Laboratorium w Gran Sasso (LNGS – Laboratori Nazionali del Gran Sasso) jest obecnie największym podziemnym laboratorium fizyki. Znajduje się na wysokości ok. 1000m  n.p.m., we wnętrzu masywu górskiego Gran Sasso, którego szczyty sięgają 3000m, w 10-cio kilometrowym tunelu autostrady łączącej Rzym z Teramo.

Uruchomienie detektora ICARUS jest wielkim wydarzeniem dla fizyków uczestniczących w tym eksperymencie, ponieważ jest to pierwszy tak masywny i tak precyzyjny detektor ciekło-argonowy działający w podziemnym laboratorium. Detektor został zbudowany przez 70-cio osobową międzynarodową współpracę fizyków ICARUS, którą kieruje prof.C.Rubbia, laureat nagrody Nobla z fizyki w roku 1984.

Liczna, bo 20-sto osobowa grupa polskich fizyków z

• Instytutu Problemów Jądrowych im. A. Sołtana w Warszawie,
• Instytutu Radioelektroniki Politechniki Warszawskiej,
• Instytutu Fizyki Teoretycznej Uniwersytetu Wrocławskiego,
• Instytutu Fizyki Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach
• oraz Instytutu Fizyki Jądrowej PAN im. H. Niewodniczańskiego w Krakowie,

od ponad dziesięciu lat aktywnie uczestniczy w realizacji tego eksperymentu. Detektor działa już od prawie roku i w tym czasie dostarczył bardzo ciekawych wyników dotyczących oddziaływań neutrin.

Neutrina to cząstki elementarne o znikomej masie (w porównaniu z masą innych znanych cząstek elementarnych), nieposiadające ładunku elektrycznego i poruszające się z prędkością bliską prędkości światła. Znamy obecnie trzy rodzaje neutrin: elektronowe, mionowe i taonowe. Neutrina powstają np. we wnętrzu słońca w wyniku reakcji łączenia się lekkich jąder atomowych, z kolei tzw. neutrina atmosferyczne są produkowane w wyniku zderzeń cząstek promieniowania kosmicznego z atmosferą naszej Ziemi, a neutrina reliktowe to pozostałość po Wielkim Wybuchu. Natura neutrin nie jest do końca poznana pomimo tego, że otaczają nas zewsząd – np. w każdej sekundzie przez 1cm2 przechodzi ok. 100 miliardów neutrin produkowanych w Słońcu. Przyczyną tego jest niezwykle małe prawdopodobieństwo oddziaływania neutrin z materią. Dlatego detektory neutrin muszą posiadać, tak jak detektor ICARUS, olbrzymią masę liczoną w setkach bądź tysiącach ton. A ponadto muszą pracować głęboko pod powierzchnią Ziemi, aby rzadkie przypadki oddziaływania neutrin z materiałem detektora nie były zakłócane przez częste, na powierzchni Ziemi, oddziaływanie cząstek promieniowania kosmicznego. Właśnie z tego powodu, detektory neutrin są umieszczane albo we wnętrzach gór albo w kopalniach, a wynikiem ich wielomiesięcznej pracy jest zaledwie kilka, kilkadziesiąt lub, w najlepszym przypadku, kilkaset zaobserwowanych w tym czasie oddziaływań neutrin. Nawet ta niewielka liczba pozwoliła jednak na dokonanie niezwykle istotnego odkrycia tzw. oscylacji neutrin, czyli zmiany jednego rodzaju neutrina w inny, np. neutrina elektronowego w neutrino mionowe/taonowe na drodze z wnętrza Słońca do jego powierzchni. Badając neutrina na Ziemi możemy badać procesy zachodzące głęboko we wnętrzu gwiazd, których badanie nie było dotychczas możliwe przy użyciu fotonów – nośników informacji w tradycyjnej astronomii.

Oprócz neutrin ze źródeł naturalnych możemy badać także neutrina powstające w reaktorach elektrowni atomowych oraz neutrina z tzw. wiązek neutrin, które są produkowane przy pomocy akceleratorów przyśpieszających cząstki do wysokich energii. W laboratorium CERN w Genewie taka wiązka neutrin (wiązka CNGS: CERN – Gran Sasso) jest produkowana i wysyłana w kierunku laboratorium w Gran Sasso. Neutrina pokonują praktycznie bez przeszkód pod powierzchnia Ziemi odległość 732km, ponieważ bardzo niechętnie oddziałują z materią, i trafiają do detektora ICARUS.

Przykładowe oddziaływania neutrin zarejestrowane przez detektor ICARUS w 2010 roku pokazane są na fotografii poniżej. Detektor ICARUS pozwala nie tylko na trójwymiarową rekonstrukcję torów cząstek powstających w wyniku oddziaływania neutrin, ale także często na wyznaczenie ich energii i identyfikację. Otrzymujemy więc pełną informacje o zdarzeniu, co znakomicie ułatwia interpretację uzyskanych wyników.

Przykładowy zestaw zdarzeń zarejestrowanych w detektorze ICARUS w 2010 roku,
pochodzący z prezentacji Francesco Pietropaolo
na konferencji Neutrino Telescopes 2011

Notatka opracowana przez

Prof. dr hab. Jana Kisiela z Uniwersytetu Śląskiego

koordynatora polskich grup w eksperymencie ICARUS: