Podstawy fizyki cząstek III. Eksperymenty nieakceleratorowe Krzysztof Fiałkowski

Podobne dokumenty
Rozdział 6 Oscylacje neutrin słonecznych i atmosferycznych. Eksperymenty Superkamiokande, SNO i inne. Macierz mieszania Maki-Nakagawy- Sakaty (MNS)

Jak się tego dowiedzieliśmy? Przykład: neutrino

Neutrina. Źródła neutrin: NATURALNE Wielki Wybuch gwiazdy atmosfera Ziemska skorupa Ziemska

Metamorfozy neutrin. Katarzyna Grzelak. Sympozjum IFD Zakład Czastek i Oddziaływań Fundamentalnych IFD UW. K.Grzelak (UW ZCiOF) 1 / 23

Tajemnicze neutrina Agnieszka Zalewska

Maria Krawczyk, Wydział Fizyki UW. Neutrina i ich mieszanie

Neutrina mają masę - Nagroda Nobla 2015 z fizyki. Tomasz Wąchała Zakład Neutrin i Ciemnej Materii (NZ16)

Zagadki neutrinowe. Deficyt neutrin atmosferycznych w eksperymencie Super-Kamiokande

Neutrina i ich oscylacje. Neutrina we Wszechświecie Oscylacje neutrin Masy neutrin

Neutrina. Elementy fizyki czastek elementarnych. Wykład VIII. Oddziaływania neutrin Neutrina atmosferyczne

Neutrina (2) Elementy fizyki czastek elementarnych. Wykład IX

cząstki, które trudno złapać Justyna Łagoda

Wszechświat czastek elementarnych

Neutrina. Fizyka I (B+C) Wykład XXIV:

Neutrina (2) Elementy fizyki czastek elementarnych. Wykład VIII

Zagadki neutrinowe. Deficyt neutrin atmosferycznych w eksperymencie Super-Kamiokande

Fizyka neutrin. Źródła neutrin Neutrina reliktowe Geoneutrina Neutrina z wybuchu Supernowych Neutrina słoneczne. Deficyt neutrin słonecznych

Neutrina. Fizyka I (B+C) Wykład XXVII:

Zderzenia relatywistyczne

Oscylacje neutrin. Deficyt neutrin atmosferycznych w eksperymencie Super-Kamiokande

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

Zderzenia relatywistyczne

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

Neutrina. Wstęp do Fizyki I (B+C) Wykład XXII:

Title. Tajemnice neutrin. Justyna Łagoda. obecny stan wiedzy o neutrinach eksperymenty neutrinowe dalszy kierunek badań

Neutrina. Wszechświat Czastek Elementarnych. Wykład 12. prof. dr hab. Aleksander Filip Żarnecki

Neutrino cząstka, która nie miała być nigdy odkryta

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

Masywne neutrina w teorii i praktyce

Naturalne źródła neutrin, czyli neutrina sa

Słońce obserwowane z kopalni Kamioka, Toyama w Japonii

Wszechświata. Piotr Traczyk. IPJ Warszawa

WSTĘP DO FIZYKI CZĄSTEK. Julia Hoffman (NCU)

Jak działają detektory. Julia Hoffman

Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników WYKŁAD 2

Elementy Fizyki Jądrowej. Wykład 5 cząstki elementarne i oddzialywania

Cząstki elementarne z głębin kosmosu

Konferencja NEUTRINO 2012

Marek Kowalski

Analiza oscylacji oraz weryfikacje eksperymentalne

Oddziaływania podstawowe

Oddziaływanie promieniowania jonizującego z materią

Neutrina najbardziej tajemnicze cząstki we Wszechświecie

Identyfikacja cząstek

Promieniowanie jonizujące

Badanie wysokoenergetycznych mionów kosmicznych w detektorze ICARUS.

Promieniowanie jonizujące

Elementy Fizyki Czastek Elementarnych 1 / 2

Maria Krawczyk, Wydział Fizyki UW

Oscylacyjne eksperymenty neutrinowe najnowsze wyniki oraz perspektywy

Wszechświat czastek elementarnych Detekcja czastek

Promieniowanie jonizujące

Elementy fizyki czastek elementarnych

Rozpad alfa. albo od stanów wzbudzonych (np. po rozpadzie beta) są to tzw. długozasięgowe cząstki alfa

wyniki eksperymentu OPERA Ewa Rondio Narodowe Centrum Badań Jądrowych

Fizyka cząstek elementarnych i oddziaływań podstawowych

Zagraj w naukę! Spotkanie 5 Obecny stan wiedzy. Maciej Trzebiński. Instytut Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk

Atmosfera ziemska w obserwacjach promieni kosmicznych najwyższych energii. Jan Pękala Instytut Fizyki Jądrowej PAN

Fizyka cząstek elementarnych II Neutrina

Wszechświat Cząstek Elementarnych dla Humanistów Detekcja cząstek

WYKŁAD 8. Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników

Promieniowanie kosmiczne składa się głównie z protonów, z niewielką. domieszką cięższych jąder. Przechodząc przez atmosferę cząstki

Przyszłość polskiej fizyki neutrin

WYKŁAD 8. Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników. Maria Krawczyk, Wydział Fizyki UW

Bozon Higgsa prawda czy kolejny fakt prasowy?

Tajemnice neutrin Jan Kisiel Instytut Fizyki, Uniwersytet Śląski, Katowice Katowice,

Pomiary prędkości neutrin

WYKŁAD 8. Maria Krawczyk, Wydział Fizyki UW. Oddziaływania słabe

Cząstki elementarne wprowadzenie. Krzysztof Turzyński Wydział Fizyki Uniwersytet Warszawski

Cząstki elementarne. Składnikami materii są leptony, mezony i bariony. Leptony są niepodzielne. Mezony i bariony składają się z kwarków.

Wszechświat czastek elementarnych Detekcja czastek

Neutrina takie lekkie, a takie ważne

Podstawy fizyki subatomowej

Struktura porotonu cd.

FIZYKA III MEL Fizyka jądrowa i cząstek elementarnych

Detekcja promieniowania elektromagnetycznego czastek naładowanych i neutronów

Sylwa czyli silva rerum na temat fizyki cz astek elementarnych

Wszechświat czastek elementarnych Detekcja czastek

WYKŁAD 3. Maria Krawczyk, Wydział Fizyki UW. Masy i czasy życia cząstek elementarnych. Kwarki: zapach i kolor. Prawa zachowania i liczby kwantowe:

Tomasz Szumlak WFiIS AGH 03/03/2017, Kraków

Neutrina cząstki XXI wieku?

V.6.6 Pęd i energia przy prędkościach bliskich c. Zastosowania

Symetrie w fizyce cząstek elementarnych

NEUTRONOWA ANALIZA AKTYWACYJNA ANALITYKA W KONTROLI JAKOŚCI PODSTAWOWE INFORMACJE O REAKCJACH JĄDROWYCH - NEUTRONOWA ANALIZA AKTYWACYJNA

Podstawowe własności jąder atomowych

czastki elementarne Czastki elementarne

FIZYKA CZĄSTEK. od starożytnych do modelu standardowego i dalej. Krzysztof Fiałkowski, IFUJ

2008/2009. Seweryn Kowalski IVp IF pok.424

Nowa fizyka a oscylacja neutrin. Pałac Młodzieży Katowice 29 listopad 2006

Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników WYKŁAD 3

Maria Krawczyk, Wydział Fizyki UW. Oddziaływania słabe 4.IV.2012

Podstawy astrofizyki i astronomii

26.IV.2010 Maria Krawczyk, Wydział Fizyki UW. Mieszanie kwarków i nie tylko Neutrina mieszanie i oscylacje

Detektory cząstek. Procesy użyteczne do rejestracji cząstek Techniki detekcyjne Detektory Przykłady użycia różnych technik detekcyjnych.

Detektory. Kalorymetry : Liczniki Czerenkowa Układy detektorów Przykłady wielkich współczesnych detektorów Wybrane eksperymenty ostatnich lat

Oddziaływanie cząstek z materią

Reakcje jądrowe. kanał wyjściowy

I.4 Promieniowanie rentgenowskie. Efekt Comptona. Otrzymywanie promieniowania X Pochłanianie X przez materię Efekt Comptona

Detektory cząstek. Procesy użyteczne do rejestracji cząstek Techniki detekcyjne Detektory Eksperymenty. D. Kiełczewska, wykład 3

Transkrypt:

Podstawy fizyki cząstek III Eksperymenty nieakceleratorowe Krzysztof Fiałkowski

Zakres fizyki cząstek a eksperymenty nieakceleratorowe Z relacji nieoznaczoności przestrzenna zdolność rozdzielcza r 0.5fm wymaga E>ħ/ r 0.4 GeV. Wyjątek: o. słabe, krótki zasięg 1 am, zatem neutrina nawet z reaktorów i Słońca (MeV) oddziałują z pojedynczymi nukleonami, a nawet kwarkami. Inne nieakceleratorowe: promieniowanie kosmiczne. Szeroki zakres energii, różne cząstki!

Przypomnienie o neutrinach: eksperyment Reinesa i Cowana Reaktor: ~5 10 13 ν/s/cm 2, rzędy wielkości > niż źródła. Tarcza wodna: 200 l, 2 zbiorniki, 3 warstwy scyntylatorów, e + e - γγ γ błysk ze scyntylatora, 110 fotopowielaczy Dodatkowa informacja z 40 kg CdCl 2 w wodzie:. Fotony z Cd opóźnione o 5 µs. Wstępny eksperyment: Hanford, za słaby sygnał. Savannah River (Pd. Karolina), detektor 11 m od reaktora, 12 m pod ziemią, osłona przed prom. kosm. Wyniki: 3ν/h, sygnał znika po wyłączeniu reaktora. Oczekiwane σ 6 10-44 cm 2, zmierzone 6.3 10-44 cm 2. Clyde Cowan 1974; Frederick Reines Nobel 1995, 1998.

Neutrina słoneczne Reakcje fuzji w Słońcu: 2ν na cykl 4p α. Oczekiwany strumień na Ziemi 6 10 14 /m 2 /s

Eksperyment Davisa (Kopalnia Homestake w Pd. Dakocie, 380 t C 2 Cl 4 ) ν 37 Cl e 37 Ar Próg 814 kev

Dalsze eksperymenty z neutrinami słonecznymi GALLEX, SAGE: też radiochemiczne, ale ν+ 71 Ga e+ 71 Ge: niższy próg energii (233 kev), główna część widma ze Słońca. Potwierdzenie głównego wyniku: deficyt, rejestracja 30 50% oczekiwanych ν! Nowe eksperymenty w czasie rzeczywistym: Superamiokande: 50 kt wody, walec otoczony fotopowielaczami, Czerenkow: e z νn ep. Użyty także do ν atmosferycznych na potem SNO wyjaśnienie zagadki. Przyszłość: BOREXINO czas rzeczywisty, próg jak SAGE.

Eksperyment Superkamiokande

Superkamiokande

Promieniowanie kosmiczne Odkrycie: Hess 1912 wzrost jonizacji (rozładowanie elektroskopu) z wysokością Skład na poziomie morza: γ, e -, potem e +, µ, π, K, Λ, Σ... (odkrywane w p.k.) To cząstki produkowane w oddziaływaniach z atmosferą pierwotnego promieniowania kosmicznego i produkty rozpadów tych cząstek Skład p.p.k.: 95% p, 4.5% α, 0.5% cięższe jądra Widmo energii E -2.7 do 10 15 ev, E -3 do 10 20 ev Obcięcie GZK energii p.p.k. na potem

Strumień pierwotnego promieniowania kosmicznego

Techniki detekcji promieniowania kosmicznego Detekcja zwykle albo cząstek jonizujących na Ziemi (w górach?), albo światła Czerenkowa lub fluorescencji N 2 z kaskady w atmosferze. Pierwszy uniwersalny : Auger w Argentynie 1600 detektorów w siatce o powierzchni około 3000 km 2, (10 wielkich miast) ułożonych regularnie w odstępach 1.5 km, każdy ze zbiornikiem 12 ton wody obudowanym fotopowielaczami (Czerenkow), radiotransmisja. 4 teleskopy fluorescencji powietrza z kaskady.

Mapa eksperymentu Auger - Sud

Schemat przypadków Auger

Nowe wyniki eksperymentu Auger Potwierdzenie obcięcia energii wynikającego z progu na produkcję π w zderzeniach z fotonami promieniowania reliktowego (Greisen Zacepin Kuzmin): (E + E γ ) 2 (p-p γ ) 2 c 2 (m p +m π ) 2 c 4 E 10 21 ev Korelacja cząstek o E>50 EeV z AGN Zmiana profilu kaskady dla E>50 EeV ; dominacja ciężkich jonów?? Plany: Auger Nord w Teksasie

Neutrina atmosferyczne Główne produkty zderzeń protonów p.p.k. z jądrami tlenu i azotu atmosfery: mezony π. Główne rozpady π +/- µ +/- ν µ ; µ eν µ ν e Zatem dla energii π poniżej kilku GeV strumień neutrin/antyneutrin mionowych dwukrotnie większy niż elektronowych. Przy wyższych energiach część mionów nie rozpada się, stosunek strumieni wyższy. Nazwa neutrina atmosferyczne.

Odkrycie oscylacji neutrin w Superkamiokande Elektrony i miony produkowane przez neutrina w zbiorniku Superkamiokande dają pierścienie Czerenkowa łatwo rozróżnialne (ostre dla mionów, rozmyte dla elektronów) Łatwe wyznaczenie stosunku R strumieni ν µ /ν e. Atmosfera nad- i pod zbiornikiem symetryczna; stosunek strumieni nie! Deficyt mionów z dołu. Tłumaczenie: neutrina mionowe na drodze przez Ziemię zmieniają się w taonowe (niewidzialne w Superkamiokande, bo taony rozpadają się).

Oscylacje neutrin - ogólnie Jeśli masa neutrin różna od zera, stany o określonej masie ν i to na ogół nie stany o określonym zapachu (np. ν µ/e z π µ/e +ν µ/e ). Macierz mieszania PMNS (Pontecorvo-Maki-Nakagawa- Sakata): ν i = Σ U PMNS iαν α. Propagacja stanów zależna od masy; dla E»mc 2 E i m i c 2 +p 2 /(2m i c 2 ); czynnik exp(iet/c) daje oscylacje różnych wkładów, a więc zapach oscyluje: np. P(ν µ ν τ ) = ΣU µi *U τi exp(-im i2 L/2E) 2 Pierwotnie proponowane do wyjaśnienia deficytu neutrin słonecznych; bezpośrednia ewidencja atmosferyczne.

Oscylacje neutrin: zastosowania, wyniki W ogólnym wzorze naprawdę istotne tylko różnice kwadratów mas. Dla 3 stanów 2 różnice, jeśli jedna znacznie mniejsza, to dla niezbyt dużych L tylko druga ważna. Tak jest dla neutrin atmosferycznych: P(ν µ ν τ ) sin 2 2θ sin 2 (1.27 m 2 L/E), gdzie m w ev, L w km, E w GeV. Θ π/4; m 232 10-3 ev 2, więc P wyraźnie różne od 0 dla E rzędu GeV, L rzędu R Z. Potwierdzone eksperymentami akceleratorowymi!

Akceleratorowy eksperyment neutrinowy CNGS (CERN Gran Sasso)

Potwierdzenie oscylacji neutrin w danych słonecznych Eksperyment Superkamiokande + SNO: Pomiar liczby e w SK mierzy głównie strumień ν e i potwierdza deficyt w porównaniu z modelami Słońca, jak Homestake, GALLEX, SAGE. SNO: 1 kt ciężkiej wody; wszystkie ν aktywne w rozszczepianiu d rejestrowanym przez emisję γ przy wychwycie n. Porównując częstość zdarzeń w ciężkiej i zwykłej wodzie można rozróżnić e z ν e +n e+p oraz ν+e ν+e (gdzie też wszystkie ν aktywne) i sprawdzić, że strumień wszystkich ν jest zgodny z modelami Słońca. Deficyt tylko ν e!

Detektor SNO

Podsumowanie Mimo wspaniałego rozwoju technik akceleratorowych, konstrukcji wiązek wtórnych, budowy pierścieni zderzających e + e -, pp, ep, p p, perspektyw zderzaczy mionów Eksperymenty nieakceleratorowe, które przyniosły już wiele cennych odkryć, pozostają równie ważne, a niekiedy niezastąpione! Reaktorowe strumienie neutrin porównywalne z akceleratorowymi, lub intensywniejsze! Energia protonów kosmicznych rzędu setek EeV oznacza E CM rzędu PeV, wciąż nieosiągalne w akceleratorach!