Oscylacyjne eksperymenty neutrinowe najnowsze wyniki oraz perspektywy

Transkrypt

1 Oscylacyjne eksperymenty neutrinowe najnowsze wyniki oraz perspektywy Anna Dąbrowska

2 Co wiemy o neutrinach? Postulowane przez W. Pauliego w 1930 roku Znamy trzy stany zapachowe: e odkryte w 1956 r.w reaktorowym eksperymencie F. Reinesa i C. Cowana - odkryte w 1962 r w eksp. M.Schwartza, L. Ledermana, J. Steinbergera (Brookhaven) - odkryte w 2000r. w eksperymencie DONUT w Fermilabie Obserwacje oscylacji neutrin neutrina mają masę z rozpadu trytu pionu taonu

3 Oddziaływania neutrin Neutrina oddziaływują wyłącznie słabo poprzez wymianę bozonów pośredniczących W+- oraz Z 0 prądy neutralne : NC prądy naładowane : CC

4 Detekcja czyli jak wykryć neutrino? N oddz. = σ ν x N ν x T Liczba oddziaływań przekrój czynny strumień liczba centrów oddziałujących neutrin na oddziaływanie neutrin w detektorze Przekrój czynny σ ν na oddziaływanie neutrin z materią jest niewyobrażalnie mały! Dla neutrin o energii rzedu 1 MeV : σ νn ~ cm 2 Odpowiada to średniej drodze swobodnej w materii rzedu grubości Galaktyki!!! Badanie oddziaływań neutrin możliwe jest tylko w oparciu o bardzo intensywne zródła neutrin ze Słońca, atmosfery, z reaktorów jądrowych, akceleratorów oraz detektory o ogromnej masie czynnej np. det. SuperKamiokande: 50 kt wody, MINOS FD:5.4kt stali i scyntylatora

5 Czym są oscylacje? Oscylacje neutrin są efektem czysto kwantowym, nieznanym w świecie makroskopowym Przyjmując, że obserwowane neutrina o zapachach :, e są mieszankami stanów masowych : 1, 2 Macierz mieszania transformacja obrotu pozwala przejść od stanów ν 1, ν 2 do ν e, ν μ

6 Prawdopodobieństwo oscylacji

7 Mieszanie 3 zapachów neutrin Dla neutrin macierz mieszania U (Maki-Nkagava-Sakata-Pontecorvo) U MNSP ve cos 23 sin 23 cos atmosferyczne/akceler. SK, K2K, MINOS, T2K, OPERA, ICARUS 0 sin cos 13 0 sin 13e akceler./reaktorowe CHOOZ, MINOS,T2K, Double Chooz., RENO, Daya Bay 4 parametry mieszania : kąty θ 12, θ 23, θ 13 oraz faza δ i sin e 13 0 cos i 13 cos sin sin cos 0 słoneczne/reaktorowe SNO, KamLand, Borexino v 0 v 1 v 1 2 3

8 Prawdopodobieństwa oscylacji PPrzykład: człon atm. CP człon słon. Człony interferencyjne gdzie Δm 2 i j = m 2 i m 2 j, S ij = sinθ ij, C ij =cosθ ij Efekt łamania CP ~ sinδ sinθ 12 sinθ 23 sinθ 13 nie jest jeszcze znany (sinθ 12 = 0.5, sinθ 23 = 0.7, sinθ 13 < 0.2 ) Wartość θ 13 zadecyduje o przyszłych eksperymentach badających oscylacje neutrin!!

9 Parametry oscylacyjne przed wynikami opublikowanymi w 2011 roku Parametr δ nieznany 0.2 <0.2 o Ograniczenie z Chooz o hierarchia mas słoneczne/reaktor. SNO, KamLand atm./akcelerat. SK, K2K, MINOS

10 Parametry doświadczalne : L, E, E - energia neutrina, L- tzw. długość bazy tj. odległość zródło -detektor E vs L dla różnych eksperymentów oscylacyjnych Obecne przyszłe

11 Jak można wyznaczyć wartość parametru 13? Przy użyciu neutrin akceleratorowych,<e > ~kilku GeV pojawianie się e Niska statystyka, skomplikowana zależność od wielu parametrów P( e ) sin 2 sin sin 1.27 m L / Eksperymenty: Minos (2005), T2K (2009), NOvA (2014) E +dod. c. Przy użyciu neutrin reaktorowych anty e,<e > ~kilku MeV zanikanie anty e Praktycznie czysty pomiar kąta θ 13, wystarcza niewielki niedobór sygnału dominują błędy systematyczne Eksperymenty: Double Chooz (2011), RENO (2011), Daya Bay (2012)

12 Układ detektorów Bliski detektor (ND) - widmo energii niezakłócone przez oscylacje ( bada strumień i widmo neutrin) Daleki detektor (FD) poszukiwanie oscylacji ND FD

13 Eksperymenty akceleratorowe: T2K Minos NOvA

14 Eksperyment T2K

15 Wiązka neutrin pozaosiowa: (2.5 ) T2K o energii w max. rozkładu 600 MeV dopasowanej do max oscylacji Docelowo intensywna:750kw (50kW w 2010,145kW w 2011) czysta Dane: POT Run1 ( ) Run2 ( ) Wszystkie zebrane dane zostały przeanalizowane

16 Detektory w T2K Detektory na osi wiązki (Muon Monitor, INGRID) badają profil, stabilność i kierunek wiązki neutrin Bliski pozaosiowy det(nd280) służy do pomiaru liczby oddz. oraz zapachu neutrin przed oscylacjami Daleki pozaosiowy det. (SK) mierzy liczbę oddz. neutrin oraz ich zapach po przeoscylowaniu.

17 Wyniki analizy T2K Analiza przeprowadzona na wszystkich zebranych danych ( POT) co stanowi 2% zaplanowanych POT Po wszystkich cięciach wyselekcjonowano próbkę 41 przypadków 8 pochodzących od oddziaływania neutrina elektronowego i 33 pochodzące od oddziaływania neutrina mionowego Po kolejnych cieciach eliminujących tło: Pozostalo 6 przypadków pochodzących od elektronu oraz 31 pochodzące od mionu W oparciu o MC przewidywano przypadków ν μ w przypadku braku oscylacji oraz ν e.

18 Pojawianie się ν e w wiązce ν μ pomiar kąta θ 13 Prawdopodobieństwo zaobserwowania 6 ν e przy zał. sin 2 (2θ 13 ) = 0 wynosi 0.7%, sin 2 (2θ 13 ) = 0.1 wyznaczony z dokładnością do 2.5 σ. θ 13 jest różne od zera! Chooz 90%CL upper bound Dla 90% C.L. : Najlepsze dopasowanie : Publikacja Phys.Rev.Lett. 107,041801(2011), arxiv: [hep-ex] :193 cytowania

19 Trzęsienie ziemi Ogromne trzęsienie ziemi u wybrzeży Japonii wraz z tsunami 11 marca zeszłego rok było wielką tragedią dla ludzi. JPARC nie ucierpiał z powodu tsunami Zniszczenia w infrastrukturze zostały usunięte Bliski detektor praktycznie nie ucierpiał Największe zniszczenia były w Liniaku usunięte,w grudniu 2011 uruchomiony Plany: rozpoczęcie zbierania danych w marcu 2012

20 MINOS Protony o energii 120 GeV z akceleratora Main Injector w Fermilabie - produkcja i anty Możliwość zmiany energii neutrin (ruchome rożki magnetyczne ) Detektory ND i FD : oba zbudowane są z naprzemiennych segmentów namagnesowanej stali i scyntylatora (masy 1kt i 5.4 kt odpowiednio ) Dane zbierane ponad 6 lat ( POT)

21 Najnowsze wyniki w MINOSie : 13 Dla LEM >0.7 Spodziewane tło: 49.5 ± 2.8(syst) ± 7.0(stat) W FD zaobserwano : 62 przypadki co stanowi 1.7σ nadwyżki ponad tło Przy zał.δ CP = 0 dozwolone są następujące wartości 2sin 2 (2θ 13 )sin 2 (θ 23 ) na poziomie 90% CL (normalna hierarchia) centralna wartość : (odwrócona hierarchia) centralna wartość : 0.08 Phys.Rev.Lett. 107 (2011) ,arXiv: [hep-ex] : 58 cytowań

22 Eksperyment NOvA Wiązka NuMi pozaosiowa (3.3 ) Wzrost mocy wiązki akceleratora z 320kW do 700kW Dwa detektory: bliski w Fermilabie o masie 222 tony i daleki (810km) w Minnesocie o masie 15kt z ciekłym scyntylatorem, o wysokiej granulacji Daleki detetektor rozpocznie prace w 2014 r. Celem pomiar kąta 13 i rozwikłanie problemu hierarchii mas

23 Eksperymenty reaktorowe : Double Chooz (2011), RENO (2011), Daya Bay (2012)

24 Jak zmierzyć 13 przy pomocy ν reaktorowych

25 Double Chooz

26 Rejestracja neutrin reaktorowych Ciekły scyntylator Antyneutrina powstają w rozpadach β produktów rozszczepienia jądrowego Całkowity strumień dla reaktora o mocy 3GW

27 Analiza oscylacyjna Całkowite tło : przypadków Sygnał :4121 przypadków sin 2 13 = ± (syst.) ± (stat.) Brak oscylacji wykluczono na poziomie 94.6 % CL

28 Łączne wyniki Łączny wynik z Double Chooz, T2K i Minosa : (0.027) < sin 2 13 < 0.16 (0.17) dla 95 % CL

29 Eksperyment DAYA BAY Shenzhen na południu Chin; ~55 km od HK Kilka elektrowni jądrowych dużej mocy: Daya Bay NPP(elektrownia jądrowa) Ling Ao NPP Ling Ao II NPP (start w 2010) Wykorzystane górzyste otoczenie: 4 spośród 8 detektorów już pracują. Po 3 latach zbierania danych oczekuje się wyznaczenia θ 13 z dokł. do 1% 29

30

31 Eksperyment RENO w Korei Usytuowany w południowo-zachodniej części Korei, 400 km od Seulu 6 reaktorów praktycznie w tej samej odległości od siebie ( szer. 1.3 km) 2-ga największa na świecie siłownia jądrowa- całkowita średnia moc wynosi 16.4 GW 31

32 Podsumowanie I Oscylacje e pierwsze wskazania na niezerową wartości kąta θ 13! w eksperymentach: T2K zarejestrowano 6 przypadków w stosunku do 1.5±0.3 oczekiwanych z tła. Prawdopodobieństwo, że sinθ 13 = 0 dla tych 6 przypadków wynosi 0.7% Na poziomie 90 % CL 0.03 (0.04) < sin 2 (2θ 13 ) < 0.28 (0.34) dla normalnej i (odwróconej ) hierarchii przy założeniu δ cp =0 MINOS Wyniki spójne z T2K ( nadwyżka przypadków ponad tło jedynie na poziomie 1.7 σ przy 5.7 razy wyższej statystyce) Oscylacje anty e anty e Double Chooz sin 2 (2θ 13 )= ± (syst.) ± (stat.) i znów zgodność z poprzednimi wynikami W oparciu o zebraną statystykę najlepsze dopasowanie daje

33 Podsumowanie II Łączny fit z trzech eksperymentów : (0.027) < sin 2 13 < 0.16 (0.17) na 95% CL odpowiednio dla normalnej (odwróconej) hierarchii. W najbliższym roku należy oczekiwać kolejnych publikacji z nowych eksperymentów reaktorowych RENO, Daya Bay oraz z Double Chooz i T2K a za kilka lat można spodziewać się, że wartość kąta θ 13 wyznaczona zostanie bardzo precyzyjnie. Niezerowa, odpowiednio duża wartość kąta θ 13 daje szanse na badanie łamania symetrii CP w sektorze leptonowym przy zastosowaniu intensywnych wiązek neutrin oraz ogromnych, o wysokiej czułości detektorów.

34 Pomiar kąta 13 w T2K został zaliczony do 10 najciekawszych wyników z fizyki w 2011 roku przez czasopismo Physics World

35 Backup

36

37 Oscylacje neutrin Przyjmijmy, że w chwili t=0 i x=0 dysponujemy wyłącznie e = e > Po pewnym czasie w wyniku ewolucji stanów otrzymamy : Jeżeli wówczas względna faza stanów 1, 2 zmienia się w czasie ( neutrina poruszają się z różną prędkością) To oznacza, że Nowy stan znów możemy rozłożyć na składowe: Co można sprowadzić do: Prawdopodobieństwo, że po czasie t początkowe e oddziała jako e Podobne rozważanie możemy przeprowadzić jeśli na początku dysponujemy czystą wiązką

38 Czym są oscylacje? Oscylacje neutrin są efektem czysto kwantowym, nieznanym w świecie makroskopowym. Obrazowo możemy je porównać do obserwowanych na ulicy samochodów.

39 Nowe wartości parametrów dla antyneutrin

40 Wyniki MINOSA w 2010 Najlepszy do tej pory pomiar największej różnicy kwadratów mas dla neutrin i antyneutrin Postanowiono zwiększyć statystykę dla antyneutrin

41 Porównanie z Minosem i SK Wartości najlepszego dopasowania dla T2K: sin 2 (2θ 23 )=0.99(0.98) Δm 2 23 = ev 2 Są zgodne z wyznaczonymi w SK oraz Minosie

42

43 Statystyki

44 Podsumowanie wyników w Double Chooz