Neutrina z czasów Wielkiego Wybuchu - CνB ( primordial, relic ) Tadek Kozłowski IPJ

Transkrypt

1 Neutrina z czasów Wielkiego Wybuchu - CB ( primordial, relic ) Tadek Kozłowski IPJ

2 Widma całkowite (neutrina+antyneutrina, wszystkie zapachy) 3*10 7 w ciele /1 s /ludzkie ciało

3 - co wynika z Wielkiego Wybuchu - co dowodzi istnienia CB -co się dzieje z CB obecnie -jak zmierzyć: -CB jako tarcza -CB jako pocisk -CB jako tło

4 a(t) t 1/ ; H = 1/t; t czas od Wielkiego Wybuchu z przesunięcie ku czerwieni a parametr rozmiaru Wszechświata H stała Hubble a z H ρ m = 1 a& a ; (1 + z) H 3 ; v c 1 = ρ ; 8π 3 r G N ρ tot (1 + z) 4 1+ ; k a ρ z + Λ = Λ 3 = 0 = const m ciemna materia + bariony r fotony + leptony (naładowane i neutrina) Λ ciemna energia, stała kosmologiczna Gdy dominuje promieniowanie: a a 0 Kosmos płaski

5 Po inflacji Wszechświat zdominowany przez promieniowanie. Wszechświat ciałem doskonale czarnym Równowaga termodynamiczna zasadniczym założeniem; ilości zależą jedynie od wag statystycznych (spinowych stopni swobody) γγ l + l gdy temperatura >> wielkości mas Gdy Wszechświat się rozszerza następuje spadek temperatury a więc energii cząstek i promieniowania. T = T 0 (1+z) Następuje wyłączanie ( odsprzeganie ) możliwych reakcji. Standardowy model Wielkiego Wybuchu przewiduje istnienie CB (oprócz CMB) pierwotnego tła neutrinowego (nie mylić z wtórnym tłem z rozpadu supernowych etc.).

6 Rozkład termiczny: f = (e (E µ)/ T ± 1) 1 + bozony (fotony) rozkład Bosego-Einsteina - fermiony rozkład Fermiego-Diraca T=T 0 (1+z) E= E 0 (1+z) kształt niezależny od czasu Potencjały chemiczne nieznane zależą od praw zachowania µ f = µ f Asymetria cząstka antycząstka Dla CB ξ µ/t < 0.1; przyjmuje się = 0 n n ξ 4 α α α Lα n B /n γ = 6 * nγ leptogeneza źródłem niezachowania B

7 Trzy o określonych (różnych) masach stany własne; e, µ, τ -zapach określony poprzez produkcję z określonym leptonem lub detekcję poprzez określony lepton m = m =?? 1 m = sun + m > 9 mev sun = 8*10 5 ev m 3 = atm + m > 50 mev atm =.5*10 3 ev dla inwersji m m 3 > 50 mev

8 T T 11 4 γ 0 0 1/ 3 = = n γ T 3 ; ρ γ T 4.75 ± 0.001K T γ 0 / = 1.95K = 0.17 mev Masy i oscylacje mają mały wpływ na widma, gdyż liczba neutrin 1,, 3 taka sama liczba neutrin e, µ, τ taka sama liczba neutrin = liczba antyneutrin Przynajmniej dwa neutrina nierelatywistyczne Obecnie n γ = 411/cm g 3 n n = γ = nγ ; g v = ; g = 11 4 g * γ γ n = 56 Całkowita liczba * 3 * 56 = 336/cm 3 Stąd w ciele ludzkim 80 * 10 3 *336 = 3*10 7 ;

9 WSZECHŚWIAT ΛCDM (ciemna energia + ciemna materia) t = 1 s Mangano = 1/(1+z)

10 BBN CMB (z=1100) photons neutrinos Λ Ω i = ρ i /ρ crit cdm baryons m 3 =0.05 ev m =0.009 ev m 1 0 ev

11 Współczesne wielkości: stała Hubble a 73 km s -1 Mpc -1 krzywizna k = 0 całkowita gęstość energii = 1 * gęstość krytyczna gęstość ciemnej energii = 0.76 gęstość masy = 0.4 = 0.0 (ciemna masa) (bariony) gęstość promieniowania gamma (CMB) = 4.6 * 10-5 gęstość neutrin = 0.0 * Σm < dla Σm < 0.7 ev > dla Σm = mev

12 CΒ miały wpływ na najważniejsze procesy w rozwoju Wszechświata: Pierwotna nukleosynteza BBN Kosmiczne tło mikrofalowe CMB Powstawanie wielkich struktur LSS T ~ MeV T < ev e ; N eff Wszystkie ; masy ; N eff

13 BBN: Powstanie lekkich pierwiastków A = 8 A =5

14 4 He n P = = 0.6 dla n / p = 0.15 H p + n Y 1 m n m p = 1.93 MeV τ n = 886 s m n / p = exp n Boltzmann! m kt p

15 Dwa wpływy neutrin na BBN 1. Oddziaływania z morzem neutrin zmieniają n/p. H zależy od gęstości energii, co wpływa na czas trwania BBN H = 8πρ 3 ρ R = ρ + ρ + ρ = / 3 N γ v x eff ρ γ N =.984(8) LEP N eff = oczekiwane (zniekształcenie widma)

16 N Z pierwotnej zawartości 4 He + D eff = 3.1 (95% CL) 1. Dowód istnienia CB Mało miejsca dla neutrin dodatkowych ( sterylnych )

17 Wpływ N eff na późniejszy rozwój wydarzeń Całkowita ilość promieniowania zależy od N eff : wpływa na moment przejścia z epoki promieniowania na czas materii prędkie neutrina (HDM) uciekają swobodnie (free streaming) zmieniając wielkości fluktuacji LSS

18 Dołączenie N eff do stałych kosmologicznych Dane: WMAP + inne (LSS + LαF + SN-Ia) Model Płaski N eff = % CL N eff = Crotty, Lesgourgues & Pastor, PRD 67 (003) Hannestad, JCAP 0305 (003) Modele inne N eff = % CL Pierpaoli, MNRAS 34 (003) Ostatni fit N eff = (95% C. L.) N > eff 1.8(99% C. L.) świetna zgodność z BBN (modelowo zależne)

19 Σm (WMAP prawie nie zależy) 0 ev 1 ev Σm < 0.7 ev

20 Niestandardowe neutrina Trzy przykłady: rozpad neutrin (τ/m > 7*10 s/m = y/ m ) Neutrina są dość ciężkie (jak z β0) lecz sprzęgają się do lekkich bozonów i anihilują, gdy T ok. 1 ev + φ + φ Wszechświat bezneutrinowy (Nicole Bell) Neutrina o zmiennej masie sprzęgają się do ciemnej energii (ρ Λ 1 mev/cm 3 ) (Neil Weiner)

21 Konkluzje: Istnieją we Wszechświecie trzy rodzaje neutrin średnia całkowita liczba neutrin + antyneutrin = 336 /cm 3 średnia temperatura 1.95 K = 0.17 mev sumaryczna masa neutrin < 0. 7 ev co najmniej dwa neutrina są nierelatywistyczne

22 Rozkłady neutrin we Wszechświecie efekty grawitacyjne - neutrina nierelatywistyczne a więc klastry neutrinowe?? -zwykła materia silnie sklastrowana (1 g = 6*10 3 nukleonów) Najprostsze założenie, że stosunek Ω /Ω b 0.5 m [ev] (średnio we Wszechświecie) zachowuje się również w klastrach n n 10 7 *n b *m [ev] dla m = 1 ev i n b = ( )/cm -3 dla klastrów galaktyk (zależne od masy, a więc rozdzielenie zapachów?)

23 Treimaine-Gunn (1979) ograniczenie: Jedynie neutrina o v < v escape ucieczki mogą być utrzymane przez pole grawitacyjne. v escape 000 km/s dla klastrów, 600 km/s dla galaktyk 3T v = v = 600km / s dla m v = 1eV ( β 0.0) m = co by znaczyło, że tylko 1/3 neutrin jest schwytana. Obliczenia (równanie Własowa) uwzględniają zakaz Pauliego i rozkład ciemnej materii Ringwald, Wong: JCAP1(04)005, hep-ph/040841

24

25 Pasmo - różne rozkłady ciemnej materii

26

27 Detekcja CB jako tarcza Z burst m = 10-5 ev tłumaczy CR powyżej GZK

28 Normal hierarchy Inverted hierarchy

29 Źródło odległe o dużym z i widmo CB rozmyte po z i rozkładzie Fermiego Źródło o natężeniu tłumaczącym zdarzenia powyżej GZK na granicy obecnej czułości. Błędy: 10 lat pomiarów (dla dekady)

30 Wiązki z akceleratora: A R N + Z *10 8 * n n *m A [ev]* Z *E N [10 TeV]* L[100km]* I[0.1 A]/ yr Np. LHC 7 TeV p, L=6.7 km, I=0.6 A R=*10-8 /yr 574 TeV Pb, L=6.7 km, I=0.006 A R=1*10-5 /yr Niezbadana alternatywa: odwrotny rozpad beta A A N + e N + e Z Z + 1

31 σ E N CB jako pocisk Rozpraszanie - efekty G F T v G G F F m E / π = 10 / π = Majarana tylkoγ γ ; 56 v 63 5*10 µ 5 ( m [ ev ]) cm cm dla NR Dirac dla R a więc należy pomnożyć przez β Dla n = 56 /cm 3 < 10-6 /yr/kton dla NR-Dirac Koherentność jądrowa A = 10 5 pomaga niewiele Lecz λ = 1/ p v mm (λ 3 zawiera > 10 0 jąder) Weber!

32 Następuje interferencja destruktywna,gdy tarcza > λ -należy użyć ziarenek rozdzielonych o wymiarach λ. Metoda: wykorzystać ruch Słońca wzgl. halo neutrinowego naszej Galaktyki (369 km/s) a t 10 3 * n n * N A * 3 ( β ) * ρ [g / cm ][cm / s ] sun t Obecnie mierzalne 10-1 cm/s (przesunięcia cm) - nierealne, tym bardziej, że neutrina z see-saw i mierzalne w 0β są cząstkami Majorany.

33 Efekty liniowe z G F : optyka neutrinowa (n-1 G F ), Efekt Stodolskiego (rozpraszanie spolaryzowanych neutrin na spolaryzowanej tarczy) niemierzalne.

34 CnB jako tło (Yoshimura z Okayama) Poszukiwanie rozpadu stanu atomowego poprzez emisję pary

35 E * atom Rydberga E * -stan długożyciowy (>1 s), leży b. blisko nad E n. Laser wywołuje przejście do E **,który rozpadając się daje sygnał wystąpienia procesu:

36

37 Jeśli Majorana to 6 progów (niezachowanie L) i różny kształt od Diraca Jeśli istnieją neutrina pierwotne, to zasada Pauliego zmienia kształt przy progu

38 Uwaga; praca in statu nascendi. Jednakże, jeśli jest to realne,to ogromny potencjał odkrywczy

39 Wychwyt neutrin przez jądra radioaktywne Stary pomysł: Weinberg (196). Nowa (007) ekscytacja (Cocco, Vogel)

40 ln Gβ W λβ = = e p E F(Z,E )C(E,p )Ep 3 t π m e e e e e 1/ Prędkość rozpadu beta (ilość rozpadów/s) de e Gβ σ v = peeef(z,ee )C(Ee, p ) Qβ ( σ 1/ v λ) π Ilość oddziaływań jednego /s (przekrój czynny *strumień) F funkcja Fermiego C czynnik kształtu

41 Cocco

42 λ 1 3 = σ v T = exp(p / T ) + 1 (π) - bez efektów klastrowania d p 10 4 ev σ = v cm Nβ 41 / yr / mol

43 Np. Tryt ( 3 H) Q = kev, t 1/ = *10 8 s (1.3 yr); σ N β β = = 7* 7.84*10 n n 45 cm / yr / MCi Całka po widmie F-D (1MCi = 3.7*10 16 rozpadów / s 100 g T) Roczna produkcja trytu 4 MCi (obecne zasoby 70 MCi) m =1 ev, FWHM = 0.5 ev; klastrowanie neutrin 50

44 KATRIN KATRIN: czułość 0. ev KATRIN: ok rozpadów/s 1 ev/1000 yr 0.94 ev Hipotetyczny projekt: m = 0.3eV i = 0.5 ev Wystarczy 0.7 g trytu (*10 14 rozpadów/s) by uzyskać 10 zdarzeń po 5 latach (dla klastrowania = 50)

45 Na pewno istniało na początku Wszechświata i pewien czas później a obecnie CZEKA NA WAS