Detector de Neutrinos Super-Kamiokande

Dentro del Mount Ikenoyama en Japón en el interior de una mina de zinc activa, desde 1999 hay un gran tanque de agua ultrapura que es el detector de neutrinos más sensible del mundo.

Las 50.000 toneladas de agua en el tanque detector es tan pura y transparente, que la luz la atraviesa 70 metros antes de que su intensidad se reduzca a la mitad, en comparación con unos pocos metros en una piscina típica. Los 11.000 tubos fotomultiplicadores soplados a mano, tienen medio metro de diámetro, y están recubiertos interiormente con una fina capa de metal alcalino, para detectar la radiación de Cerenkov de la interacción de cualquiera de los neutrinos, electrónicos o neutrinos muón. Kearns, Kajita y Totsuka informaron la detección de 5000 eventos de neutrinos en dos años de medición. De la naturaleza de las interacciones de los rayos cósmicos en la atmósfera superior, se esperan dos neutrinos muón por cada neutrino electrónico, pero se encontraron con una proporción de sólo 1,3 a 1. Su interpretación de este resultado es que la deficiencia está causada por la "oscilación de neutrinos", en la cual se transmutan un número de neutrinos muón en neutrinos tau que son indetectables. La oscilación de neutrinos ha sido objeto de acalorados debates en los últimos años debido a que su existencia implica una masa de los neutrinos. Un análisis más detallado de estos datos del Super-Kamiokande es consistente con la oscilación de los neutrinos, por lo que esta es la primera evidencia experimental clara, apoyando una masa para el neutrino diferente de cero.

Neutrinos Electrónicos, Muón y Tau

Los leptones masivos son el electrón, el muón y la partícula tau, y cada uno de ellos tiene un neutrino asociado. La mayoría de los experimentos con neutrinos implican neutrinos electrónicos que son mucho más comunes en nuestro mundo de baja energía, pero algunos detectores de neutrinos actuales, son también sensibles a los otros dos. La actual generación de detectores de neutrinos como el Super-Kamiokande, puede detectar y distinguir entre neutrinos electrónicos y neutrinos muón. Cuando un neutrino muón interactúa con un núcleo, puede producir un muón energético que viaja sólo una distancia corta, emitiendo un cono de radiación de Cerenkov claramente delineado, que puede ser detectado por los tubos fotomultiplicadores. Una interacción de neutrino electrónico puede producir un electrón energético, pero el cono de Cerenkov de esta interacción, difiere significativamente de la del muón. El electrón genera una lluvia de electrones y positrones, cada una con su propio cono Cerenkov. Esto se esparce fuera del círculo de luz que llega a los detectores, el círculo difuso en los fotomultiplicadores, es la firma del neutrino electrónico. Los neutrinos tau no son detectados por estos detectores debido a que las energías de los neutrinos no son suficientes para producir partículas tau (que tienen aproximadamente 3500 veces la masa de un electrón).

La primera evidencia experimental clara de la diferencia entre los neutrinos electrónicos y los neutrinos muón, vino de un experimento llevado a cabo en el Brookhaven en 1962. Las dos reacciones indicadas habría sido igualmente probables si los neutrinos electrónicos y los neutrinos muón fueran los mismos.

Como los neutrinos electrónicos y los neutrinos muón son distintos, la segunda reacción de arriba, viola la conservación del número leptónico.