanikanie neutrin i antyneutrin mionowych produkowanych
w atmosferze przez promieniowanie kosmiczne.
Trzeci rodzaj oscylacji jest dużo trudniejszy do zaobserwowania, bo
okazuje się ograniczony do mniej niż około 0,1. Został on
niemal wykryty przez eksperyment T2K (Japonia) za pomocą wiązki neutrin
mionowych wysyłanych z Tokai, a rejestrowanych w Kamioce jako neutrina
elektronowe, ale zbieranie danych zostało przerwane przez trzęsienie ziemi
w ubiegłym roku. W rywalizacji pozostawało kilka grup doświadczalnych
rejestrujących zanikanie antyneutrin produkowanych przez reaktory, ale
przekonującego wyniku nie udawało się uzyskać.
Beniaminkiem w tej rywalizacji jest eksperyment Daya Bay. Zestaw doświadczalny składa się z trzech istniejących elektrowni jądrowych (każda z EJ ma dwa reaktory o mocy 2,9 GW) zlokalizowanych nad zatoką (o właśnie takiej nazwie) niedaleko Hongkongu oraz z trzech specjalnie wydrążonych jaskiń eksperymentalnych wyposażonych w (łącznie) sześć detektorów neutrin. Trzy z nich są tzw. bliskimi detektorami, a trzy są zlokalizowane w średniej odległości od EJ około 1650 m (tzw. dalekie detektory), odpowiadającej pierwszemu maksimum prawdopodobieństwa zanikania neutrin o średniej energii 3 MeV.
Dzięki temu specyficznemu zestawowi doświadczalnemu (oraz kilku innym dobrym pomysłom) większość błędów systematycznych kasuje się i już po dwóch miesiącach zbierania danych oraz po około miesiącu analizy (prowadzonej częściowo „na ślepo”) opublikowano wynik

Został on uzyskany dzięki odpowiedniemu porównaniu liczby oddziaływań rejestrowanych w bliskich oraz dalekich detektorach. Odkrycie, że najmniejszy z kątów mieszania jest znacząco różny od zera, pozwala mieć nadzieję na przeprowadzenie badań naruszania CP w sektorze neutrin i, być może, odpowiedzenie na pytanie, czy obserwowana asymetria między materią i antymaterią może być wyjaśniona bez odwoływania się do nieznanych zjawisk.