Maria Krawczyk, Wydział Fizyki UW. Neutrina i ich mieszanie

Transkrypt

1 Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników WYKŁAD Maria Krawczyk, Wydział Fizyki UW Neutrina i ich mieszanie

2 Neutrinos: Ghost Particles of the Universe F. Close polecam wideo i audio

3 NEUTRINO "Zrobiłem straszną rzecz. Zapostulowałem istnienie cząstek, które nie mogą być odkryte..." - W. Pauli 1930: Pauli nazwa neutron, masa zero, zakład o skrzynkę szampana, że nie zostanie odkryta 1933: Fermi teoria rozpadu beta i nazwa neutrino Neutrina bardzo słabo oddziałują musimy liczyć na bardzo dużą ich liczbę, żeby jakiemuś zdarzyło się oddziałać. Lata 50-te XX w - w reaktorach atomowych zachodzi wiele rozpadów beta i powstaje bardzo dużo antyneutrin elekronowych. Zmuszenie tych neutrin do określonego oddziaływania (odwrotny proces beta) w wodzie odkrycie Reines, Cowan W 1956 Pauli przysłał skrzynkę szampana...

4 Odkrycie neutrina elektronowego A. Pigulski, Festiwal Nauki' 2003

5 Źródła neutrin Sztuczne: reaktory 5 x neutrin /s (również wybuchy jądrowe) Słońce: 2 x10 38 neutrin /s (w kierunku Ziemi 60 mld neutrin/cm2/s) Ziemia (naturalna promieniotwórczość): 80 mln neutrin/cm2/s Wielki Wybuch, surpernowe itp My sami!? Poniżej neutrina i antyneutrina określam jako neutrina, o ile nie prowadzi to do nieporozumień

6 Neutrinowe zdjęcie Słońca

7 Nasze ciało W ciągu 1 sek dociera do naszego ciała (1 m2 powierzchni) -600 bln neutrin ze Słońca -800 mln neutrin z Ziemi -My też produkujemy 4000 neutrin (340 mln neutrin dziennie) mld mln

8 Fotony potrzebują 100 tys. lat aby się wydostać z wnętrza Słońca, a neutrina kilka sekund Wyjątkowa rola neutrin jako bezpośredniego (bo prawie nieoddziałującego) nośnika informacji

9 Obserwacja neutrin i odkrycie neutrin słonecznych Obserwacja neutrin: -blisko silnego źródła (reaktory) -albo ogromne detektory,dobrze osłonięte przed promieniowaniem kosmicznym, np. w głębokich kopalniach. Neutrina słoneczne: -Lata 60e XXw R. Davis budowa detektora w kopalni złota w Homestake, w Poludniowej Dakocie, na głębokości 1500 m Pomysł włoskiego fizyka B. Pontecorvo: rejestrowanie neutrin słonecznych dzięki ich oddziaływaniu z jądrem chloru, które prowadzi do powstania jąder argonu. Wykryto kilkunaście atomów argonu powstałych w 600 tonach płynu do czyszczenia (!), zawierającego chlor (30 lat zbierania danych) nagroda Nobla dla R. Davisa i M. Koshiby.

10 F. Close antyneutrino el MeV W słońcu powstają neutrina elektronowe

11 Neutrina atmosferyczne Neutrina atmosferyczne = neutrina produkowane w atmosferze Zagadka: liczba neutrin docierająca do Ziemi była znacznie mniejsza niż przewidywana teoretycznie. Ale których neutrin?

12 Deficyt neutrin słonecznych i atmosferycznych Deficyt (brak) w docierajacym na Ziemię strumieniu neutrin elektronowych, pochodzących ze Słońca W strumieniu neutrin wytwarzanych w atmosferze (neutrina atmosferyczne) występuje deficyt neutrin mionowych. W obu wypadkach brakuje neutrin, ale gdyby po drodze od źródła do detektora nastąpiła zamiana typu (zapachu) neutrina, to można wytłumaczyć ten deficyt, bo rejestracja jest nastawiona na określony typ neutrin, np. elektronowych. Zamiana typu neutrin przy propagacji oscylacja

13 Neutrina atmosferyczne D.Kiełczewska

14 Neutrina atmosferyczne z góry i z dołu Super Kamiok ande

15 Porównania strumieni neutrin przychodzących od dołu (przez całą kulę ziemską) i z góry do detektora D.Kiełczewska νe νμ

16 zbyt słabe

17 Oscylacje a niezerowe masy neutrin. Mieszanie Można to (oscylacje) wyjaśnić jeśli założymy, że 1/ neutrina mają niezerową masę (choćby jedno z 3 neutrin). Stany neutrinowe o określonych masach oznaczamy przez ν1, ν2, ν3 2/ neutrina νe, νµ, ντ, w dubletach z e, µ, τ (oddziałujące z udziałem W+/-) są mieszankami tych neutrin ν1, ν2, ν3 3/ w przestrzeni propagują się stany o określonej energii i masie skład mieszanki zmienia się w czasie propagacji

18 θ Prawdopodobieństwo oscylacji neutrin typu α w typ β: θ D. Kiełczewska

19 BUT if neutrinos have mass, they can oscillate back and forth F. Close

20

21 Czułość na oscylacje dla neutrin różnego pochodzenia Dane pozwalają wyznaczyć różnice kwadratów mas neutrin w funkcji kąta mieszania θ

22 Badania oscylacji neutrin Wiązki neutrin z laboratoriów (CERN,Fermilab,KEK) Mierzymy strumień w pobliżu Mierzymy strumień setki km dalej Dowody na znikanie neutrin z wiązki Program badawczy aby zrozumieć masy neutrin, ich mieszanie, a może nawet występowanie 3 rodzin...

23 Wyniki: obszary wykluczone na 95% z różnych eksperymentów

24 Pierwsze przypadek neutrin z wiązki T2K w detektorze Super-Kamiokande Oddziaływanie nastąpiło dokładnie w czasie, kiedy spodziewane było przyjście wiązki. Zarejestrowano trzy pierścienie czerenkowskie, dwa z nich pochodzą najprawdopodobniej z rozpadu pionu neutralnego powstałego w wyniku oddziaływania neutrina.

25 - Jakie znasz sztuczne żródła neutrin? I - Ile neutrin promieniuje Słońce w ciagu 1 sekundy? - Ile neutrin na 1 cm2 promieniują naturalne źródła ziemskie w ciągu doby? -Czy człowiek promieniuje neutrina? -Dlaczego neutrina nie robią nam krzywdy? -Czy fotony przenikają przez nasze ciało na wylot? -Czy fotony dostarczają bezpośredniej informacji o wnętrzu Słońca? -Na czym polega zagadka neutrin słonecznych? -Co to są neutrina atmosferyczne? -Czy atmosferyczne neutrina docierają do nas również od dołu przechodząc przez całą kulę ziemską? -Których atmosferycznych neutrin brakuje - elektronowych czy mionowych? -Co to znaczy: oscylacje neutrin? -Kiedy może dojść do oscylacji-czy mogą zachodzić gdy masy neutrin takie same? -Czy prawdopodobieństwo zamiany neutrina o określonym zapachu w neutrino o innym zapachu zależy od długości drogi, przebywanej przez neutrina? -Na jakie różnice kwadratów mas neutrin jesteśmy czuli obserwując neutrina pochodzące z supernowych?