Neutrina atmosferyczne są produkowane dzięki procesowi zderzeń cząstek promieniowania kosmicznego, z atomami górnych warstw atmosfery. W wyniku zderzeń powstaje ogromna liczba nietrwałych cząstek zwanych pionami. Pion rozpada się w czasie podróży przez atmosferę na mion oraz neutrino mionowe (nie będziemy na niniejszej stronie rozróżniać cząstek i antycząstek, gdyż detektory mierzące neutrina atmosferyczne, również tego nie potrafią, mówiąc neutrino mamy więc na myśli zarówno neutrino, jak i odpowiadające mu anty-neutrino). Mion rozpada się zaś na elektron, neutrino elektronowe i neutrino mionowe. Bazując na tej prostej przemianie można oszacować stosunek ilości neutrin mionowych do ilości neutrin elektronowych, które docierają do powierzchni Ziemi. Powinien on wynosić 2 do 1, czyli detektory neutrin atmosferycznych powinny rejestrować dwa razy więcej neutrin mionowych od elektronowych. Oczywiście, jak zawsze w fizyce, należy brać pod uwagę liczne dodatkowe poprawki i wprowadzić kilka korekt do owego stosunku. Poprawki te są znane i obliczane przez naukowców. Ostateczne oszacowanie stosunku strumieni neutrin obu gatunków docierających do powierzchni Ziemi jest wyznaczone z dokładnością kilku procent.
![Promieniowanie kosmiczne produkujące neutrina](img/kosmik.jpg)
W 1998 roku eksperyment SuperKamiokande (o którym szerzej możesz przeczytać w części poświęconej dzisiejszym eksperymentom neutrinowym) opublikował pierwszy wynik pomiaru ilości neutrin atmosferycznych obu rodzajów. Naukowcy otrzymali stosunek neutrin mionowych do neutrin elektronowych o czynnik 1,6 mniejszy niż przewidywany!
![Neutrina dochodzące z góry i z dołu](img/kosmik2.jpg)
Drugim wynikiem grupy SuperKamiokande był pomiar asymetrii w ilości neutrin docierających do detektora z dołu i z góry. Promieniowanie kosmiczne dociera do powierzchni Ziemi izotropowo tzn. tak samo z każdego kierunku. Oczywiście ziemskie pole magnetyczne wpływa na rozchodzenie się promieniowanie i zaburza ową symetrię. Jednak jeśli weźmiemy pod uwagę jedynie bardzo szybkie cząstki promieniowania to pole magnetyczne Ziemi będzie miało na nie znikomy wpływ. W eksperymencie skupiono się więc na badaniu bardzo szybkich neutrin, które produkowane były przez bardzo szybkie cząstki promieni kosmicznych. Jeśli promieniowanie kosmiczne dociera do atmosfery w sposób izotropowy to do detektora neutrina powinny docierać również izotropowo (trzeba tu uwzględnić jeszcze poprawkę na grubość atmosfery ziemskiej, która w różnych kierunkach od detektora jest inna, niemniej stwierdzenie, że z kierunku zenitu powinno do detektora docierać dokładnie tyle neutrin co z kierunku nadiru, pozostaje w mocy). Rysunek poniżej przedstawia przewidywania i wyniki pomiaru. Na lewym wykresie, który obrazuje pomiar neutrin elektronowych, wyniki eksperymentu w doskonały sposób zgadzają się z przewidywaniami. Prawy wykres przedstawia natomiast sytuację dla neutrin mionowych. Wynika z niego jasno, że ilość neutrin docierających do detektora "z dołu" jest znacząco mniejsze od przewidywanej. Ilość neutrin docierających "z góry" pozostaje natomiast zgodna z ilością teoretyczną.
![Wynik pomiaru neutrin atmosferycznych](img/oscylacje2.jpg)
Jaki wniosek płynie z wyników eksperymentu SuperKamiokande? Gdzieś pomiędzy punktem powstania, a detektorem część neutrin mionowych znika. Przy czym znikanie to jest zależne od drogi, którą neutrina przebywają. Dla neutrin, które przybywają z góry, przechodząc jedynie przez obszar atmosfery (średnia przebyta przez nie droga wynosi około kilkunastu kilometrów) znikania neutrin nie zanotowano. Dla neutrin, które rodzą się w atmosferze po drugiej stronie globu, a następnie przenikają całą Ziemię (około 10 000 kilometrów) zanim dotrą do detektora, efekt jest znaczący.
![Eksperyment Soudan 2](img/soudan3.jpg)
Eksperyment SuperKamiokande był pierwszym eksperymentem, który opublikował wyniki "znikania" mionowych neutrin atmosferycznych. Wkrótce odkrycie zostało potwierdzone przez detektor Soudan II znajdujący się w kopalni w Minesocie w Stanach Zjednoczonych. Detektor ten również zarejestrował niedobór atmosferycznych neutrin mionowych dochodzących do niego z kierunku nadiru.
![Znikanie mionowych neutrin atmosferycznych](animacje/atm.gif)
Jak wytłumaczyć wyniki eksperymentów SuperKamiokande i Soudan II? Co się dzieje ze znikającymi neutrinami? Czy problem ten da się powiązać z brakującymi neutrinami słonecznymi?
Okazuje się, że znikanie neutrin atmosferycznych i niedobór neutrin słonecznych są dowodami na niezerową masę owych cząstek, o czym powiemy na następnej stronie.