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

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

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

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

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

Neutrina (2) Elementy fizyki czastek elementarnych. Wykład IX

Zderzenia relatywistyczne

Zderzenia relatywistyczne

Neutrina. Fizyka I (B+C) Wykład XXIV:

Wszechświat czastek elementarnych

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

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

Neutrina (2) Elementy fizyki czastek elementarnych. Wykład VIII

Naturalne źródła neutrin, czyli neutrina sa

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

Wszechświat czastek elementarnych Detekcja czastek

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

Wszechświat czastek elementarnych Detekcja czastek

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

cząstki, które trudno złapać Justyna Łagoda

Jak się tego dowiedzieliśmy? Przykład: neutrino

Maria Krawczyk, Wydział Fizyki UW. Neutrina i ich mieszanie

Tajemnicze neutrina Agnieszka Zalewska

Wszechświat czastek elementarnych Detekcja czastek

Wszechświat czastek elementarnych Detekcja czastek

Podstawy fizyki cząstek III. Eksperymenty nieakceleratorowe Krzysztof Fiałkowski

Oddziaływania podstawowe

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

Elementy fizyki czastek elementarnych

Wszechświat Cząstek Elementarnych dla Humanistów Detekcja cząstek

Elementy Fizyki Jądrowej. Wykład 5 cząstki elementarne i oddzialywania

Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników WYKŁAD 2

Maria Krawczyk, Wydział Fizyki UW

Oddziaływanie promieniowania jonizującego z materią

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

Słońce obserwowane z kopalni Kamioka, Toyama w Japonii

Promieniowanie jonizujące

Na tropach czastki Higgsa

Fizyka cząstek elementarnych i oddziaływań podstawowych

wyniki eksperymentu OPERA Ewa Rondio Narodowe Centrum Badań Jądrowych

Masywne neutrina w teorii i praktyce

Zderzenia relatywistyczne

Promieniowanie jonizujące

Podstawowe własności jąder atomowych

Skad się bierze masa Festiwal Nauki, Wydział Fizyki U.W. 25 września 2005 A.F.Żarnecki p.1/39

Jak działają detektory. Julia Hoffman

Wszechświata. Piotr Traczyk. IPJ Warszawa

Neutrina najbardziej tajemnicze cząstki we Wszechświecie

Tomasz Szumlak WFiIS AGH 03/03/2017, Kraków

czastki elementarne Czastki elementarne

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

Zagadki neutrinowe. Deficyt neutrin atmosferycznych w eksperymencie Super-Kamiokande

Zagadki neutrinowe. Deficyt neutrin atmosferycznych w eksperymencie Super-Kamiokande

Reakcje jądrowe. X 1 + X 2 Y 1 + Y b 1 + b 2

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

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

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

Symetrie. D. Kiełczewska, wykład 5 1

Bozon Higgsa prawda czy kolejny fakt prasowy?

Analiza oscylacji oraz weryfikacje eksperymentalne

Widmo elektronów z rozpadu beta

WSTĘP DO FIZYKI CZĄSTEK. Julia Hoffman (NCU)

WYKŁAD 8. Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników

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

Podstawy fizyki wykład 5

Theory Polish (Poland)

Oddziaływanie cząstek z materią

Oscylacyjne eksperymenty neutrinowe najnowsze wyniki oraz perspektywy

Symetrie. D. Kiełczewska, wykład 5 1

1. Wcześniejsze eksperymenty 2. Podstawowe pojęcia 3. Przypomnienie budowy detektora ATLAS 4. Rozpady bozonów W i Z 5. Tło 6. Detekcja sygnału 7.

FIZYKA III MEL Fizyka jądrowa i cząstek elementarnych

Energetyka konwencjonalna odnawialna i jądrowa

Promieniowanie jonizujące

Pomiar energii wiązania deuteronu. Celem ćwiczenia jest wyznaczenie energii wiązania deuteronu

Fizyka cząstek elementarnych. Tadeusz Lesiak

Szczególna teoria względności

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

Symetrie. D. Kiełczewska, wykład9

Badanie wysokoenergetycznych mionów kosmicznych w detektorze ICARUS.

Reakcje jądrowe. kanał wyjściowy

Bozon Higgsa oraz SUSY

2008/2009. Seweryn Kowalski IVp IF pok.424

Neutrino cząstka, która nie miała być nigdy odkryta

Zderzenia relatywistyczna

Elementy Fizyki Jądrowej. Wykład 3 Promieniotwórczość naturalna

Elementy fizyki czastek elementarnych

Elementy fizyki czastek elementarnych

Pomiary prędkości neutrin

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

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

Wszechświat czastek elementarnych

Identyfikacja cząstek

Struktura protonu. Elementy fizyki czastek elementarnych. Wykład III

r. akad. 2012/2013 Wykład IX-X Podstawy Procesów i Konstrukcji Inżynierskich Fizyka jądrowa Zakład Biofizyki 1

Fizyka 3. Konsultacje: p. 329, Mechatronika

Atomowa budowa materii

Już wiemy. Wykład IV J. Gluza

Konferencja NEUTRINO 2012

Dynamika relatywistyczna

Perspektywy fizyki czastek elementarnych

Kinematyka relatywistyczna

Transkrypt:

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

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 Ograniczenia na masy (95% CL): z bezpośredniego pomiaru ma zaniedbywalna masę ')( + Do niedawna zakładaliśmy, że neutrino ma zerowa masę... Na masy neutrin istnieja też liczne ograniczenia astrofizyczne i kosomologiczne A.F.Żarnecki Wykład VII

* 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 2

Neutrina Doświadczenia Reinesa i Cowana (953-959) 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 3

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 otrzymujemy szerokopasmowa wiazkę neutrin (Wide Band Beam, WBB). Wytwarzanie intensywnych wiazek neutrin i antyneutrin z rozpadów wiazek przełom w badaniach oddziaływań słabych ( 963) i Jesli 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 4

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 5

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 6

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 7

* + * + 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 8

Neutrina atmosferyczne Promieniowanie kosmiczne Strumień czastek promieniowania pierwotnego maleje dla dużych energii jak : primary proton flux (m 2 sec sr GV) - 000 00 0 0-0 -2 (a) γ = 2.78 ± 0.009 (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 - 0 0 2 Rigidity (GV) 2.5 Flux * E K 7 6 5 4 3 2 0 AMS-0 BESS98 CAPRICE94 IMAX92 MASS9 LEAP87 (b) Honda et al. Lipari Protons 0 0 2 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 9

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 0

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

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 2

Super-Kamiokande A.F.Żarnecki Wykład VII 3

Napełnianie A.F.Żarnecki Wykład VII 4

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 5

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 6

! Super-Kamiokande Wyniki Zależność liczby obserwowanych przypadków elektronowych i mionowych od kierunku (przypadki typu FC) 2003 Zgodnie z oczekiwaniami tyle samo neutrin elektronowych leci do dołu ( +) i do góry ( +). Neutrin mionowych mniej niż oczekujemy (czerwona linia)! Wyraźnie mniej niż z góry! lecacych od dołu zielona linia - dopasowanie modelu oscylacji A.F.Żarnecki Wykład VII 7

+# 3 +# + Wyniki Efekt widoczny we wszystkich rozważanych próbkach. Super-Kamiokande Stosunek liczby przypadków mionowych do elektronowych: 3 ( 2003 Czy neutrina mionowe moga znikać przechodzac przez Ziemię? A.F.Żarnecki Wykład VII 8

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 + 624 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-2 0.68 0.05 0.05 0.06 0. 0.07 0.06 Jak można to wytłumaczyć?!... A.F.Żarnecki Wykład VII 9

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 20

+ 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 2

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 22

Super-Kamiokande Prawdopodobieństwo przejścia W funkcji odległości: W funkcji energii neutrina (odległość średnica Ziemi): P ν ν % +# 3 P ν ν 0.75 0.75 0.5 0.5 0.25 sin 2 2Θ 2 = m 2 = 0.0025 ev 2 0.25 sin 2 2Θ 2 = m 2 = 0.0025 ev 2 L = 0 000 km 0 0 0 2 0 3 0 4 L/E [km/gev] 0 0 0 2 0 3 E [GeV] Zależność rozmywa się jesli neutrina maja różne energie! Dla bardzo dużych ( ) otrzymujemy: A.F.Żarnecki Wykład VII 23

+# + + " $ " #* + + Super-Kamiokande Wyniki Przedstawione wyniki Super-Kamiokande (i innych pomiarów neutrin atmosferycznych) można wytłumaczyć przyjmujac, że znikaja na skutek oscylacji w inny rodzaj neutrina. Oscylacje w (strumień zgodny z modelem) wykluczamy najlepszym kandydatem neutrino taonowe Dopasowanie parametrów mieszania do wszystkich danych: Zgodne wyniki dla różnych próbek A.F.Żarnecki Wykład VII 24

' ' + Wyniki Super-Kamiokande Ostateczne potwierdzenie hipotezy oscylacji neutrin wymaga jednak obserwacji nie tylko znikania ale i powtórnego pojawiania się neutrin mionowych. Nowa analiza Super-Kamiokande: rozkład przypadków w funkcji L/E Trudny pomiar ze względu na duże błedy: + Spadek liczby przypadków mionowych w stosunku do przewidywań (czarna linia) tylko dla dużych L/E A.F.Żarnecki Wykład VII 25

' 3 + Super-Kamiokande Wyniki W rozkładzie widoczne jest minimum przy + regeneracja neutrin dla większych Wyniki zgodne z hipoteza oscylacji (niebieska linia) Wykluczaja inne proponowane modele na poziomie (np. rozpad neutrin - zielona linia) A.F.Żarnecki Wykład VII 26

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 27

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 28

Detekcja neutrin: Super-Kamiokande A.F.Żarnecki Wykład VII 29

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 30

* + # 3,,. " K2K Wyniki Wyniki pomiarów przeprowadzonych w okresie od czerwca 999 do kwietnia 2003: +# + + " 0 $ " #* + + Rozkład energii (po normalizacji) Dopasowanie parametrów mieszania: Bez oscylacji Z oscylacjami W bardzo dobrej zgodności z wynikami SK. Prawdopodobieństwo braku oscylacji: * + A.F.Żarnecki Wykład VII 3