czywgsizaobserwowano oscylacjeczasowestałejrozpadu?

Transkrypt

1 czywgsizaobserwowano oscylacjeczasowestałejrozpadu? Marek Góźdź Instytut Informatyki UMCS Wrocław, 27.IV

2 Doświadczenie Doświadczenie Źródła: Yu.A.Litvinovetal.,PRL99(2007) Z.Patyketal.,PRC77(2008) Yu.A.Litvinovetal.,PLB664(2008)162 2

3 Doświadczenie Eksperyment w GSI(Darmstadt): badanie orbitalnego wychwytu elektronowego w ciężkich wodoropodobnych jonach 3

4 Doświadczenie Schemat doświadczalny 4

5 Doświadczenie SynchrotronSIS,wiązkasamaru 152 Sm Zderzenie 152 SmztarcząBe:puls1µs,produkcjaionów wtórnych dobrze określone czasy powstawania FRS(fragment separator) tworzenie wiązki wtórnej ESR(experimental storage ring) chłodzenie wiązki wtórnej: stochastyczne(5 sek.), poprzez zderzenia z poprzeczną wiązką zimnych elektronów(6 11 sek.) monitoring wiązki(schottky noise) wzmocnienie sumowanie FFT f~2mhz sygnał 5

6 Doświadczenie Badano rozpady jonów prazeodymu i prometu Pr Cs58+ +ν e Pm Nd 60+ +ν e Półokresy rozpadu rzędu minuty! 6

7 Doświadczenie Krótkie podsumowanie cech doświadczenia: wiązka jednego typu jonów o dobrze określonej energii/prędkości(chłodzenie, v/v 0) conajwyżej3jonynarazwesr(przeciętnie 1 2) niemalże ciągły monitoring pojedynczych cząstekwpierścieniuesr(por.f 2MHzzczasem życia rzędu 1 minuty) łatworozróżnialnerozpadyβiec(zmianalub nie ładunku jonu, zmiana energii wiązania) 7

8 Doświadczenie Wyniki: Pm, fit wykładniczy 8

9 Doświadczenie Wyniki: Pm, fit wykładniczy+oscylacje 9

10 Doświadczenie Wyniki: Pr, fit wykładniczy+oscylacje 10

11 Doświadczenie Dlaλ=λ β ++λ EC +λ loss Fit(1): Fit(2): dn EC dt dn EC dt =N 0 e λt λ EC =N 0 e λt λ EC [1+acos(ωt+φ)] Fit χ 2 /dof T φ Pr Pm Pr Pm Pr Pm (1) 107,2/73 63,77/38 (2) 67,18/70 31,82/35 7,06(8) s 7,10(22) s -0,3(3) -1,3(4) Kwantylerozkładuχ 2 : 107,2/73 0,995 63,77/38 0,995 67,18/70 0,45 31,82/35 0,38 11

12 Doświadczenie Pierwszy pomysł: rozważamy rozpad słaby uczestniczą w nim neutrina neutrina oscylują Czymożetomiećimplikacjewpostacioscylacjiλ EC? 12

13 Oscylacje neutrin w kilka minut Oscylacje neutrin w kilka minut 13

14 Oscylacje neutrin w kilka minut Oscylacje dwóch neutrin ν µ ν e = cosθ sinθ sinθ cosθ ν 1 ν 2 ν e (t) = sinθe ie 1t ν 1 +cosθe ie 2t ν 2 P νe ν e = ν e (t) ν e (t) 2 =1 sin 2 (2θ)sin 2 ( E2 E 1 2 Dlam i E i,e i = p 2 +m 2 i =p 1+m 2 i /p2 p( ( ) m P νe ν e =1 sin 2 (2θ)sin 2 2 4E t ) t m 2 i p 2 )=p+ m2 i 2p E+m2 i 2E =1 P νe ν µ Średniadrogaoscylacji:L µ = 4πE h m 2 c 3 =2,48(E/MeV)(eV 2 / m 2 )metrów 14

15 Oscylacje neutrin w kilka minut Dla trzech neutrin macierz mieszania bez ewentualnych faz c 12 c 13 s 12 c 13 s 13 s 12 c 23 c 12 s 23 s 13 c 12 c 23 s 12 s 23 s 13 s 23 c 13 s 12 s 23 c 12 c 23 s 13 c 12 s 23 s 12 c 23 s 13 c 23 c 13 m 2 23= ev 2 (atmosfer.) m 2 12= ev 2 (słoneczne) sin 2 2θ 23 =1.00 sin 2 θ 12 =0.305 sin 2 θ (90%c.l.) 15

16 Oscylacje neutrin w kilka minut Najpopularniejszy model przewiduje więc: istnienie dwóch baz: oddziaływania i masowej( fizycznej ) neutrina biorą udział w procesach słabych jako stany własne oddziaływania; nazywasięjeν e,ν µ iν τ ν e,ν µ iν τ niemająokreślonejmasy(!) ν e,ν µ iν τ sąsuperpozycjamistanówν 1,2,3 odobrzeokreślonejmasie;tworzone są jako koherentna mieszanka tych stanów(zgodne fazy) podczas propagacji stany masowe rozłażą się ze względu na różne masy ( różne prędkości); prowadzi to do oscylacji 16

17 Ktojestzaaktoprzeciwidlaczego? Ktojestzaaktoprzeciwidlaczego? 17

18 Ktojestzaaktoprzeciwidlaczego? Za uznaniem neutrin źródłem oscylacji w GSI: Ivanov, Reda, Kienle, nucl-th/ Ivanov, Kyshen, Pitschmann, Kienle, PRL 101(2008) Faber, nucl-th/ Lipkin, hep-ph/ Lipkin, hep-ph/ Walker, Nature 453(2008) 864 Przeciw: Kienert, Kopp, Lindner, Merle, hep-ph/ Giunti, hep-ph/ Giunti, PLB 665(2008) 92 Burkhardt et al., hep-ph/ Peshkin et al., hep-ph/ Peshkin et al., hep-ph/ Gal, nucl-th/ Cohen, Glashow, Ligeti, hep-ph/

19 Ktojestzaaktoprzeciwidlaczego? Rozumowanie błędne: wyliczamamplitudęprocesu,gdykońcowymstanemneutrinajestν 1 wyliczamamplitudęprocesu,gdykońcowymstanemneutrinajestν 2 wyliczamamplitudęprocesu,gdykońcowymstanemneutrinajestν 3 (te amplitudy mają różne fazy!) dodaję je do siebie koherentnie A(m d+ν e )= 3 U ej A(m d+ν j ) j=1 pozostają człony zespolone dające oscylacje 19

20 Ktojestzaaktoprzeciwidlaczego? u U ei ν i U ei d W d e e W u Faktycznie, dla oscylacji właściwa jest koherentna suma amplitud cząstkowych A 3 U ej 2 e ipµ j x µ j=1 alewgsisytuacjajestinna: jon matka nie rejestrowany stan masowy neutrina jon córka Brak drugiego wierzchołka( detekcja neutrina) zmienia sytuację. W idealnym przypadku(nieskończona zdolność rozdzielcza eksperymentu) kinematyka procesu ustaliłaby końcowy stan masowy. Przy pewnym rozrzucie pędów/energii wszystkie 3 stany masowe mają swój wkład do pełnej amplitudy procesu. 20

21 Ktojestzaaktoprzeciwidlaczego? jon matka nie rejestrowany stan masowy neutrina jon córka Ponieważ neutrino nie jest wykrywane w tym doświadczeniu, wkłady do pełnej amplitudy procesu od poszczególnych procesów cząstkowych powinny być sumowane niekoherentnie! Prowadzi to do: A(m d+ν e )=A(m d+[ 3 U ej ν j ]) j=1 P 3 U ej 2 =1 oscylacjiniema! j=1 21

22 Ktojestzaaktoprzeciwidlaczego? To samo bardziej formalnie na paczkach falowych Macierz gęstości(m to jon-matka, D to jon-córka): ρ ψ = M M Detekcja: ρ det = 3 d 3 p ν D;ν j ; p ν D;ν j ; p ν j=1 Prawdopodobieństwo detekcji: P=tr(ρ det ρ ψ )= 3 j=1 d 3 p ν D;ν j ; p ν M 2 Jak widać, sumowanie jest niekoherentne i nie prowadzi do oscylacji czasowej amplitudy rozpadu. 22

23 Ktojestzaaktoprzeciwidlaczego? Inna propozycja(lindner i spółka, również Giunti- dudnienia kwantowe): Załóżmy że istnieją dodatkowe stopnie swobody(wzbudzenia wewnętrzne) jonu-matki tak, że powstaje on jako superpozycja stanów o różnych masach: M = σ α σ M σ Wtedy D;ν j ; p ν M σ α σ exp( f σ +iφ σ ) P exp(i(φ ρ φ τ )) Propozycja się nie obroniła(ivanov, Faber) stwierdzeniu, iż taki sam efekt powinno się obserwować w innych doświadczeniach z tymi samymi jonami i rozpadem β atakniejest. Riposta: Gdyby rozszczepienie stanów przenieść z jonu-matki na elektron, rozpad βbytegoniewidział,aleectak. 23

24 Ktojestzaaktoprzeciwidlaczego? Argument przyczynowy(carlo Giunti) W analogii do doświadczenia dwuszczelinowego: padająca fala płaska zamienia się w fale kuliste proces ten zależy od ułamka natężenia fali padającej, przechodzącego przez przesłonę, a ten ułamek zależy od kształtu i rozmiaru otworów(szczelin) zjawisko interferencji nie może wpływać na sposób przechodzenia fali przez szczeliny, gdyż zachodzi później Podobnie, oscylacje neutrin, będących produktami rozpadu, nie mogą wpływać na stałą rozpadu(przyczynowość)! 24

25 Ktojestzaaktoprzeciwidlaczego? Propozycja w zamian: dudnienia kwantowe, które w zasadzie są tym samym co proponował Lindner. M(t=0) =A 1 M 1 +A 2 M 2 M(t) =(A 1 e ie 1t M 1 +A 2 e ie 2t M 2 )e Γt/2 P EC (t)= ν e,d S M(t) 2 = [1+Acos( Et+φ)] ν e,d S M 1 2 e Γt [1+Acos( Et+φ)] ν e,d S M 2 2 e Γt A =2 A 1 A 2 E =E 2 E 1 25

26 Ktojestzaaktoprzeciwidlaczego? Z dopasowania do danych doświadczalnych: E( Pr58+ )=(5,86±0,07) ev A( Pr58+ )=0,18±0,03 E( Pm 60+ )=(5,82±0,18) ev A( Pm 60+ )=0,23±0,04 Dajetowyjątkowomałerozszczepienieenergii evoraz A 1 2 A lub A 2 2 A Niejestznanyżadenmechanizmprowadzącydo E evorazprawdopodobieństw dla dwóch stanów energetycznych w stosunku około 1/100! 26

27 Ktojestzaaktoprzeciwidlaczego? Uwaga na niekorzyść argumentu przyczynowego A co z doświadczeniami z opóźnionym wyborem? Pomysł ten wyszedł już ze stadium Gedankeneksperiment, np. Science16February2007:Vol.315.no.5814,pp Experimental Realization of Wheeler s Delayed-Choice Gedanken Experiment, Vincent Jacques, E Wu, Frédéric Grosshans, François Treussart, Philippe Grangier, Alain Aspect, Jean-François Roch D 1 lustro 100% D 2 lustro 50% Z przełącznik optyczny D detektor Z źródło fotonów 27

28 Ktojestzaaktoprzeciwidlaczego? Istnieją też inne propozycje wyjaśnienia zjawiska GSI, nie odwołujące się do oscylacji neutrin Np.: G. Lambiase, G. Papini, G Scarpetta, Spin-rotation coupling in non-exponential decay of hydrogenlike heavy ions, nucl-th/ v1 sprzężenie ω ruchu kołowego jonu w akceleratorze ze spinem elektronu mechanizm tłumaczący anomalny moment magnetyczny mionu(g 2) końcowa precesja spinu będzie zależna od promienia ESR Ω 1/R, a więc zjawiska tego nie będzie w przypadku akceleratorów liniowych oraz w doświadczeniach z zatrzymywaniem jonów na grubej folii 28

29 Ktojestzaaktoprzeciwidlaczego? Podsumowanie wyniki doświadczenia wskazują na anomalne zachowanie się stałej rozpadu wykluczono, iż zależność czasowa może pochodzić z procedury zbierania wyników, chociaż teoretycy podkreślają, że analizowany jest sygnał po FFT, nie bezpośredni nie wykluczono, iż jest to wynik słabej statystyki: N=2650(Pr)iN=2740(Pm) analiza statystyczna wyników jest dziwna, gdyż odjęcie dopasowania od danychdajerozrzutwynikówdużomniejszyodprzewidywanego( N);jestto podejrzanie dobre dopasowanie test Mann a Whitney a(pozwala ustalić prawdopodobieństwo, że fluktuacje pozostałe po odjęciu dopasowania od danych są losowe) wypada na poziomie 5%, podczas gdy prawdziwie losowe fluktuacje powinny dawać ok. 30%(dopasowanie czysto wykładnicze 15%) 29

30 Ktojestzaaktoprzeciwidlaczego? Podsumowanie c.d. mimo to grupa doświadczalna upiera się, iż nie jest to efekt aparaturowy; przeprowadzonodalszepomiaryzjonamijodu 122 Ii 118 Sb bardzo wstępne(1/5 danych) wyniki dla jodu pasują do oscylacji! wykluczono oscylacje neutrin(przynajmniej na bazie standardowej teorii) być może zjawisko dudnień kwantowych na poziomie stanów elektronu, ale kłopoty z parametrami liczbowymi być może mamy do czynienia z zupełnie nowym zjawiskiem, które objawia się w rozpadzie słabym, lub efektem znanym z innych sytuacji(np. sprzężenie ω s) lub jest to jednak(bardziej prawdopodobne) efekt wytworzony przez aparaturę (anteny, sąsiednie pomieszczenie...), o czym świadczyłby makroskopowy okres zmian 7sekund 30