Podstawy fizyki cząstek III. Eksperymenty nieakceleratorowe Krzysztof Fiałkowski

Transkrypt

1 Podstawy fizyki cząstek III Eksperymenty nieakceleratorowe Krzysztof Fiałkowski

2 Zakres fizyki cząstek a eksperymenty nieakceleratorowe Z relacji nieoznaczoności przestrzenna zdolność rozdzielcza r 0.5fm wymaga E>ħ/ r 0.4 GeV. Wyjątek: o. słabe, krótki zasięg 1 am, zatem neutrina nawet z reaktorów i Słońca (MeV) oddziałują z pojedynczymi nukleonami, a nawet kwarkami. Inne nieakceleratorowe: promieniowanie kosmiczne. Szeroki zakres energii, różne cząstki!

3 Przypomnienie o neutrinach: eksperyment Reinesa i Cowana Reaktor: ~ ν/s/cm 2, rzędy wielkości > niż źródła. Tarcza wodna: 200 l, 2 zbiorniki, 3 warstwy scyntylatorów, e + e - γγ γ błysk ze scyntylatora, 110 fotopowielaczy Dodatkowa informacja z 40 kg CdCl 2 w wodzie:. Fotony z Cd opóźnione o 5 µs. Wstępny eksperyment: Hanford, za słaby sygnał. Savannah River (Pd. Karolina), detektor 11 m od reaktora, 12 m pod ziemią, osłona przed prom. kosm. Wyniki: 3ν/h, sygnał znika po wyłączeniu reaktora. Oczekiwane σ cm 2, zmierzone cm 2. Clyde Cowan 1974; Frederick Reines Nobel 1995, 1998.

4

5

6 Neutrina słoneczne Reakcje fuzji w Słońcu: 2ν na cykl 4p α. Oczekiwany strumień na Ziemi /m 2 /s

7 Eksperyment Davisa (Kopalnia Homestake w Pd. Dakocie, 380 t C 2 Cl 4 ) ν 37 Cl e 37 Ar Próg 814 kev

8 Dalsze eksperymenty z neutrinami słonecznymi GALLEX, SAGE: też radiochemiczne, ale ν+ 71 Ga e+ 71 Ge: niższy próg energii (233 kev), główna część widma ze Słońca. Potwierdzenie głównego wyniku: deficyt, rejestracja 30 50% oczekiwanych ν! Nowe eksperymenty w czasie rzeczywistym: Superamiokande: 50 kt wody, walec otoczony fotopowielaczami, Czerenkow: e z νn ep. Użyty także do ν atmosferycznych na potem SNO wyjaśnienie zagadki. Przyszłość: BOREXINO czas rzeczywisty, próg jak SAGE.

9 Eksperyment Superkamiokande

10 Superkamiokande

11 Promieniowanie kosmiczne Odkrycie: Hess 1912 wzrost jonizacji (rozładowanie elektroskopu) z wysokością Skład na poziomie morza: γ, e -, potem e +, µ, π, K, Λ, Σ... (odkrywane w p.k.) To cząstki produkowane w oddziaływaniach z atmosferą pierwotnego promieniowania kosmicznego i produkty rozpadów tych cząstek Skład p.p.k.: 95% p, 4.5% α, 0.5% cięższe jądra Widmo energii E -2.7 do ev, E -3 do ev Obcięcie GZK energii p.p.k. na potem

12 Strumień pierwotnego promieniowania kosmicznego

13 Techniki detekcji promieniowania kosmicznego Detekcja zwykle albo cząstek jonizujących na Ziemi (w górach?), albo światła Czerenkowa lub fluorescencji N 2 z kaskady w atmosferze. Pierwszy uniwersalny : Auger w Argentynie 1600 detektorów w siatce o powierzchni około 3000 km 2, (10 wielkich miast) ułożonych regularnie w odstępach 1.5 km, każdy ze zbiornikiem 12 ton wody obudowanym fotopowielaczami (Czerenkow), radiotransmisja. 4 teleskopy fluorescencji powietrza z kaskady.

14 Mapa eksperymentu Auger - Sud

15 Schemat przypadków Auger

16 Nowe wyniki eksperymentu Auger Potwierdzenie obcięcia energii wynikającego z progu na produkcję π w zderzeniach z fotonami promieniowania reliktowego (Greisen Zacepin Kuzmin): (E + E γ ) 2 (p-p γ ) 2 c 2 (m p +m π ) 2 c 4 E ev Korelacja cząstek o E>50 EeV z AGN Zmiana profilu kaskady dla E>50 EeV ; dominacja ciężkich jonów?? Plany: Auger Nord w Teksasie

17 Neutrina atmosferyczne Główne produkty zderzeń protonów p.p.k. z jądrami tlenu i azotu atmosfery: mezony π. Główne rozpady π +/- µ +/- ν µ ; µ eν µ ν e Zatem dla energii π poniżej kilku GeV strumień neutrin/antyneutrin mionowych dwukrotnie większy niż elektronowych. Przy wyższych energiach część mionów nie rozpada się, stosunek strumieni wyższy. Nazwa neutrina atmosferyczne.

18 Odkrycie oscylacji neutrin w Superkamiokande Elektrony i miony produkowane przez neutrina w zbiorniku Superkamiokande dają pierścienie Czerenkowa łatwo rozróżnialne (ostre dla mionów, rozmyte dla elektronów) Łatwe wyznaczenie stosunku R strumieni ν µ /ν e. Atmosfera nad- i pod zbiornikiem symetryczna; stosunek strumieni nie! Deficyt mionów z dołu. Tłumaczenie: neutrina mionowe na drodze przez Ziemię zmieniają się w taonowe (niewidzialne w Superkamiokande, bo taony rozpadają się).

19 Oscylacje neutrin - ogólnie Jeśli masa neutrin różna od zera, stany o określonej masie ν i to na ogół nie stany o określonym zapachu (np. ν µ/e z π µ/e +ν µ/e ). Macierz mieszania PMNS (Pontecorvo-Maki-Nakagawa- Sakata): ν i = Σ U PMNS iαν α. Propagacja stanów zależna od masy; dla E»mc 2 E i m i c 2 +p 2 /(2m i c 2 ); czynnik exp(iet/c) daje oscylacje różnych wkładów, a więc zapach oscyluje: np. P(ν µ ν τ ) = ΣU µi *U τi exp(-im i2 L/2E) 2 Pierwotnie proponowane do wyjaśnienia deficytu neutrin słonecznych; bezpośrednia ewidencja atmosferyczne.

20 Oscylacje neutrin: zastosowania, wyniki W ogólnym wzorze naprawdę istotne tylko różnice kwadratów mas. Dla 3 stanów 2 różnice, jeśli jedna znacznie mniejsza, to dla niezbyt dużych L tylko druga ważna. Tak jest dla neutrin atmosferycznych: P(ν µ ν τ ) sin 2 2θ sin 2 (1.27 m 2 L/E), gdzie m w ev, L w km, E w GeV. Θ π/4; m ev 2, więc P wyraźnie różne od 0 dla E rzędu GeV, L rzędu R Z. Potwierdzone eksperymentami akceleratorowymi!

21 Akceleratorowy eksperyment neutrinowy CNGS (CERN Gran Sasso)

22 Potwierdzenie oscylacji neutrin w danych słonecznych Eksperyment Superkamiokande + SNO: Pomiar liczby e w SK mierzy głównie strumień ν e i potwierdza deficyt w porównaniu z modelami Słońca, jak Homestake, GALLEX, SAGE. SNO: 1 kt ciężkiej wody; wszystkie ν aktywne w rozszczepianiu d rejestrowanym przez emisję γ przy wychwycie n. Porównując częstość zdarzeń w ciężkiej i zwykłej wodzie można rozróżnić e z ν e +n e+p oraz ν+e ν+e (gdzie też wszystkie ν aktywne) i sprawdzić, że strumień wszystkich ν jest zgodny z modelami Słońca. Deficyt tylko ν e!

23 Detektor SNO

24 Podsumowanie Mimo wspaniałego rozwoju technik akceleratorowych, konstrukcji wiązek wtórnych, budowy pierścieni zderzających e + e -, pp, ep, p p, perspektyw zderzaczy mionów Eksperymenty nieakceleratorowe, które przyniosły już wiele cennych odkryć, pozostają równie ważne, a niekiedy niezastąpione! Reaktorowe strumienie neutrin porównywalne z akceleratorowymi, lub intensywniejsze! Energia protonów kosmicznych rzędu setek EeV oznacza E CM rzędu PeV, wciąż nieosiągalne w akceleratorach!