Eksperymenty reaktorowe drugiej generacji wyznaczenie ϑ 13

Transkrypt

1 Eksperymenty reaktorowe drugiej generacji wyznaczenie ϑ 13 v Przypomnienie wyniku eksperymentu KamLAND - weryfikującego oscylacje neutrin słonecznych v Formuły na prawdopodobieństwo disappearance antyneutrin reaktorowych v Wyniki eksperymentu CHOOZ i DoubleCHOOZ v Wyniki Daya Bay (oraz krótko wyniki RENO) v Porównanie ϑ 13 z różnych eksperymentów v Podsumowanie aktualnych parametrów oscylacji

2 Results from KamLAND compared to earlier reactor antineutrino experiments Ratio of measured to expected anti-ν e interactions P ee KamLAND 2003 Shaded region: LMA solution at 95% C.L. for solar neutrinos Dotted curve sin 2 2θ 12 = 0.83 Δm 2 = 5.5x10-5 ev 2 Earlier reactor experiments used too short baselines to sense the solar oscillations. Note that dotted curve assumes ϑ 13 =0

3 Prawdopodobieństwo oscylacji neutrin reaktorowych Na wykładzie 5 pokazaliśmy, że eksperymenty typu disappearance nie są czułe na niezachowanie CP oraz uzyskaliśmy wzór na prawd. oscylacji zakładając δ=0: 2 With 2 CPT symmetry: Δm1 2L Δm1 3L Δm23L P( να νβ) = 4 a12 sin + a13 sin + a23 sin E E E gdzie a ij = U αi U βi U α j U β j Następnie przyjęliśmy założenia: Δm 13 Δm 23 Δm Δm 2 δ m 2 Δm 12 δ m i wyprowadziliśmy proste wzory na prawd. oscylacji oddzielnie dla eksperymentów atmosferycznych z małymi L/E i oddzielnie dla słonecznych z dużym L/E. Teraz zachowamy wszystkie 3 człony, biorąc pod uwagę, że: Z symetrii CPT odając symetrię CP ( ) = P( ν β ν ) α P ν α ν β ( ) = P( ν α ν β ) P ν α ν β P( ν α ν β ) = P( ν β ν α ) oraz ( ) = 1 P ν e ν µ P ν e ν e ( ) + P ν e ν τ ( )

4 Prawd. przeżycia anti-nu Prawdopodobieństwo oscylacji c.d. P(ν e ν e ) = 1 cos 4 ϑ 13 sin 2 2ϑ 12 sin Δm 2 12 L + E sin 2 2ϑ 13 cos 2 ϑ 12 sin Δm 2 13 L sin 2 2ϑ E 13 sin 2 ϑ 12 sin Δm 23 E Teoretycznie różnica częstości 2 ostatnich członów może pozwolić na ustalenie hierarchii mas (patrz dalej) 2 L la Δm Δm 23 P(ν e ν e ) 1 cos 4 ϑ 13 sin 2 2ϑ 12 sin Δm 2 12 L sin 2 2ϑ E 13 sin Δm 23 E 2 L Po wycałkowaniu po widmie antyneutrin reaktorowych od 1.8 do 8MeV dostaje się maksimum czułości na ϑ 13 przy ok. 2km Do badania ϑ 13 wystarczy człon atmosf. P(ν e ν e ) = 1 sin 2 2ϑ 13 sin Δm 2 23 L E Małe odległości nie pozwalają na efekty materii. 2 Δm atm L E 2 30 δ m solar 1 L 30 E atm solar

5 No oscillations - very small L/E Results of searches and measurements of neutrino oscillations Particle Data Group, rpp2008-rev-neutrino-mixing.pdf/ ϑ 12 or ϑ 23

6 Detection of reactor antineutrinos

7 CHOOZ reactor experiment Nuclear Power Station 2 x 4.2 GW Chooz Underground Neutrino Lab. Ardennes, France ν e Distance 1km Overburden: 300 mwe Mass: 5 tons of scintillator

8 CHOOZ -results Reactor neutrino rate is proportional to its power arxiv:hep-ex/ observed N D.Kiełczewska, expected wykład 10 positron energy Data are consistent with expectations i.e. no odcillations: ν e ν x N R = 1.01± 2.8%( stat) ± 2.7%( syst)

9 CHOOZ results P(ν e ν e ) = 1 sin 2 2ϑ 13 sin Δm 23 2 L E Parameters to the right from the contours are excluded 2 Δm atm For Δm 2 23 = ev 2 sin 2 2ϑ 13 < 90% c.l. 2 ( ) sin 2ϑ 13 In order to measure smaller ϑ 13 more precise experiments are needed. In particular 2 or more detectors to cancel out systematic errors

10 Experiments with >1 detector Ø With 1 detector a number of neutrino interactions observed is compared with expectations. For calculating expectations neutrino flux, detector efficiency and cross-sections are needed. Ø The experiment with 2 detectors allows cancellation of some systematic uncertainties. Ø For 2 detectors located at distances L f (far) and L n (near) the ratio of observed interactions is given by: N f = N p, f N n N p,n # of target protons L n L f 2 ε f ε n efficiencies P survival (E, L f ) P survival (E, L n ) If no oscillations before near detector then: P survival ( ) = 1 E, L n For identical detectors: N p, f = N p,n ε n = ε f sin 2 2θ 13 1 A(E, L f ) 1 A( E, L) = sin 2 Δ 13 N f N n Δ kj = m 2 2 L(km) ( j m k )(ev 2 ) 10 3 E(MeV ) L f L n 2 D.Kiełczewska, wykład 10 only directly measured quantities enter

11 Double CHOOZ

12 Double CHOOZ

13

14 Wyniki Double CHOOZ Neutrino 2012, Kioto Ø Dane z dalekiego detektora porównane z przewidywaniami Ø Bliski detektor: v ukończone drążenie podziemnego laboratorium v zbieranie danych: koniec 2013

15 Eksperyment Daya Bay D.Kiełczewska, wykład 10

16

17 Detektory Daya Bay

18 Wyniki Daya Bay Neutrino 2012, Kioto

19 Wyniki Daya Bay Neutrino 2012, Kioto arxiv: sin 2 2ϑ 13 = 0 excluded at 5σ

20

21 Podsumowanie pomiarów Neutrino 2012, Kioto

22 Hierarchia mas z eksperymentów W zasadzie TAK! reaktorowych? P(ν e ν e ) = 1 cos 4 ϑ 13 sin 2 2ϑ 12 sin Δm 2 12 L + E sin 2 2ϑ 13 cos 2 ϑ 12 sin Δm 2 13 L sin 2 2ϑ E 13 sin 2 ϑ 12 sin Δm 23 E 2 L bo: 2 Δm 32 2 Δm 32 2 < Δm 31 2 > Δm 31 normal hierarchy inverted hierarchy Czyli różne częstości drgań P Ale bardzo trudne

23 Przyszłość Daya Bay II? (obecnie ok. 100 ton)

24 Results of global analysis Neutrino 2012, Fogli

25 Mieszanie neutrin stan wiedzy

26

27