Metamorfozy neutrin Katarzyna Grzelak Zakład Czastek i Oddziaływań Fundamentalnych IFD UW Sympozjum IFD 2008 6.12.2008 K.Grzelak (UW ZCiOF) 1 / 23
PLAN Wprowadzenie Oscylacje neutrin Eksperyment MINOS Wyniki K.Grzelak (UW ZCiOF) 2 / 23
Neutrina - Wprowadzenie Neutrino - czastka zaproponowana w 1930 r jako sposób na utrzymanie zasady zachowania energii w promieniotwórczych rozpadach β Co dzisiaj wiemy o neutrinach? maja zerowy ładunek elektryczny Wolfgang Pauli oddziaływuja bardzo słabo (średnia droga na oddziaływanie neutrina o energii 10 MeV przechodzacego przez Ziemię: λ 2.5 10 13 km) znamy trzy rodzaje (zapachy) neutrin: ν e, ν µ i ν τ : (ν e, e), (ν µ, µ),(ν τ, τ) K.Grzelak (UW ZCiOF) 3 / 23
Neutrina - Wprowadzenie Co dzisiaj wiemy o neutrinach? neutrina moga zmieniać zapach w czasie propagacji w przestrzeni (oscylacje neutrin) oscylacje neutrin neutrina maja masę masy bardzo małe: m ν < 4 10 4 m e masowe neutrina : okno na nowa fizykę wkład do masy Wszechświata poszukiwanie przyczyn asymetrii materii i antymaterii K.Grzelak (UW ZCiOF) 4 / 23
Neutrina jako źródło informacji o Wszechświecie Źródła neutrin: Wielki Wybuch (przewidywane) Wnętrze Ziemi (głownie rozpad U i Th) Słońce Wybuchy Supernowych Atmosfera Aktywne jadra galaktyk... K.Grzelak (UW ZCiOF) 5 / 23
OSCYLACJE NEUTRIN K.Grzelak (UW ZCiOF) 6 / 23
OSCYLACJE NEUTRIN Neutrina o określonym zapachu sa kombinacja stanów o określonej masie. Przykład dla dwóch rodzajów neutrin, ν e i ν µ: Stany o różnych masach poruszaja się z różna prędkościa jeśli wyprodukowane zostało ν µ to po pewnym czasie możemy zarejestrować ν e lub ν µ K.Grzelak (UW ZCiOF) 7 / 23
MACIERZ MIESZANIA DLA NEUTRIN Trzy zapachy neutrin jako kombinacja trzech stanów własnych masy. ν e U e1 U e2 U e3 ν 1 ν µ = U µ1 U µ2 U µ3 ν 2 ν τ U τ1 U τ2 U τ3 ν 3 ( νe ν µ = ν τ 1 0 0 c 13 0 s 13 e iδ c 12 s 12 0 0 c 23 s 23 0 1 0 s 12 c 12 0 0 s 23 c 23 s 13 e iδ 0 c 13 0 0 1 }{{}}{{}}{{} neutrina poszukiwane deficyt atmosferyczne neutrin słonecznych s ij = sin θ ij c ij = cos θ ij δ faza łamania CP ) K.Grzelak (UW ZCiOF) 8 / 23 ν 1 ν 2 ν 3
PRAWDOPODOBIEŃSTWO PRZEMIANY ν α ν β P να ν β (L) = k U αk 2 U βk 2 +2Re k>j U αk U βku αj U βj exp[ i m2 kj 2E ν L] m 2 kj m 2 k m2 j Parametry modelu: 3 katy mieszania θ 23, θ 13 i θ 12, 1 faza δ i dla trzech rodzajów neutrin 2 niezależne różnice mas m 2. K.Grzelak (UW ZCiOF) 9 / 23
PRAWDOPODOBIEŃSTWO OSCYLACJI W EKSPERYMENTACH AKCELERATOROWYCH obserwacje znikania neutrin mionowych P(ν µ ν µ ) 1 sin 2 2θ 23 sin 2 1.27 m2 atm L E ν ν µ ) P(ν µ 1 0.8 sin 2 θ Jednostki: m 2 [ev 2 ] E ν [GeV ] L[km] 0.6 0.4 0.2 2 m 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 Eν [GeV] Rysunek dla L=735km Maksimum oscylacji dla 1.27 m 2 atm L E ν = π 2 K.Grzelak (UW ZCiOF) 10 / 23
EKSPERYMENT MINOS K.Grzelak (UW ZCiOF) 11 / 23
MINOS - WPROWADZENIE MINOS: eksperyment zbudowany w celu potwierdzenia hipotezy oscylacji neutrin i precyzyjnego zmierzenia parametrów modelu oscylacji Kontrolowana wiazka neutrin z akceleratora 27 instytucji, 147 fizyków K.Grzelak (UW ZCiOF) 12 / 23
WIAZKA NEUTRIN Wiazka pierwotna (protony): wysyłana w pulsach (3 10 13 protonów/puls co 2.2s) Wiazka wtórna (neutrina): skład wiazki (LE): 92.9 % ν µ, 5.8 % ν µ,1.3 % (ν e + ν e ) ν µ głównie z rozpadów π + µ + ν µ K.Grzelak (UW ZCiOF) 13 / 23
MINOS - WPROWADZENIE Bliski Detektor MINOS Daleki Detektor Fermilab, Illinois Soudan, Minnesota 10km 700m 735km MINOS: drugi w historii eksperyment akceleratorowy z długa baza Bliski Detektor (ND) (1kt) w ośrodku Fermilab pod Chicago, Daleki Detektor (FD) (5.4 kt) znajduje się 735km dalej w kopalni Soudan, w Minnesocie Czas przelotu neutrina z Fermilab u do Soudan: 2.5ms K.Grzelak (UW ZCiOF) 14 / 23
POŁOŻENIE DETEKTORÓW Bliski Detektor (ND) widmo energii niezakłócone przez oscylacje ν µ ) P(ν µ 1 0.8 0.6 Daleki Detektor (FD) poszukiwanie oscylacji 0.4 0.2-1 10 1 10 2 10 3 10 L[km] Daleki detektor Bliski detektor Rysunek dla E=3GeV K.Grzelak (UW ZCiOF) 15 / 23
DALEKI DETEKTOR: KOPALNIA SOUDAN K.Grzelak (UW ZCiOF) 16 / 23
MINOS: BLISKI I DALEKI DETEKTOR Budowa detektorów: naprzemiennie: stalowe płyty (2.54 cm) i paski scyntylatora (1cm) paski w co drugiej płaszczyźnie sa do siebie prostopadłe Bliski Detektor: 1kt, 282 płaszczyzny, 3.8m 4.8m 15m 100m pod powierzchnia ziemi Daleki Detektor: 5.4kt, 484 płaszczyzny, 8m 8m 30m 710m pod powierzchnia ziemi B 1.3 T w obu detektorach K.Grzelak (UW ZCiOF) 17 / 23
OSCYLACJE NEUTRIN AKCELERATOROWYCH w MINOS ie K.Grzelak (UW ZCiOF) 18 / 23
PRZYKŁAD ANALIZY ZNIKANIA ν µ Symulacja Monte Carlo K.Grzelak (UW ZCiOF) 19 / 23
SELEKCJA ODDZIAŁYWAŃ NEUTRIN ν µ w MINOS ie ν µ N µx Sygnatura oddziaływania ν µ jest obecność długiego toru mionu E ν = E shower + E µ Kierunek wiazki neutrin K.Grzelak (UW ZCiOF) 20 / 23
Widmo energii w FD i krzywa oscylacyjna Oczekiwane 1065 ± 60 przypadków bez oscylacji Zaobserwowano 848 przypadków Pierwsze oddziaływanie neutrina z wiazki w dalekim detektorze: 7 marzec 2005 K.Grzelak (UW ZCiOF) 21 / 23
Wyniki na płaszczyźnie parametrów oscylacji Obecnie najbardziej precyzyjne pomiary m23 2 na świecie. m23 2 = 2.43 ± 0.13 10 3 ev 2 sin 2 2θ 23 zgodny z jednościa możliwe maksymalne mieszanie pomiędzy stanami ν 2 i ν 3 K.Grzelak (UW ZCiOF) 22 / 23
Podsumowanie Eksperyment MINOS to jeden z nielicznych obecnie eksperymentów neutrinowych dostarczajacych nowych, ciekawych danych Najbardziej precyzyjne pomiary parametru oscylacji m 2 23 Ten wynik będzie wkrótce jeszcze poprawiony! Poszukiwania θ 13 Goraca tematyka - planowane kilka nowych eksperymentów. Następny etap: eksperyment T2K w Japonii z udziałem IFD UW i IPJ! Badania z mikroświata wiedza o makroświecie K.Grzelak (UW ZCiOF) 23 / 23