Metamorfozy neutrin. Katarzyna Grzelak. Sympozjum IFD Zakład Czastek i Oddziaływań Fundamentalnych IFD UW. K.Grzelak (UW ZCiOF) 1 / 23

Transkrypt

1 Metamorfozy neutrin Katarzyna Grzelak Zakład Czastek i Oddziaływań Fundamentalnych IFD UW Sympozjum IFD K.Grzelak (UW ZCiOF) 1 / 23

2 PLAN Wprowadzenie Oscylacje neutrin Eksperyment MINOS Wyniki K.Grzelak (UW ZCiOF) 2 / 23

3 Neutrina - Wprowadzenie Neutrino - czastka zaproponowana w 1930 r jako sposób na utrzymanie zasady zachowania energii w promieniotwórczych rozpadach β Co dzisiaj wiemy o neutrinach? maja zerowy ładunek elektryczny Wolfgang Pauli oddziaływuja bardzo słabo (średnia droga na oddziaływanie neutrina o energii 10 MeV przechodzacego przez Ziemię: λ km) znamy trzy rodzaje (zapachy) neutrin: ν e, ν µ i ν τ : (ν e, e), (ν µ, µ),(ν τ, τ) K.Grzelak (UW ZCiOF) 3 / 23

4 Neutrina - Wprowadzenie Co dzisiaj wiemy o neutrinach? neutrina moga zmieniać zapach w czasie propagacji w przestrzeni (oscylacje neutrin) oscylacje neutrin neutrina maja masę masy bardzo małe: m ν < m e masowe neutrina : okno na nowa fizykę wkład do masy Wszechświata poszukiwanie przyczyn asymetrii materii i antymaterii K.Grzelak (UW ZCiOF) 4 / 23

5 Neutrina jako źródło informacji o Wszechświecie Źródła neutrin: Wielki Wybuch (przewidywane) Wnętrze Ziemi (głownie rozpad U i Th) Słońce Wybuchy Supernowych Atmosfera Aktywne jadra galaktyk... K.Grzelak (UW ZCiOF) 5 / 23

6 OSCYLACJE NEUTRIN K.Grzelak (UW ZCiOF) 6 / 23

7 OSCYLACJE NEUTRIN Neutrina o określonym zapachu sa kombinacja stanów o określonej masie. Przykład dla dwóch rodzajów neutrin, ν e i ν µ: Stany o różnych masach poruszaja się z różna prędkościa jeśli wyprodukowane zostało ν µ to po pewnym czasie możemy zarejestrować ν e lub ν µ K.Grzelak (UW ZCiOF) 7 / 23

8 MACIERZ MIESZANIA DLA NEUTRIN Trzy zapachy neutrin jako kombinacja trzech stanów własnych masy. ν e U e1 U e2 U e3 ν 1 ν µ = U µ1 U µ2 U µ3 ν 2 ν τ U τ1 U τ2 U τ3 ν 3 ( νe ν µ = ν τ c 13 0 s 13 e iδ c 12 s c 23 s s 12 c s 23 c 23 s 13 e iδ 0 c }{{}}{{}}{{} neutrina poszukiwane deficyt atmosferyczne neutrin słonecznych s ij = sin θ ij c ij = cos θ ij δ faza łamania CP ) K.Grzelak (UW ZCiOF) 8 / 23 ν 1 ν 2 ν 3

9 PRAWDOPODOBIEŃSTWO PRZEMIANY ν α ν β P να ν β (L) = k U αk 2 U βk 2 +2Re k>j U αk U βku αj U βj exp[ i m2 kj 2E ν L] m 2 kj m 2 k m2 j Parametry modelu: 3 katy mieszania θ 23, θ 13 i θ 12, 1 faza δ i dla trzech rodzajów neutrin 2 niezależne różnice mas m 2. K.Grzelak (UW ZCiOF) 9 / 23

10 PRAWDOPODOBIEŃSTWO OSCYLACJI W EKSPERYMENTACH AKCELERATOROWYCH obserwacje znikania neutrin mionowych P(ν µ ν µ ) 1 sin 2 2θ 23 sin m2 atm L E ν ν µ ) P(ν µ sin 2 θ Jednostki: m 2 [ev 2 ] E ν [GeV ] L[km] m Eν [GeV] Rysunek dla L=735km Maksimum oscylacji dla 1.27 m 2 atm L E ν = π 2 K.Grzelak (UW ZCiOF) 10 / 23

11 EKSPERYMENT MINOS K.Grzelak (UW ZCiOF) 11 / 23

12 MINOS - WPROWADZENIE MINOS: eksperyment zbudowany w celu potwierdzenia hipotezy oscylacji neutrin i precyzyjnego zmierzenia parametrów modelu oscylacji Kontrolowana wiazka neutrin z akceleratora 27 instytucji, 147 fizyków K.Grzelak (UW ZCiOF) 12 / 23

13 WIAZKA NEUTRIN Wiazka pierwotna (protony): wysyłana w pulsach ( protonów/puls co 2.2s) Wiazka wtórna (neutrina): skład wiazki (LE): 92.9 % ν µ, 5.8 % ν µ,1.3 % (ν e + ν e ) ν µ głównie z rozpadów π + µ + ν µ K.Grzelak (UW ZCiOF) 13 / 23

14 MINOS - WPROWADZENIE Bliski Detektor MINOS Daleki Detektor Fermilab, Illinois Soudan, Minnesota 10km 700m 735km MINOS: drugi w historii eksperyment akceleratorowy z długa baza Bliski Detektor (ND) (1kt) w ośrodku Fermilab pod Chicago, Daleki Detektor (FD) (5.4 kt) znajduje się 735km dalej w kopalni Soudan, w Minnesocie Czas przelotu neutrina z Fermilab u do Soudan: 2.5ms K.Grzelak (UW ZCiOF) 14 / 23

15 POŁOŻENIE DETEKTORÓW Bliski Detektor (ND) widmo energii niezakłócone przez oscylacje ν µ ) P(ν µ Daleki Detektor (FD) poszukiwanie oscylacji L[km] Daleki detektor Bliski detektor Rysunek dla E=3GeV K.Grzelak (UW ZCiOF) 15 / 23

16 DALEKI DETEKTOR: KOPALNIA SOUDAN K.Grzelak (UW ZCiOF) 16 / 23

17 MINOS: BLISKI I DALEKI DETEKTOR Budowa detektorów: naprzemiennie: stalowe płyty (2.54 cm) i paski scyntylatora (1cm) paski w co drugiej płaszczyźnie sa do siebie prostopadłe Bliski Detektor: 1kt, 282 płaszczyzny, 3.8m 4.8m 15m 100m pod powierzchnia ziemi Daleki Detektor: 5.4kt, 484 płaszczyzny, 8m 8m 30m 710m pod powierzchnia ziemi B 1.3 T w obu detektorach K.Grzelak (UW ZCiOF) 17 / 23

18 OSCYLACJE NEUTRIN AKCELERATOROWYCH w MINOS ie K.Grzelak (UW ZCiOF) 18 / 23

19 PRZYKŁAD ANALIZY ZNIKANIA ν µ Symulacja Monte Carlo K.Grzelak (UW ZCiOF) 19 / 23

20 SELEKCJA ODDZIAŁYWAŃ NEUTRIN ν µ w MINOS ie ν µ N µx Sygnatura oddziaływania ν µ jest obecność długiego toru mionu E ν = E shower + E µ Kierunek wiazki neutrin K.Grzelak (UW ZCiOF) 20 / 23

21 Widmo energii w FD i krzywa oscylacyjna Oczekiwane 1065 ± 60 przypadków bez oscylacji Zaobserwowano 848 przypadków Pierwsze oddziaływanie neutrina z wiazki w dalekim detektorze: 7 marzec 2005 K.Grzelak (UW ZCiOF) 21 / 23

22 Wyniki na płaszczyźnie parametrów oscylacji Obecnie najbardziej precyzyjne pomiary m23 2 na świecie. m23 2 = 2.43 ± ev 2 sin 2 2θ 23 zgodny z jednościa możliwe maksymalne mieszanie pomiędzy stanami ν 2 i ν 3 K.Grzelak (UW ZCiOF) 22 / 23

23 Podsumowanie Eksperyment MINOS to jeden z nielicznych obecnie eksperymentów neutrinowych dostarczajacych nowych, ciekawych danych Najbardziej precyzyjne pomiary parametru oscylacji m 2 23 Ten wynik będzie wkrótce jeszcze poprawiony! Poszukiwania θ 13 Goraca tematyka - planowane kilka nowych eksperymentów. Następny etap: eksperyment T2K w Japonii z udziałem IFD UW i IPJ! Badania z mikroświata wiedza o makroświecie K.Grzelak (UW ZCiOF) 23 / 23