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.