Neutrina. Elementy fizyki czastek elementarnych. Wykład VII. Historia neutrin Oddziaływania neutrin Neutrina atmosferyczne

Transkrypt

1 Neutrina Wykład VII Historia neutrin Oddziaływania neutrin Neutrina atmosferyczne Elementy fizyki czastek elementarnych Eksperyment Super-Kamiokande Oscylacje neutrin

2 Neutrino elektronowe Zaproponowane przez Pauliego do wyjaśnienia pozornego naruszenie zasady zachowania energii w rozpadzie : Neutrina na poziomie czastek:! 2! $ % +# + * 5 * 3# 34 -! $ % +# + + * 0 *. +/ #" " $ % #& *, Ciagłe widmo energii: Postulowane właściwości: bardzo słabo oddziałuje z materia ma zaniedbywalna masę Ograniczenia na masy (95% CL): ')( + Do niedawna zakładaliśmy, że neutrino ma zerowa masę... z bezpośredniego pomiaru A.F.Żarnecki Wykład VII

3 ! " + $! & +4 * +! Neutrina Na masy neutrin istnieja też liczne ograniczenia astrofizyczne i kosomologiczne Supernowa SN 987A W roku 987 zaobserwowano krótki błysk neutrin z wybuchu odległej o ok lat świetlnych supernowej (!0 s). Gdyby neutrina miały masę +, poruszałyby się z różna prędkościa, zależnie od energii. Jednoczesna rejestracja neutrin o różnych energiach ( $) A.F.Żarnecki Wykład VII 2

4 Supernowa 987A Pierwsza supernowa zarejestrowana na Ziemi od 604 roku! Wybuch gwiazdy (błękitnego olbrzyma) SK w Wielkim Obłoku Magellana (niewielka galaktyka, około lat świetlnych od Słońca) SK lutego 987 SN987A dziś za tysiac lat? Mgławica Kraba pozostałość po supernowej z 054 r, A.F.Żarnecki Wykład VII 3

5 * Neutrina Przekrój czynny Przekrój czynny na oddziaływanie neutrin z materi a jest niewyobrażalnie mały. Dla neutrin o energii rzędu MeV + + * Odpowiada to średniej drodze swobodnej w materii rzędu lat świetlnych!!! Przekrój czynny na oddziaływanie neutrin z materia rośnie z energia, ale tylko liniowo... Badanie oddziaływań neutrin możliwe jest tylko w oparciu o bardzo intensywnego źródła... Słońce, promieniowanie kosmiczne, reaktory jadrowe, oddziaływania czastek... A.F.Żarnecki Wykład VII 4

6 Neutrina Doświadczenia Reinesa i Cowana ( ) Oddziaływanie neutrin zaobserwowano po raz pierwszy wykorzystujac jako źródło reaktor jadrowy. Produkcja neutrin w rozpadach neutronów: Zaobserwowano reakcję Detektor: produkowane pozytrony anihiluja emitujac fotony. kadm zawarty w wodzie wychwytuje neutrony co także prowadzi do emisji fotonów. koincydencja dwóch sygnałów jest sygnatura szukanej reakcji A.F.Żarnecki Wykład VII 5

7 Neutrina Wiazki neutrin Neutrina powstaja w rozpadach pionów i kaonów, które potrafimy licznie produkować w oddziaływaniach hadronów (np. zderzajac protony z tarcza): W ten sposób możemy otrzymujemać szerokopasmowa wiazkę neutrin (Wide Band Beam, WBB): Wytwarzanie intensywnych wiazek neutrin i antyneutrin ( przełom w badaniach oddziaływań słabych 963) A.F.Żarnecki Wykład VII 6

8 Neutrina Wiazki neutrin Jesli jednak dokonamy wstępnej selekcji pionów i kaonów w spektrometrze (ze względu na znak i pęd) Otrzymamy wiazkę w której energia neutrina zależy od kierunku jego emisji. Wiazka waskopasmowa (Narrow Band Beam; NBB) A.F.Żarnecki Wykład VII 7

9 Neutrina Oddziaływania W rozpadach pionów i kaonów produkowane sa prawie wyłacznie neutrina mionowe. W wyniku ich oddziaływania w detektorze na ogół produkowany jest wysokoenergetyczny mion oddziaływania typu CC: Choć obserwujemy też oddziaływania bez produkcji mionu oddziaływania typu NC: ν µ µ νµ ν µ W Z o N N A.F.Żarnecki Wykład VII 8

10 Neutrina Zachowanie liczby leptonowej Nie obserwujemy natomiast oddziaływań z produkcja pozytonu: W rozpraszaniu i natomiast produkcja (wybicie) elektronu poprzez oddziaływania typu NC: możliwa jest ν µ e + νµ ν µ W Z o N zachowanie liczby leptonowej e e Każdy naładowany lepton ma swoje neutrino. A.F.Żarnecki Wykład VII 9

11 Model Standardowy W Modelu Standardowym przyjmowaliśmy do niedawna, że neutrina sa bezmasowe i liczba leptonowa jest ściśle zachowana Oba te postulaty wynikały tylko z danych doświadczalnych Neutrina Eksperyment LSND w Los Alamos 67 ton scyntylatora na wiazce neutrin o dużej intensywności Rozpady tylko Obserwujemy jednak reakcję, i. : Ogólna teoria nie narzuca zachowania liczby leptonowej! Łamane zachowanie liczby leptonowej!? A.F.Żarnecki Wykład VII 0

12 * + * + Neutrina atmosferyczne Promieniowanie kosmiczne Przestrzeń kosmiczna wypełniona jest czastkami o energiach dochodzacych do GeV ( ev). promieniowanie kosmiczne poza atmosfera ziemska pierwotne Skład pierwotnego promieniowania kosmicznego (pomijajac neutrina): protony (jadra H) 86% czastki (jadra He) 3% jadra cięższych pierwiastków % neutrony, elektrony, fotony % ev GeV ev GeV A.F.Żarnecki Wykład VII

13 Neutrina atmosferyczne Promieniowanie kosmiczne Strumień czastek promieniowania pierwotnego maleje dla dużych energii jak : primary proton flux (m 2 sec sr GV) (a) γ = 2.78 ± (fit) ± 0.09 (sys) Φ = 7. ± 0.5 (fit) ±.3 (sys) ±.5 (γ) 0 Fitrange GV 2.78 / (m 2 sec sr MV) 0 R Rigidity (GV) 2.5 Flux * E K AMS-0 BESS98 CAPRICE94 IMAX92 MASS9 LEAP87 (b) Honda et al. Lipari Protons E K (GeV) Wiekszość czastek ma energie rzędu 0 GeV. Czastki promieniowania pierwotnego nie docieraja (na szczęście) do powierzchni Ziemi. Traca energię w oddziaływaniach z jadrami azotu i tlenu produkujac liczne czastki wtórne, głównie piony. A.F.Żarnecki Wykład VII 2

14 Neutrina atmosferyczne Produkcja Promieniowanie kosmiczne pierwotne oddziałuje w atmosferze produkujac liczne czastki wtórne, w większości piony. W wyniku rozpadów: (podobnie dla ) produkowanych jest dwukrotnie większa liczba neutrin (i antyneutrin) mionowych niż elektronowych: A.F.Żarnecki Wykład VII 3

15 Neutrina atmosferyczne Rozkład katowy Pierwotne promieniowanie kosmiczne jest izotropowe. Ponieważ neutrina praktycznie nie oddziałuja z Ziemia, strumienie neutrin do dołu i do góry powinny być sobie równe. A.F.Żarnecki Wykład VII 4

16 Neutrina atmosferyczne Eksperyment Super-Kamiokande Japonia, w starej kopalni, km pod góra Kamioka, komora o wysokości 40 m i średnicy 40 m, wypełniona woda 000 fotopowielaczy (50 cm średnicy!) rejestruje przechodzace czastki rejestrowane jest promieniowanie Czerenkowa emitowane w kierunku ruchu przez czastki poruszajace się z prędkościa większa od prędkości światła (w wodzie) A.F.Żarnecki Wykład VII 5

17 Super-Kamiokande A.F.Żarnecki Wykład VII 6

18 Napełnianie A.F.Żarnecki Wykład VII 7

19 Super-Kamiokande Neutrino elektronowe Przypadek Krótki zasięg elektronu - cienki pierścień Neutrino mionowe Przypadek Długa droga w wodzie - gruby pierścień. Czasami widzimy też opóźniony sygnał z rozpadu. A.F.Żarnecki Wykład VII 8

20 Super-Kamiokande Klasyfikacja przypadków Przypadki które rozpoznajemy jako oddziaływania neutrin: FC: Fully Contained Elektron lub niskoenergetyczny mion wyprodukowany w detektorze zatrzymuje się w nim PC: Partially Contained Wysokoenergetyczny mion wyprodukowany w środku ucieka z detektora Upward Miony wpadajace do detektora od dołu A.F.Żarnecki Wykład VII 9

21 ! Super-Kamiokande Wyniki Zależność liczby obserwowanych przypadków elektronowych i mionowych od kierunku (przypadki typu FC) Zgodnie z oczekiwaniami tyle samo neutrin elektronowych leci do dołu ( +) i do góry ( Neutrin mionowych mniej niż oczekujemy (ciagła linia)! Wyraźnie mniej niż do góry! +). lecacych od dołu number of events number of events Sub-GeV e-like cosθ Multi-GeV e-like cosθ number of events number of events Sub-GeV µ-like cosθ Multi-GeV µ-like + PC cosθ A.F.Żarnecki Wykład VII 20

22 +# 3 +# + Super-Kamiokande Wyniki Efekt widoczny we wszystkich rozważanych próbkach. Stosunek liczby przypadków mionowych do elektronowych: 3 ( Czy neutrina mionowe moga znikać przechodzac przez Ziemię? flux(0-3 cm -2 s - sr - ) number of events upward through going µ upward stopping µ cosθ multi-ring Sub-GeV µ-like cosθ flux(0-3 cm -2 s - sr - ) number of events cosθ multi-ring Multi-GeV µ-like cosθ A.F.Żarnecki Wykład VII 2

23 Inne eksperymenty Super-Kamiokande jest największym istniejacym detektorem neutrin zebrała najwięcej przypadków ma najdokładniejsze wyniki (np. Super-K: 2785 contained + 25 Up- ; IMB: 935 contained Up- ) Efekt znikania neutrin mionowych widziany jest jednak także przez inne eksperymenty badajace neutrina atmosferyczne: Super-K 0.65 IMB 0.54 Kamiokande 0.60 Soudan Jak można to wytłumaczyć?!... A.F.Żarnecki Wykład VII 22

24 i Oscylacje neutrin Przypomnienie Wiemy, że oddziaływania słabe nie zachowuja dziwności, mieszaja kwarki. Fizycznymi stanami sa: Mezony moga się przemieniać w : Wyprodukowany przedstawić jako: stan możemy " % * Czastka wyprodukowana (w oddziaływaniach silnych) jakomoże oddziałać jako. Dzieje się tak dlatego, że stany i nie sa fizycznymi stanami czastki swobodnej. Oscylacje pojawiaja się dla tego, a różne masy ich funkcje falowe różnie ewoluuja w czasie... że i maj A.F.Żarnecki Wykład VII 23

25 + mieszankami stanów fizycznych i ( Mieszanie stanów Przyjmijmy, że neutrina i Oscylacje neutrin s a Przyjmijmy, że w chwili wyprodukowaliśmy : +i Swobodne stany ewoluuj Jeśli Oznacza to, że: a w czasie: stanów i to względna faza zmienia się w czasie! Nowy stan możemy jednak rozłożyć na składowe: Co można sprowadzić do: A.F.Żarnecki Wykład VII 24

26 Oscylacje neutrin Prawdopodobieństwo przejścia Prawdopodobieństwo, że po czasie wyprodukowana czastka oddziała jako : Zakładajac, że masy i różnice mas sa małe: można pokazać że: * " #* " & * " ( W bardziej praktycznych jednostkach,. ( gdzie [km], [ev ] i [GeV]. Jesli różnice mas sa rzeczywiscie bardzo małe, musimy wykonywać pomiary dla bardzo dużych odległości... A.F.Żarnecki Wykład VII 25

27 Super-Kamiokande Prawdopodobieństwo przejścia W funkcji odległości: W funkcji energii neutrina (odległość średnica Ziemi): P ν ν % +# 3 P ν ν sin 2 2Θ 2 = m 2 = ev sin 2 2Θ 2 = m 2 = ev 2 L = km L/E [km/gev] E [GeV] Zależność rozmywa się jesli neutrina maja różne energie! Dla bardzo dużych ( ) otrzymujemy: A.F.Żarnecki Wykład VII 26

28 " 5 Super-Kamiokande Wyniki Przedstawione wyniki Super-Kamiokande (i innych pomiarów neutrin atmosferycznych) można wytłumaczyć przyjmujac, że na skutek oscylacji w inny rodzaj neutrina. Oscylacje w (strumień zgodny z modelem) wykluczamy znikaja najlepszym kandydatem neutrino taonowe Dopasowanie parametrów mieszania do wszystkich danych: +# + + " 3 $ #* + + Wyniki zgodne z hipoteza oscylacji wyznaczane ( z kata detekcji) A.F.Żarnecki Wykład VII 27

29 Super-Kamiokande Wyniki Porównanie z wynikami innych eksperymentów (kontury dopuszczonych obszarów parametrów) A.F.Żarnecki Wykład VII 28

30 K2K Doświadczenia z długa baza Wyniki pomiarów neutrin atmosferycznych obarczone sa różnymi niepewnościami (promieniowanie kosmiczne, skład i gęstość atmosfery, struktura Ziemi) Dlatego ostatecznego rozstrzygnięcia szukamy w doświadczeniach z długa baza Obserwacja oscylacji w dobrze kontrolowanych warunkach: Wiazka neutrin kierowana do oddalonego detektora. Odpowiednio dobierajac odległość i energię wiazki powinniśmy zaobserwować efekt oscylacji... A.F.Żarnecki Wykład VII 29

31 Eksperyment K2K K2K Pierwszym eksperymentem z długa baza jest K2K (KEK to Kamiokande). Wiazka z laboratorium KEK ( GeV) skierowana została do odległego o 250 km detektora Super-Kamiokande. Aby dobrze zmierzyć parametry wiazki oraz lepiej zrozumieć działanie detektora SK na poczatku wiazki ustawiono miniaturę Super-Kamiokande + detektor elektroniczny A.F.Żarnecki Wykład VII 30

32 Detekcja neutrin: Super-Kamiokande A.F.Żarnecki Wykład VII 3

33 K2K Korelacja czasowa Przypadki rejestrowane w Super-Kamiokande pochodzace z wiazki KEK rozpoznawane sa na podstawie kierunku i korelacji czasowej z impulsami akceleratora: Wyraźnie widoczna korelacja czasowa, zaniedbywalne tło. A.F.Żarnecki Wykład VII 32

34 0 +# *, 3 K2K Wyniki Wyniki pomiarów przeprowadzonych w okresie od czerwca 999 do lipca 200: " Dopasowanie parametrów mieszania: +# + + " 0 $ #* + + Rozkład energii (po normalizacji) Bez oscylacji Z oscylacjami W bardzo dobrej zgodności z wynikami SK. Prawdopodobieństwo braku oscylacji: 0.7% A.F.Żarnecki Wykład VII 33