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](img/kosmik.jpg)
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](img/kosmik2.jpg)
Atmosfera otacza cały glob ziemski. Neutrina są w podobnej ilości produkowane w każdym jej obszarze (bez znaczenia jest tu szerokość oraz wysokość 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](img/oscylacje2.jpg)