Czy neutrina mogą nam coś powiedzieć na temat asymetrii między materią i antymaterią we Wszechświecie?

Transkrypt

1 Czy neutrina mogą nam coś powiedzieć na temat asymetrii między materią i antymaterią we Wszechświecie? Tomasz Wąchała Zakład Neutrin i Ciemnej Materii (NZ16) Seminarium IFJ PAN, Kraków,

2 Plan Neutrina w Modelu Standardowym fizyki cząstek. Oscylacje neutrin. Ostatni kąt mieszania neutrin a symetria CP. Eksperymenty T2K i Daya Bay. Przyszłe pomiary dotyczące symetrii CP w oscylacjach neutrin. Asymetria między materią i antymaterią we wszechświecie. Bariogeneza, leptogeneza i symetria CP.,,Ciężkie neutrina. 2

3 Neutrina w Modelu Standardowym fizyki cząstek Neutrino w Modelu Standardowym jest cząstką elementarną o następujących własnościach: Jest bezmasowe Występuje w trzech zapachach (elektronowe: νe, mionowe: νμ, taonowe: ντ) Spin ½ Jest obojętne elektrycznie (ładunek zerowy) Oddziałuje wyłącznie słabo Obserwowane są tylko lewoskrętne neutrina (skrętność = rzut spinu na kierunek pędu) Może być cząstką Majorany (w teorii Majorany cząstka = antycząstka) 3

4 Oscylacje neutrin Neutrina oscylują, czyli zmieniają swój zapach. Źródło neutrin o energii E (tylko neutrina mionowe) νμ νμ Oscylacje νμ νe νμ ντ Detektor (neutrina trzech zapachów) L Neutrina są produkowane i rejestrowane poprzez oddziaływania słabe ale propagują się w przestrzeni jako kombinacje liniowe stanów masowych (stany masowe stany zapachowe) Stany zapachowe νe ν1 ν μ =U PMNS ν 2 ντ ν3 [] [] Stany masowe Prawdopodobieństwo oscylacji P(ν α ν β ) zależy od elementów macierzy mieszania UPMNS oraz od sin2(δmij2 L/E), gdzie Δmij2 = mi2-mj2 4

5 Oscylacje neutrin stan wiedzy eksperymentalnej Parametryzacja macierzy mieszania neutrin c 13 c 12 s s 13 e i δ U PMNS = 0 c 23 s23 s 12 c s 23 c 23 s 13 e i δ 0 c ( )( CP CP )( ) c ij=cosθij s ij =sin θij Szereg eksperymentów w ciągu ostatnich 15 lat potwierdziło istnienie zjawiska oscylacji neutrin Wartości parametrów oscylacji neutrin takich jak trzy kąty mieszania θij i dwie różnice kwadratów mas neutrin Δm2ij są różne od zera! Neutrina oscylują Neutrina mają masę (małą < ev ale niezerową! Δmij2~ ev2) Zdaniem wielu teoretyków fizyka poza Modelem Standardowym! 5

6 Czego jeszcze nie wiemy i co możemy zmierzyć? Hierarchia mas neutrin Co możemy zmierzyć poprzez oscylacje neutrin: Kąt mieszania θ23 < 45 czy θ23 > 45? Jaka hierarchia mas neutrin (znak Δm223 )? Jaka wartość fazy δcp? Normalna? Odwrócona? c 13 c 12 s s 13 e i δ U PMNS = 0 c 23 s23 s 12 c s 23 c 23 s 13 e i δ 0 c ( )( CP CP Faza Diraca δcp =? Łamanie lub zachowanie symetrii CP w oscylacjach neutrin )( ) elektron pozyton 6

7 Kąt mieszania θ 13 oraz δ CP Można zmierzyć δcp tylko jeśli kąt mieszania θ13 jest niezerowy. Najlepiej aby był duży! Jak wyznaczyć kąt θ13? Pomiar ile neutrin elektronowych pojawiło się w akceleratorowej wiązce neutrin mionowych L P(νμ ν e ) sin 2 θ 13 sin θ 23 sin (1.27 Δ m ) E człony zależne od δcp + człony mocno zależne od hierarchii mas neutrin νe ντ νμ Pomiar ile neutrin elektronowych z reaktora zanikło (,,przeoscylowało w neutrina innego zapachu): L P(ν e νe ) 1 sin 2 θ 13 sin (1.27 Δ m31 ) E + człony słabo zależne od hierarchii mas neutrin νμ νe ντ 7

8 Krótka historia kąta mieszania θ 13 Marzec 2011 J-PARC zaraz po trzęsieniu ziemi Tohoku Czerwiec 2011: Pierwsze wyniki T2K (dane sprzed trzęsienia ziemi Tohoku). Kąt θ13 rózny od zera na poziomie 2.5 odchylenia standardowego (Top Cite: 694 cytowań w Inspire), Marzec 2012: Eksperyment Daya Bay: sin22θ13 = (stat) 0.005(syst.) Lipiec 2013: Ulepszona analiza w T2K (28 zarejestrowanych neutrin elektronowych). Kąt θ13 różny od zera na poziomie 7.3 odchyleń standardowych Sierpień 2013: Daya Bay i najdokładniejszy pomiar θ13 : sin22θ13 =

9 Eksperyment T2K 11 krajów, 59 instutucji (w tym IFJ PAN) Ośrodek akceleratorowy J-PARC Tutaj produkuje się neutrina mionowe ~500 ludzi Detektor daleki (Super-Kamiokande) Tutaj,,wyłapuje się neutrina, które przeoscylowały. Detektor bliski Tutaj mierzy się parametry neutrin zanim zaszły oscylacje.

10 Wiązka neutrin z akceleratora i detektor bliski Detektor bliski Tunel rozpadu Protony Do detektora dalekiego Detektor (monitor) mionowy piony miony neutrina Tarcza (akcelerator) Oddziaływanie neutrina w det. bliskim Po co nam detektor bliski? Urządzenie do pomiaru parametrów wiązki neutrin mionowych (widmo energetyczne) zanim zaszły oscylacje. 10

11 Największy garnek z wodą? Detektor Super-Kamiokande, to obecnie największy detektor neutrin na świecie: Elektron (neutrino elektronowe) Zbiornik w kształcie walca o średnicy i wysokości 40m, Umiejscowiony w kopalni Kamioka 1km pod ziemią (aby uwolnić się od tła od promieni kosmicznych), Zawiera 50 tysięcy ton bardzo czystej wody 11 tyś. fotopowielaczy rejestruje promieniowanie Czerenkowa wysyłane przez cząstki naładowane powstające w oddziaływaniach neutrin. Mion (neutrino mionowe) Wewnątrz Super Kamiokande 11

12 Polacy w T2K Uniwersytet Warszawski, Narodowe Centrum Badań Jądrowych, Politechnika Warszawska Uniwersytet Wrocławski Uniwersytet Śląski Instytut Fizyki Jądrowej PAN: Projekt i budowa system montażu detektora mionowego. Montaż detektora mionowego. Rozwój oprogramowania (przewodnictwo grupie rekonstrukcji zdarzeń w detektorze bliskim). Analiza danych pomiary przekrojów czynnych w detektorze bliskim (3 różne analizy w naszym zakładzie) Montaż elementów detektora bliskiego 12

13 Neutrina z reaktorów eksperyment Daya Bay Chiny Neutrina produkowane są również w reaktorach jądrowych w procesach rozszczepienia (rozpady β neutronów) W eksperymencie Daya Bay (Chiny) dwa detektory bliskie i jeden daleki rejestrują neutrina z dwóch elektrowni: Daya Bay i Ling Ao. Wykorzystanie znanej od dawna techniki pomiaru opartej o tzw. odwrotny rozpad β oraz wychwyt neutronu. Detektory, to zbiorniki wypełnione ciekłym scyntylatorem dopowanym Gadolinem z fotopowielaczami na ściankach, które rejestrują fotony. 13

14 T2K dostarcza pierwszych wskazówek na temat δ CP 19 listopad 2013 Wykorzystując ostatnie wyniki z eksperymentu T2K (28 neutrin elektronowych w wiązce neutrin mionowych) oraz wartość kąta θ13 zmierzoną przez eksperymenty reaktorowe. T2K wyklucza na poziomie ufności 90% wartości δcp : ( 0.35 π,0.63 π ) Hierarchia normalna ( π, 0.97 π ) ( 0.04 π, π ) Hierarchia odwrócona Preferowana wartość δcp to -π/2 L P(νμ ν e ) sin 2 θ 13 sin θ 23 sin (1.27 Δ m ) E człony zależne od δcp + człony mocno zależne od hierarchii mas neutrin 14

15 Perspektywa najbliższych 10 lat w pomiarach δ CP T2K w ciągu najbliższych 10 lat powinno wykluczyć 50% wartości δcp z połowy przedziału wartości δcp gdy hierarchia mas nie będzie znana. Jeśli uda się wcześniej zmierzyć hierarchię mas neutrin będziemy w stanie wykluczyć 50% wartości δcp z całego jej przedziału wartości Eksperyment NOvA (USA): Wiązka neutrin mionowych z akceleratorowego ośrodka Fermilab Daleki detektor w odległości 735 km od Fermilabu w kopalni Soudan Połączenie wyników eksperymentów T2K i NOvA powinno pozwolić na wykluczenie 60% wartości δcp z pełnego jej przedziału wartości. Eksperyment NOvA 15

16 Precyzyjne pomiary δ CP -,,super wiązki neutrin LBNE (USA) Flagowy projekt z fizyki cząstek w Stanach Zjednoczonych. Hyper-Kamiokande (Japonia) Wiązka neutrin z ośrodka Fermilab (Chicago) Detektor z 10 tyś. ton ciekłego argonu w stanie Południowa Dakota oddalonego o 1300 km od Fermilabu. Wyznaczenie δcp z dokładnością do 20 stopni (do 10 stopni po podniesieniu mocy wiązki). Naturalne rozszerzenie eksperymentu T2K Bardzo intensywną wiązką neutrin (1.7 MW) z ośrodka J-PARC Większym dalekim detektorem (wodny detektor Czerenkowa o masie miliona ton!) w odległości 300 km od J-PARC. Wyznaczenie δcp z dokładnością do 18 stopni ale dokładność zależy od tego, czy znamy hierarchię mas neutrin. 16

17 Asymetria między materią i antymaterią we Wszechświecie Wszechświat zbudowany w większości z cząstek materii (protony, neutrony etc.) a nie antymaterii (anty-protony, anty-neutrony, etc.). Opis asymetrii materia i antymateria poprzez stosunek liczby barionów do liczby fotonów: nb η= nγ Dwa niezależne oszacowania parametru η: Zawartości lekkich pierwiastków we wszechświecie: η = ( ) x Anizotropie kosmicznego promieniowania tła: η = ( ) x 10 Mikrofalowe promieniowanie tła widziane przez satelitę Planck -10 (Planck) Wszechświat po Wielkim Wybuchu składał się z równych ilości materii i antymaterii. W symetrycznym Wszechświecie: η = 5 x

18 Bariogeneza i symetria CP Jak w dynamiczny sposób z symetrycznego Wszechświata rozwinęła się asymetria między liczbą barionów i antybarionów? model bariogenezy Warunki niezbędne do zajścia bariogenezy (1967r. Sacharow): Łamanie liczby barionowej (B) Łamanie symetrii ładunkowoprzestrzennej (CP) Brak równowagi termodynamicznej Co z łamaniem CP w rozpadach mezonów K i B? Obliczenia pokazują, że jest ono o wiele rzędów wielkości za małe zjawisko (~10-20) aby wyjaśnić zmierzoną wartość asymetrii. M. C. Escher 18

19 Leptogeneza Procesy mogące prowadzić do łamania symetrii CP a w rezultacie także do łamania liczby barionowej to rozpady ciężkich cząstek sprzęgających się do neutrin np. N i Lα H * N i Lα H Gdzie kwantowe poprawki wyższego rzędu sprawiają, że częstości rozpadu na lepton i anty-lepton są różne: * Γ ( N i LH ) Γ( N i LH ) Jest to tzw. model leptogenezy, który w rezultacie prowadzi do bariogenezy i może wyjaśniać asymetrię między materią i antymaterią. 19

20 ,,Ciężkie neutrina Mechanizm huśtawki (Minkowski, Gell-Mann,...) tłumaczy dlaczego masy lekkich neutrin są takie małe w porównaniu z kwarkami i innymi leptonami. Wiąże on lekkie neutrina ze swoimi ciężkimi odpowiednikami (,,ciężkimi neutrinami ). Lekkie neutrino (które obserwujemy) Ciężkie neutrino mν = m D 1 T md M 14 M m GUT ( 10 GeV ) 20

21 ,,Ciężkie neutrina Model leptogenezy postuluje łamanie symetrii CP w rozpadach ciężkich cząstek sprzęgających się do neutrin (,,lekkich neutrin). Mechanizm huśtawki dostarcza nam tychże ciężkich cząstek ciężkich neutrin. Odkrycie łamania symetrii CP w oscylacjach lekkich neutrin ważny argument na korzyść modelu leptogenezy z uwagi na ich związek poprzez mechanizm huśtawki z ciężkimi neutrinami. Ponadto istnienie ciężkich neutrin to:,,proste rozszerzenie Modelu Standardowego. Ciężkie neutrina kandydaci na ciemną materię? Jeśli mechanizm huśtawki jest prawdziwy, to jesteśmy w stanie badać obiekty w skali GUT poprzez badania lekkich neutrin o masach mniejszych niż elektronowolt! Łamanie symetrii CP dla,,lekkich neutrin Leptogeneza i bariogeneza Asymetria między materią i antymaterią 21

22 Podsumowanie Ostatnie lata, to bardzo ciekawy okres dla fizyki neutrin:,,otwarła się furtka do pomiaru fazy odpowiedzialnej za łamanie lub zachowanie symetrii CP w sektorze neutrin. W tym roku eksperyment T2K dostarczył pierwszych wskazówek eksperymentalnych na temat wartości δcp. Najbliższe lata w tej dziedzinie badań także zapowiadają się bardzo obiecująco: Dzięki pomiarom w eksperymencie T2K oraz w eksperymentach reaktorowych poznaliśmy wartość ostatniego z kątów mieszania neutrin i wiemy, że jest on niezerowy. Eksperymenty T2K (IFJ PAN) oraz NOvA będą w stanie dostarczyć dalszych informacji na temat symetrii CP w ciągu najbliższych 10 lat. W planach są eksperymenty, w których zasięgu jest wyznaczenie δcp z dużą dokładnością i ostateczne sprawdzenie czy symetria CP jest łamana w sektorze neutrin. Z pewnością neutrina będą mogły dostarczyć wskazówek na temat asymetrii między materią i antymaterią we Wszechświecie. Szereg innych bardzo ciekawych eksperymentów z fizyki neutrin: Poszukiwanie podwójnego bezneutrinowego rozpadu β sprawdzenie, czy neutrina są cząstkami Majorany i łamanie CP poprzez fazy Majorany, Sprawdzenie hierarchii mas neutrin, Pomiary,,kosmologiczne : suma mas neutrin, neutrina kosmiczne. 22