Neutrina i ich oscylacje Neutrina we Wszechświecie Oscylacje neutrin Masy neutrin
Neutrina wokół nas n n n γ ν ν 410 cm 340 cm 10 10 nbaryon 3 3 Pozostałe z wielkiego wybuchu: Słoneczne Już obserwowano Już obserwowano! Z supernowej w centrum Gal. Z wnętrza Ziemi Atmosferyczne Z aktywnych jąder galaktyk
Reakcje fuzji termojądrowej w Słońcu p+p > ν e +e + +d 0.42MeV max p+ e - + p > ν e +d 1.44 MeV 3 He+ 4 He > 7 Be+γ d+p > γ+ 3 He 3 He+ 3 He > 4 He+p+p ppi (85%) Tylko ν e 7 Be+ e - > ν e + 7 Li.86 MeV 7 Li+p > 4 He+ 4 He 7 Be+p > 8 B+γ 8 B > e - +ν e + 8 Be 15 MeV max 8 Be > 4 He+ 4 He rzadkie ale łatwiejsza detekcja ppii (15%) ppiii (0.01%)
gdzie L sun to świetlność Słońca (mierzona na podstawie energii światła słonecznego padającego na Ziemię) 1AU to odległość ze Słońca do Ziemi Jak świeci Słońce? Słońce świeci dzięki energii z reakcji termojądrowych w rdzeniu gwiazdy. Φ ν = 2L sun 1 25MeV 4π (1AU) 2 = 7 1010 sec 1 cm 2
Supernowa typu II - zapaść grawitacyjna Główne reakcje jądrowe: Kolejne Temperatura zapłonu procesy fuzji (w milionach stopni K) jądrowych 4 1 H --> 4 He 10 3 4 He --> 8 Be + 4 He --> 12 C 100 12 C + 4 He --> 16 O 2 12 C --> 4 He + 20 Ne 600 20 Ne + 4 He --> n + 23 Mg 2 16 O --> 4 He + 28 Si 1500 2 16 O --> 2 4 He + 24 Mg 4000 2 28 Si --> 56 Fe 6000
56 Fe ma maksymalną energię wiązania Neutrina z Supernowych koniec reakcji fuzji oraz koniec produkcji ciepła Gdy rdzeń osiąga masę = 1.4 masy Słońca wtedy zwycięża grawitacja i rdzeń się zapada Elektrony atomów żelaza są absorbowane przez protony: e + p ν + n krótki impuls neutrin (ok. 1 msec) e gwiazda neutronowa Z energii termicznej powstają kwanty γ, które anihilują w pary e + e - e e Z + 0 + νe+ e e Z + 0 + ν ν µ + µ e e Z + 0 + ντ + ν ν e τ neutrina termiczne
Neutrina z Supernowych Neutrina unoszą 99% całkowitej energii z wybuchu SN Puls termiczny trwa kilka sekund W ciągu tych kilku sekund energia neutrin przekracza całą widzialną energię Wszechświata Neutrina są jedynym źródłem informacji o tym, co się działo w rdzeniu zapadającej się gwiazdy, z którego tworzy się gwiazda neutronowa Neutrina docierają wcześniej niż światło Neutrina są w stanie dotrzeć z SN niewidocznych w świetle widzialnym
Zdjęcia z teleskopu Hubbla Pojawiła się w Wielkim Obłoku Magellana 23 lutego 1987. Odległość: 170000 ly Pierwsza tak bliska SN zauważona od 1604r. Pierwsza obserwacja neutrin spoza układu słonecznego. SN 1987A
Neutrina z SN1987A Szczęśliwie działały wtedy 4 wielkie detektory podziemne zdolne wykryć po kilka(naście) neutrin każdy! Kamiokande (Nobel 2002) Japonia 11 przypadków IMB USA 8 przypadków Baksan Rosja 5 przypadków LSD Francja??? Obserwacje te potwierdziły, że procesy poznane w laboratoriach oraz wymyślone na ich podstawie modele tego, co dzieje się w odległości 170000ly, w zupełnie innych warunkach niż znane na Ziemi są słuszne!
Neutrina z Supernowej 1987A Hubble, 2003 Czekamy na SN w Galaktyce: tysiące przypadków w SK
Oscylacje neutrin W 1998 roku odkryto oscylacje neutrin, z których wynika, że neutrina mają masę
Neutrina w Modelu Standardowym Ładunek elektryczny + 2 3 1 3 0 1 kwarki u c t d s b e e leptony ν ν ν µ τ µ τ W MS: neutrina to cząstki o masie=0 zachowane są liczby leptonowe oddzielnie w każdej rodzinie zapachowej czyli rodziny leptonowe są odseparowane. Ale po co istnieją aż 3 rodziny?
ν = cosϑν + sin ϑν e µ Hipoteza oscylacji neutrin 1 2 ν = sinϑ ν + cos ϑ ν 1 2 m Stany o masach: 2 2 2 1, m2 : m = m1 m2 Z powodu różnych mas stany ν1 i ν2 podróżują z różnymi prędkościami i dlatego: ν ν 1 2 zmienia się w czasie propagacji i stąd: ν µ ν e (Uwaga: sprzeczne z MS!) z prawdopodobieństwem: P 1.27 = E ( ) 2 2 νµ νe sin 2θ sn i 2 ml L odl. do detektora E energia neutrina
Oscylacje neutrin Hipoteza oscylacji znana od wielu lat ale dopiero w ostatniej dekadzie potwierdzona eksperymentalnie Na skutek oscylacji neutrino, które powstało jako mionowe, po przebyciu pewnej odległości może oddziaływać np. jak elektronowe.
Neutrina oddziałują tylko słabo Średnia droga na oddziaływanie neutrina o energii 10 MeV przechodzącego przez Ziemię: 13 λ 2.5 10 km Czyli jedno neutrino oddziałuje średnio po przebyciu około miliarda średnic Ziemi Ale jeżeli mamy np. strumień neutrin: 6 2 10 ν / sec/ cm to przez detektor o rozmiarach ok. 40m *40m *40m przechodzi ok. 10 18 neutrin dziennie i z tego 40 18 3 10 10 16 2.5 10 neutrin mogłoby oddziałać Takie rozmiary ma detektor Super-Kamiokande
Detektory Czerenkowa Gdy cząstka porusza się z prędkością β c > v (gdzie v to prędkość światła w wodzie) emitowane są fotony światła pod kątem: cosϑ = 1 nβ gdzie n to współczynnik załamania światła; w wodzie n=1.33
Detektor Super- Kamiokande W tym detektorze odkryto w 1998 r oscylacje neutrin (z udziałem UW) Zbiornik z wodą (50 kton), 40 m wysokości 1km pod ziemią, w Japonii
Przebudowa Super-Kamiokande z udziałem studentów z PL Zima i wiosna 2005-06 uzupełnianie liczby fotopowielaczy Detektor już zbiera dane.
Neutrina atmosferyczne Z supernowych przybywają promienie kosmiczne Na wysokości ok. 40 km produkują mezony π, K Mezony rozpadają się na miony i neutrina Miony też się rozpadaja na neutrina i elektrony Jeśli chcemy obserwować neutrina (jako jedyne cząstki oddziałujące tylko słabo) musimy uciekać głęboko pod Ziemię
Atmosph
Rozkłady kątowe ν e i ν µ M.C. simulations rozkłady oczekiwane (without oscillations) bez oscylacji ν ν µ e (wynik z 1998r) czyli ν e pokonują drogę przez Ziemię tak, jak oczekiwano natomiast ν µ gubią się tym bardziej im dłuższa droga
ν µ zanikają po przebyciu dużych Dlaczego? odległości Zapach neutrin identyfikujemy tylko poprzez wyprodukowane, naładowane leptony: ν ν µ τ + N µ + X + N τ + X Masy leptonów: µ 106 MeV τ 1777 ΜeV Niskoenergetyczne neutrina atmosferyczne nie mogą wyprodukować leptonu τ Stąd naturalna interpretacja: Obserwujemy tylko zanikanie ν µ ν ν µ τ
Ostatnie pomiary zanikania w eksperymencie MINOS ν µ Wiązka neutrin z akceleratora w Fermilab 2 detektory: bliski ND i daleki FD Płyty z żelaza oraz scyntylatorów ND 980tony @1km, FD 5400tony @730km Daleki detector Bliski detektor Daleki detektor
Oscylacje neutrin - MINOS rozkład oczekiwany bez oscylacji rozkład oczekiwany z oscylacjami Wynik zgodny z pomiarami neutrin atmosf.: ν ν µ τ
Zagadka neutrin słonecznych Od lat 60-tych badano neutrina słoneczne w różnych eksperymentach i obserwowano ich deficyt. Zagadkę rozwiązano w 2002 r tłumacząc deficyt oscylacjami.
Neutrina przybywają ze Słońca
Neutrinografia Słońca z kopalni Kamioka faktyczny rozmiar Słońca pół pixela Koncentracja przypadków z kierunku Słońca dowodem na ich pochodzenie. Ale w SK obserwowano mniej niż połowę oczekiwanych przypadków Deficyt w innych eksperymentach bywał inny bo mierzono neutrina innych energii. Na ćwiczeniach pokazywaliśmy, że elektron porusza się w kierunku padającego neutrina.
Wyniki pomiarów neutrin słonecznych Tylko tu mierzone są wszystkie zapachy neutrin Neutrina słoneczne oscylują: νe aν + bν µ τ Eksperymenty, które obserwowały deficyt nie były czułe na ν i ν µ τ
Podsumujmy: Rozwiązanie zagadki neutrin atmosferycznych: ν ν µ τ Rozwiązanie zagadki neutrin słonecznych: ν e ν µ / τ Czyli w czasie długich podróży neutrina zmieniają zapach albo oscylują. Ale zmiana zapachu neutrin w Modelu Standardowym jest zakazana! Żeby zrozumieć oscylacje trzeba przyjąć, że neutrina mają masy, co wymaga rozszerzenia MS.
Nagrody Nobla za badanie neutrin: 1995 F. Reines, C. Cowan za odkrycie neutrin 2002 R. Davis, M. Koshiba za obserwacje neutrin słonecznych oraz z SN1987A????? za odkrycie oscylacji i mas neutrin???? log m 2 Masy neutrin Z badań oscylacji wyznaczamy tylko: m = m m, m = m m 2 2 2 2 2 2 12 1 2 23 2 3 Z bezpośrednich pomiarów masy: 3 i= 1 m i Zmierzyliśmy, że co najmniej jedna masa: < 6.6eV m3 > 0.04eV A ponieważ we Wszechświecie jest: n ν 340 cm 3 Stąd można ocenić, że w całkowitym bilansie energii Wszechświata neutrina stanowią od 0.2% do 26%.