Analiza oscylacji oraz weryfikacje eksperymentalne

Transkrypt

1 Analiza oscylacji oraz weryfikacje eksperymentalne!! Formalizm oscylacji 3 zapachy!! Analiza oscylacji neutrin atmosferycznych!! Analiza oscylacji neutrin s!onecznych!! Weryfikacja oscylacji neutrin s!onecznych w eksperymencie reaktorowym!! Weryfikacja oscylacji neutrin atmosferycznych w eksperymentach akceleratorowych!! Podsumowanie

2 Oscylacje 2 zapachów ( ) = sin 2 2% sin &m 2 L P! " #! $ ' ) ( E! *, + Np. gdy k"t mieszania!="/4 wtedy w odleg!o#ci L=L osc/2 ca!y pocz"tkowy zapach # $% zamienia si$ w zapach # &% Maksymalne mieszanie

3 Czu!o#% na oscylacje! # (MeV) L (m) Supernowe <100 > S!oneczne < Atmosferyczne > Reaktorowe <10 < Akceleratorowe z krótk" baz" Akceleratorowe z d!ug" baz" > >100 <

4 Mieszanie 3 zapachów Dla neutrin macierz PMNS (Pontecorvo-Maki-Nakagava-Sakata)! " 0 # CP U = " $ $ $ # c 1 2 s 1 2 0! s 1 2 c % ' ' ' & " $ $ # $ c 2 3 s 2 3 0! s 2 3 c 2 3 % ' ' & ' " $ $ # $ c s 1 3 e i( 0 1 0! s 1 3 e! i( 0 c 1 3 % ' ' & ' rotacja o: rotacja o: rotacja o:

5 Amplituda prawd. oscylacji

6 Prawdopodobie&stwo oscylacji 3 zapachy W ogólnym przypadku: P(! " #! $ ) = A(! " #! $ ) 2 ",$=! e,! µ,! % * )m = & "$ ' 4( 2 R( U * "i U $i U " j U * $ j )sin 2 ij L-, / + 2 I (U * i> j + 4E "i U $i U " j U * ) * ( $ j sin )m ij,. i> j + 2E Dla! =0 dostaje sie: - ' 1.27&m P(! " #! $ ) = % 4 / a 12 sin 2 12 )./ ( E 2 L * +, + a ' 1.27&m sin2 ) ( E 2 L * +, + a ' 1.27&m sin2 ) ( E 2 L 2 L - /. * 0, gdzie: a 12! U "1 U #1 U " 2 U # 2 a 13! U "1 U #1 U " 3 U # 3 a 23! U " 2 U # 2 U " 3 U # 3

7 Prawdop. oscylacji 3 zapachy ('=0) Za!ó(my:!m 2 13 "!m 2 23 #!m 2!m 2 12 # $m 2!m 2! $m 2 Wtedy mamy 2 typy eksperymentów: Eksp. A atmosferyczne - ma!e L/E: Eksp. B s!oneczne - du(e L/E - ' 1.27&m 2 L* P(! " #! $ ) = % 4 a 12 sin 2 ), ( E (a + a ) 0 / / 12

8 Przej#cia mi$dzy 3 stanami masowymi Przy 3 generacjach s" 3 ró(nice mas 'm 2 ale tylko 2 s" niezale(ne:

9 Prawd. oscylacji 3 zapachy ('=0) Eksp. A atmosferyczne - ma!e L/E:!m 2! "m 2 W Super-K nie obserwuje si$ nadmiaru neutrin elektronowych czyli k"t Eksp. B s!oneczne - du(e L/E musi by% ma!y Wida%, (e gdy! 13 =0 wszystkie wzory s" takie, jak w przypadku 2 zapachów

10 Rozk!ady k"towe neutrina atmosf. (SK)! = 0 z góry!=" z dolu Z udzia!em UW niebieski MC bez oscylacji czarne punkty dane czerwony MC z oscylacjami ( best fit )

11 Interpretacja rozk!adów k"towych Wida%, (e zgin$!a po!owa neutrin mionowych przelatuj"cych przez Ziemi$. Co si$ z nimi sta!o? Za!ó(my oscylacje: ale co to jest Rozk!ady k"towe dla # e zgodne z przewidywaniami bez oscylacji. Wygl"da, (e to: ale nie obserwujemy oddz. Zapach neutrina identyfikujemy poprzez na!adowany lepton: ale energie neutrin atmosf. na ogó! za ma!e do wyprodukowania taonu mµ = 106 MeV m! = 1777 MeV

12 Prawdop. zanikania # µ : Oszacowanie k"ta mieszania Dla du(ych odleg!o#ci L oscylacje wyst$puj" dla wielu ró(nych E #,% wi$c mo(na zrobi% przybli(enie: Wtedy: W danych wida%, (e neutrina id"ce do góry znikaj" w po!owie tzn: mieszanie maksymalne Do wyznaczenia parametrów oscylacji oraz ich b!$dów analizuje si$ wszystkie próbki danych metod" najmniejszego

13 Wyniki dopasowania: ( 2 vs 'm 2

14 Oscylacje neutrin atmosferycznych - podsumowanie Dane z eksperymentu Super-Kamiokande. wykaza!y deficyt neutrin mionowych przechodz"cych dostatecznie du(e odleg!o#ci przez Ziemi$. Odkrycie oscylacji neutrin w 1998 Parametry oscylacji: Evidence for oscillation of atmospheric neutrinos By Super-Kamiokande Collaboration, Phys. Rev. Lett 81, 1562, cie miejsce na liscie: Top Cited Articles of All Time (2009 edition) (Spires SLAC) 3318 cytowa!

15 Analiza oscylacji neutrin s!onecznych

16

17 Prawdopodobie&stwo oscylacji Z obserwacji neutrin s!onecznych wiemy, (e zachodz" transformacje: Rozwa(ali#my przypadek: Eksp. B s!oneczny - du(e L/E Z analizy neutrin atmosferycznych wiemy, (e: Mo(na wi$c zrobi% przybli(enie 2-zapachowe:

18 Spróbujmy oszacowa% parametry maksimum oscylacji dla: oscylacji E! neutrino energy: <14 MeV! L " odleg!o#% od )ród" neutrin do detektora: m czyli eksperymenty czu!e na: Ale okazuje si$, (e przej#cie neutrin przez g$st" materi$ S!o&ca wprowadza modyfikacje prostych wzorów. Mieszanie powinno by% znaczne bo wi$kszo#% neutrin 7 Be znika

19 Mo(liwe parametry oscylacji Parametry oscylacji, które t!umaczy!y dane sprzed 2001:! Cl! Ga! Super-K ale przed SNO czu!o#% odpowiadaj"ca odleg!o#ci S!o&ce- Ziemia, czyli tzw. oscylacje w pró(ni. Bahcall, Krastev and Smirnov, hep-ph/ Inne rozwi"zania pochodz" z tzw. efektu MSW

20 Oscylacje w materii efekt MSW Rozwa(ali#my prawdop. oscylacji w pró(ni: Pomijam W materii neutrina odczuwaj" pewien potencja! oddzia!ywania: Czyli ró(nica w propagacji bierze si$ z ró(nicy pewnej masy efektywnej uwzgl$dniaj"cej ró(nice potencja!ów: Sk"d si$ bierze 'V?

21 Efekt Michejewa-Smirnowa-Wolfensteina (MSW) Neutrina # e and # x odczuwaj" inne potencja!y bo: Pomijam Ró(nica bierze si$ z tego oddzia!ywania: Dla #rodka S!o&ca:! = 200 g/cm 3 "V = 8#10 $12 ev sta!a Fermiego lokalna g$sto#% elektronów

22 Rezonansowy efekt MSW Pomijam Okazuje si$, (e prawd. oscylacji w materii opisuje podobny wzór jak w pró(ni: z efektywnymi parametrami mieszania w materii : "! Efektywny k"t * m mo(e by% du(y nawet gdy ) ma!y warunek rezonansowy je#li =0 "! W rezonansie mo(e by% znacznie mniejsza ni( *m 2 "! Neutrino przelatuj"c przez ró(ne lokalne g$sto#ci + mo(e trafi% na rezonans Uwaga: efekty w materii s" czu!e na:! ' " # 2 $! %m ' 2 " $%m 2

23 Parametry oscylacyjne s!onecznych + przed 2001 rozwi"zania z efektem MSW czu!o#% odpowiadaj"ca odleg!o#ci S!o&ce- Ziemia, czyli tzw. oscylacje w pró(ni.

24 Strumie& neutrin s!onecznych mierzony w SNO Phys. Rev. C72, (2005) [x10 6 /cm 2 /s]" (! SSM = /-0.81) " Wszystkie neutrina 8 B s" obserwowane, ale zmieni!y si$ ich zapachy. Dowód, (e neutrina oscyluj": D. Kie!czewska, wyk!ad 11 24

25 Parametry oscylacyjne neutrin s!onecznych Po pomiarach SNO pozosta!o tylko tzw. rozwi"zania LMA (large mixing angle). Dopuszczalna warto#%: Bahcall, Gonzales-Garcia and Pena-Garay, hep-ph/

26 Jak sprawdzi% oscylacje neutrin s!onecznych w warunkach ziemskich? Trzeba zaprojektowa% eksperyment, który by!by czu!y na: Max oscylacji: E " energia neutrin ( MeV)! L " odleg!o"# od $ród!a do detektora (m) A wi$c maksimum oscylacji dla: Reaktory dostarczaj" o energii kilku MeV. potrzebne reaktory z L>100 km

27 Czy antyneutrina te( oscyluj"? Reaktory to pot$(ne )ród!a Eksperyment KamLAND

28 KamLAND w kopalni Kamioka i reaktory

29 Detektor KamLAND "! zewn$trzny zbiornik wype!niony 3.2 kt wody "! wewn. sferyczny zbiornik wype!niony 2 kt oleju "! wewn"trz przezroczysty balon wype!niony 1 kt ciek!ego scyntylatora "! 2100 fotopowielaczy do pomiaru #wiat!a scyntylacyjnego "! ulokowany w kopalni Kamioka na g!$boko#ci oko!o 1 km

30 Konstrukcja detektora KamLAND

31 Detekcja antyneutrin reaktorowych

32 Wyniki z KamLANDu Prompt energy to energia pozytronu, która jest z dobrym przybli(eniem równa energii antyneutrina. Wyra)ny sygna!, zaniedbywalne t!o

33 Kamland widmo energii!"#$%&'"%())(% *#%&'+%()),-%.-/%0120%3.4/%5'+67% (880%*#9:+/'"% /;<#6="/%% Energia pozytronów: Obserwowany kszta!t widma ró(ny od kszta!tu oczekiwanego bez oscylacji o 5.1,

34 Kamland sygnatura oscylacji Takie oscylacje by!yby dla monoenergetycznych neutrin i sta!ej odleglosci od )ród!a. Krzywa dla najlepiej dofitowanych parametrów uwzgl$dniaj"ca warunki eksper.

35 KamLAND precyzyjny pomiar s!onecznej 'm 2 Kamland: Solar: Przyjmuj"c niezmienniczo#% CPT: ( ) = P (! e "! e ) P! e "! e Wyniki KamLANDu i s!onecznych konsystentne. Wyniki pomiarów s!onecznych i reaktorowych s" konsystentne! Neutrino 2008: ( ) " 10 #5 ev 2!m 2 12 = 7.6 ± 0.2 tan $ = 0.47 #0.05

36 Podsumowanie - parametry oscylacji Neutrina atmosferyczne maksymalne mieszanie? Neutrina s!oneczne i Kamland ( ) "10 #5 ev 2!m 2 21 = 7.6 ± 0.2 $ 12 = 33.7! ±1.3! Uwaga- na rysunku u góry:! " # 23 u do!u:! " # 12

37 Reasumuj"c: Eksperymenty s!oneczne obserwowa!y: Eksperyment reaktorowy KamLAND obserwowa!: Parametry oscylacji konsystentne Super-K obserwowa! zanikanie neutrin atmosferycznych Nale(y to sprawdzi% w kontrolowanym eksp. akceleratorowym z wi"zk": oraz o odpowiedniej czu!o#ci: Detektor Super-K jest 250 km od laboratorium KEK; energia powinna by% 0.5 GeV; faktycznie maksimum by!o oko!o 1 GeV

38 K2K - KEK to Kamioka (wi"zka neutrin) 250 km Z udzia!em UW i IPJ.

39 Wi"zka neutrinowa K2K tylko te neutrina chcemy w detektorach Miony spowalniamy przed rozpadem; rozpadaj" si$ w spoczynku i rozpadowe neutrina stanowi" jedynie ok. 1% t!a

40 Bliskie detektory w KEK Wi"zka # µ o energii oko!o 1 GeV. Porównana w bliskich detektorach i SK SciBar

41 Selekcja przypadków w Super-K GPS T spill TOF=0.83ms T SK ("damy T!o z neutrin atmosf: <10-3 events

42 Obserwacja oscylacji # µ w K2K no oscillation Ostateczny wynik: best fit spectrum with neutrino oscillation bez oscyl. Kombinacja 2 efektów:! deficyt liczby przyp.! modulacja widma Obserwacja oscylacji na poziomie:

43 Eksperyment MINOS! MINOS (Main Injector Neutrino Oscillation Search)t:! Wi"zka neutrin z akceleratora Main (12 km) Injector w Fermilabie (protony 120 GeV)! W Fermilabie bliski detector do pomiaru w!asno#ci wi"zki neutrin! Daleki detektor w odleg!o#ci 735 km w Soudan Mine, Minnesota, do badania oscylacji! Czas przelotu ~2.5 msec 30 instytucji z 4 krajów, 147 fizyków w!"czaj"c: K. Grzelak z Uniwersytetu Warszawskiego

44 Oscylacje w MINOSie

45 Detektory MINOSa Far Detector Near Detector Veto Shield Coil Data taking since ~ September 2001 Installation fully completed in July Plane installation fully completed on Aug 11, kton mass, 8x8x30m 1 kton mass 3.8x4.8x15m 484 steel/scintillator planes 282 steel and 153 scintillator planes each steel plane 2.54cm thick, each scintill. plane 1 cm thick B ~1.3T Multi-pixel (M16,M64) PMTs GPS time-stamping to synch FD data to ND/Beam Continuous untriggered readout of whole detector (only during spill for the ND)

46 Przypadki oddzia!ywa& neutrin w dalekim detektorze Dwa odbiorniki GPS ulokowane w pobli(u bliskiego i dalekiego detektora umo(liwiaj" selekcj$ przyp. w dalekim detektorze skorelowanych z krótkimi impulsami wi"zki.

47 Idea pomiaru parametrów oscylacji # µ.! Prawdopodobie&stwo, (e # µ dolatuje do Soudan #$%&' # µ Monte Carlo 1 2 stosunek widm Monte Carlo Unoscillated Oscillated 1 2

48 Zrekonstruowane widmo energii neutrin w dalekim detektorze. K. Grzelak Dec 2007

49 Results for! " disappearance Wyniki wszystkich eksperymentów - konsystentne. K. Grzelak Dec 2007

50 Podsumowanie Dwa eksperymenty u(ywaj"ce neutrin akceleratorowych, K2K i MINOS, stosuj"c 2 rózne techniki detekcyjne, ró(ne energie i drogi przebywane przez neutrina: "! stwierdzi!y znacz"cy deficyt neutrin mionowych "! które wynikaj" z oscylacji "! z parametrami oscylacji konsystentnymi z parametrami wyznaczonymi przez analiz$ neutrin atmosferycznych w Super-Kamiokande!m 2 23, " 23 A co z k"tem mieszania:! 13??

51 Czego jeszcze nie wiemy? 1) Jaki jest znak: normal hierarchy Znak znamy dzi$ki efektom MSW w S!o&cu Potrzebny eksperyment z efektami MSW w Ziemi. 2) Jaki jest k"t: na razie wiemy, (e: inverted hierarchy 3) Czy!amane jest CP w sektorze leptonowym? 4) Czy neutrina i antyneutrina s" tymi samymi cz"stkami? - czy zachodz"

52 63 modele, arxiv:hep-ph/ Ca!a nadzieja w pomiarach! 52

53 ! e # µ% #,% sin 2! 13 < m 2 atm -m 2 solar Potrzebujemy: "! eksperymentu o L/E odpowiadaj"cego "! przej#cie od/do "! du(ej precyzji (kilku procent)!! Reactor disappearance P(! e "! e ) # 1$ sin 2 2% 13 &sin 'm 2 13 &L E! 13!! Accelerator appearance P vac (! µ "! e ) = sin 2 2# 13 $sin 2 # 23 $sin %m 2 13 $L E + f (& CP,sgn(%m 2 13 ))! 13 hierarchia mas!amanie CP 53

54 Prawd. oscylacji 3 zapachy Eksp. A atmosferyczne - ma!e L/E:!m 2! "m 2! 13 small atmosf& akceler zanikanie! " albo: 1.27$m P (! e "! e ) = P (! e "! e ) = sin 2 2# 13 sin 2 23 % ' & E! 2 L ( * ) akceleratrowe z silna wi"zk" T2K czyli szukanie bardzo ma!ego efektu zanikania neutrin reaktorowych przy ma!ym L/E eksperyment CHOOZ

55 Eksperyment reaktorowy CHOOZ. Nuclear Power Station 2 x 4.2 GW Chooz Underground Neutrino Lab. Ardennes, France With the baseline of 1km and a few MeV of neutrino energy it is sensitive to: overburden: 300 mwe mass: 5 tons of scintillator Thus it is sensitive to atmospheric domain.

56 Wyniki CHOOZ. Liczba oddzia!ywa& neutrin na dzie& jest proporcjonalna do aktualnej mocy detektora. Energia pozytronów Dane zgadzaja si$ z oczekiwaniami czyli nie obserwuje si$ oscylacji:! e "! x arxiv:hep-ex/

57 Ograniczenia na parametry oscylacji wg. CHOOZ. Parametry na prawo od konturów s" wykluczone.

58 Analiza globalna wszystkich wyników eksperymentalnych. normal hierarchy Best values of the fitted parameters inverted hierarchy G. Gonzales-Garcia,M. Maltoni hep-ph/

59 D. Kie!czewska, Zjazd PTF Kraków

60 Since Nov also D. Kie!czewska, 6 Polish wyk!ad institutions 12

61 J-PARC accelerator laboratory in Tokai Epiphany 2010 D. Kie!czewska 61

62

63 (including all 3 horns) Near detector ND280 Epiphany 2010 D. Kie!czewska 63

64 ND280 off-axis detector SMRD counters in magnet slits!! UA1 magnet 0.2 T inner volume 3.5x3.6x7 m 3!! P0D optimized for NC # 0 production scintil. bars covered with lead & water layers!! Tracker - optimized for neutrino spectrum determination "! FGD (to select CCQE events) (scintil bars and water layers "! TPC (e/" sepeartion and momentum measurement)!! ECAL elmgt calorimet.!! SMRD muon ranger Epiphany 2010 D. Kie!czewska 64

65 Installation of magnet and SMRD ( ) Epiphany 2010 D. Kie!czewska 65

66 ND280 components (now installed) TPC FGD INGRID To test the performance of the TPC, electrons, pions, muons, and protons were used in TRIUMF (momenta up to 400 MeV/c). Epiphany 2010 D. Kie!czewska 66

67 Far detector: Super- Kamiokande!! 50 kt of water, about PMTs!!Detector well tested during over 10 years of data taking All front-end electronics and online systems renovated -! ready for T2K. GPS based system selects events correlated with T2K beam spills Epiphany 2010 D. Kie!czewska 67

68 Poszukiwany sygna! w Super Kamiokande: T!o od oddzia!ywa&:! µ N "! µ N# 0 Równie( w wi"zce jest domieszka! e - oko!o 0.4%! " # 0 e! µ "! µ Detektor Super Kamiokande dobrze zbadany. Z du(" efektywno#ci" rozró(nia elektrony, miony i niskoenerget. # 0 µ% D. Kie!czewska, Zjazd PTF Kraków

69 Pierwszy przypadek T2K "! Zarejestrowany 24. lutego 2010 "! Widoczne dwa pier#cienie wyprodukowane przez gammy z rozpadu:! 0 " # + # "! Prawdopodobnie oddzia!ywanie:! µ + N "! µ + # 0 + N pod progiem Czer.

70 Macierze mieszania kwarki Prawie diagonalne neutrina Du(e elementy pozadiagonalne. Instrukcje do rozszerzenia Modelu Standardowego??

71 Podsumowanie!! Z odkrycia oscylacji w ostatniej dekadzie wynika, (e: a) neutrina maj" mas$ b) liczba leptonowa w poszczególnych rodzinach NIE jest zachowana S" to pierwsze wyniki sprzeczne z Modelem Standardowym. By% mo(e oznacza to sygna! jakiej# nowej fizyki!! Znamy tylko 2 ró(nice kwadratów mas nie znamy warto#ci mas Mo(emy poda% granic$ - istnieje co najmniej jedno neutrino o masie:!! Przygotowywanych jest wiele nowych eksperymentów neutrinowych W!a#nie w lutym 2010 w T2K zarejestrowano pierwsze oddzia!ywanie neutrina w Super-Kamiokande