Fizyka cząstek elementarnych II Neutrina

Transkrypt

1 Fizyka cząstek elementarnych II Neutrina Prof. dr hab. Danuta Kiełczewska Zakład Cząstek i Oddziaływań Fundamentalnych IFD UW Plan wykładu: Trochę historii neutrin Źródła neutrin Detektory neutrin Odkrycie oscylacji Wyznaczanie parametrów oscylacji- Ø Eksperymenty akceleratorowe Ø Eksperymenty reaktorowe Pomiary masy neutrin Podwójne bezneutrinowe rozpady beta (neutrina Majorany?) Neutrina z supernowych Rola neutrin w ewolucji Wszechświata 1

2 Wykład I Krótka historia neutrin 2

3 : Zagadka rozpadów beta Ówczesny model jądra (A,Z): A protonów + (A-Z) elektronów v Ciągłe widmo sprzeczne z rozpadem dwuciałowym (A,A-Z)à (A,A-Z-1) + e - v W rozpadach typu: 6 He Li + e dla obu jąder zmierzono spin całkowity v Dla jądra Problemy: 14 N 7 zmierzono spin=1 - nie pasuje dla 14+(14-7)=21 fermionów 3

4 Desperackie lekarstwo Pauliego (1930) A A ν I have done something very bad today by proposing a particle that cannot be detected; it is something no theorist should ever do. W.Pauli 4 e

5 Pierwsze pomysły: Sir Arthur Eddington: In an ordinary way I might say that I do not believe in neutrinos. Dare I say that experimental physicists will not have sufficient ingenuity to make neutrinos. Na podstawie czasu życia neutronu Bethe policzył przekrój czynny cm 2 na oddziaływanie: ν + p n + e + F. Reines, Prog. Part. Nucl. Phys, 32 (1994) 1 - Rozmowa z Fermim w 1951: Bomba jako źródło ale jaki detektor? 5

6 Eksperyment Reinesa i Cowana Liquid scintillator ν e + p e + + n e + +e - 2γ prompt n Cd γ Cd delayed Water, Cadmium chloride Liquid scintillator 6

7 Reines i Cowan: odkrycie neutrin Reaktor w Savannah River: Detektor: 12 m pod ziemią: ν cm 2 s 1 scyntil scyntil water water scyntil W 1956 telegram do Pauliego: We are happy to inform you that we have definitely detected neutrinos nagroda Nobla dla Reinesa 7

8 Niezachowanie parzystości w słabych oddziaływaniach T. D. Lee and C. N. Yang, Phys. Rev. 104, 254 (1956) C. S. Wu et al., Phys. Rev. 105, 1413 (1957) R. L. Garwin et al., Phys. Rev. 105, 1415 (1957) 8

9 Odkrycie niezachowania parzystości * Co Ni + e + ν e Próbka 60 Co w temp. 0,01K wewnątrz solenoidu (częściowa polaryzacja jąder) Okazało się, że więcej elektronów miało pędy skierowane przeciwnie niż spiny 60 Co (oraz elektronów!). W sumie różne pomiary pokazały: σ P I(θ) = 1+ α E = 1+ α v c cosθ σ - jednostkowy wektor spinu P, E,v ped, energia i predkosc α = 1 dla elektronu (LH) α = +1 dla pozytronu (RH) 9

10 Pomiar skrętności neutrina eksperyment Goldhabera et al. (1958) Z hipotezy Pauliego: spin neutrina=1/2 Ale jaka skrętność? Dla bezmasowych neutrin spodziewano się: I( θ) = 1 cos θ albo I(θ) = 1+ cosθ Okazało się że: Neutrina towarzyszące pozytronom są lewo-skrętne, a elektronom prawo-skrętne Polecam opis dr. Grzegorza Brony. 10

11 Eksperyment Goldhabera Wychwyt elektronu K Całkowity moment pędu stanu początkowego to spin wychwyconego elektronu Czyli w stanie końcowym: spiny muszą być przeciwnie skierowane spin spin prędkość prędkość Czyli jądro odrzutu ma taką samą skrętność jak neutrino tzn. spin albo zgodny albo przeciwny z wektorem prędkości tzn. RH lub LH 11

12 Eksperyment Goldhabera c.d. RH dalej: LH gamma musi wynieść spin wzbudzonego jądra! Rozważmy przypadek LH: Jeśli gamma wysłana do przodu Czyli γ do przodu musi być LH Jeśli gamma wysłana do tyłu spiny prędkość Tak samo można pokazać,że: W przypadku RH γ wysłana do przodu musi być RH Stąd: skrętność gammy do przodu musi być taka sama jak skrętność neutrin!! 12

13 Eksperyment Goldhabera cd. Czyli musimy: wybrać gammy do przodu (względem pędu jądra odrzutu) zmierzyć ich skrętność Do wyboru gamm do przodu użyli rozpraszania rezonansowego : * 152 γ+ Sm Sm γ+ Sm które może zajść tylko dla gamm do przodu bo mają trochę większą energię niż energia wzbudzenia 152 Sm* ( część energii gammy idzie na wzbudzenie, a część na pęd pośredniego jądra) 13

14 Schemat eksperymentu Goldhabera Ø Do NaI (na dole) trafiają gammy, które rozproszyły się rezonansowo w Sm 2 O 3 czyli gammy do przodu Ø Gammy przechodzą przez żelazo, którego elektrony są spolaryzowane przez pole B γ γ Ø Rozpraszanie Comptona jest bardziej prawdop. dla przeciwnych spinów gamm i elektronów, czyli gammy, które NIE straciły energii na rozpraszanie Comptona mają polaryzację bardziej zgodną z polaryzacją elektronów Ø O polaryzacji elektronów mówi nam kierunek pola mgt ( ) P γ = 68 ± 15 % 14

15 Wynik eksperymentu Goldhabera v + lub oznacza kierunek pola magnetycznego polaryzującego spiny elektronów żelaza, które działają jak polarymetr dla gamm v W rezultacie wyznaczono skrętność neutrin: P = 1.0 ±

16 Skrętność neutrin Neutrino Anti Neutrino 16

17 Masa a skrętność Jeśli skrętność zawsze -1 to masa=0 Załóżmy, że masa>0 Wtedy obserwator może poruszać się szybciej niż neutrino: W układzie spoczynkowym obserwatora neutrino byłoby prawoskrętne 17

18 Jedno neutrino czy dwa? Miony odkryto w wielkich pękach kosmicznych.. µ > e +... zmierzono rozpady mionów a widmo elektronów okazało się 3-ciałowe? Kolejna zagadka: dlaczego nie obserwuje się µ > e + γ? Reines: In 1956 Cowan and I proposed to go to an accelerator and test the identity of the two neutrinos. The reaction we got from Los Alamos was difficult to understand: You two fellows have had enough fun. Why don t you go back to work. Fred Reines,

19 Detekcja ν µ Nagroda Nobla 1988: Lederman, Schwartz i Steinberger Protony 15GeV z akceleratora AGS Brookhaven (2-4 x10 11 protons/pulse) Detektor: płyty żelaza przekładane komorami iskrowymi target wyładowania wzdłuż toru mionu Wynik: 34 przypadki mionowe oraz 6 kaskad, wśród których możliwe elektrony np. z domieszki ν e w wiązce ν µ ν e 19

20 Oddziaływanie neutrina w komorze pęcherzykowej Gargamelle Odkrycie prądów neutralnych 1973 Z wierzchołka nie wychodzi żaden mion ν + N ν + µ µ X D. Kiełczewska, wykład 6 20

21 Liczenie zapachów neutrin w LEP Z Z 0 0 qq( uu, dd, ss, cc, bb ) ll ( e e, µµ, τ τ ) 0 Z νv νeveνµ vµ ντvτ (,, ) Γ Z,Γ l,γ h - mierzone Γ ν - policzone Γ Z =Γ had + 3Γ l + N Γ ν N = 2.99 ± 0.02 ν ν 21

22 Detekcja ν τ wyzwanie! 2000 ν τ musi wyprodukować lepton τ czas życia τ: 3x10-13 sec (cτ=90 µm) Najlepsza emulsja Eksperyment: DONUT (Direct Observation of the NU Tau) at FermiLab accelerator. Z wiązki neutrin, zarejestrowano ok oddz. ν int, z których 4 zidentyfikowano jako ν τ DONUT szukał rozpadów na jedną naładowaną cząstkę (86% rozpadów tau) 22

23 Detekcja ν τ DONUT Protony 800 GeV produkowały mezony zawierające kwarki c i s: D s τ +ν τ (BR=6.4 ±1.5%) τ ν τ + X 23

24 Detection of ν τ

25 Po co są 3 generacje? Neutrino mogą pomóc w znalezieniu odpowiedzi? 25

26 Model Standardowy Generation I Generation II Generation III ν e ν µ Leptons e µ ν τ τ Quarks u u u c c c t t t d d d s s s b b b Gauge W + Bosons Z 0 γ W gluons 26 >>>