Wszechświat cząstek elementarnych dla przyrodników WYKŁAD 12 21.12.2010 Maria Krawczyk, Wydział Fizyki UW Neutrina i ich mieszanie
Neutrinos: Ghost Particles of the Universe F. Close polecam wideo i audio http://www.gresham.ac.uk/event.asp?pageid=108&eventid=8
NEUTRINO "Zrobiłem straszną rzecz. Zapostulowałem istnienie cząstek, które nie mogą być odkryte..." - W. Pauli 1930: Pauli nazwa neutron, masa zero, zakład o skrzynkę szampana, że nie zostanie odkryta 1933: Fermi teoria rozpadu beta i nazwa neutrino Neutrina bardzo słabo oddziałują musimy liczyć na bardzo dużą ich liczbę, żeby jakiemuś zdarzyło się oddziałać. Lata 50-te XX w - w reaktorach atomowych zachodzi wiele rozpadów beta i powstaje bardzo dużo antyneutrin elekronowych. Zmuszenie tych neutrin do określonego oddziaływania (odwrotny proces beta) w wodzie odkrycie Reines, Cowan W 1956 Pauli przysłał skrzynkę szampana...
Odkrycie neutrina elektronowego A. Pigulski, Festiwal Nauki' 2003
Źródła neutrin Sztuczne: reaktory 5 x 10 20 neutrin /s (również wybuchy jądrowe) Słońce: 2 x10 38 neutrin /s (w kierunku Ziemi 60 mld neutrin/cm2/s) Ziemia (naturalna promieniotwórczość): 80 mln neutrin/cm2/s Wielki Wybuch, surpernowe itp My sami!? Poniżej neutrina i antyneutrina określam jako neutrina, o ile nie prowadzi to do nieporozumień
Neutrinowe zdjęcie Słońca
Nasze ciało W ciągu 1 sek dociera do naszego ciała (1 m2 powierzchni) -600 bln neutrin ze Słońca -800 mln neutrin z Ziemi -My też produkujemy 4000 neutrin (340 mln neutrin dziennie) 600 000 mld 4000 800 mln
Fotony potrzebują 100 tys. lat aby się wydostać z wnętrza Słońca, a neutrina kilka sekund Wyjątkowa rola neutrin jako bezpośredniego (bo prawie nieoddziałującego) nośnika informacji
Obserwacja neutrin i odkrycie neutrin słonecznych Obserwacja neutrin: -blisko silnego źródła (reaktory) -albo ogromne detektory,dobrze osłonięte przed promieniowaniem kosmicznym, np. w głębokich kopalniach. Neutrina słoneczne: -Lata 60e XXw R. Davis budowa detektora w kopalni złota w Homestake, w Poludniowej Dakocie, na głębokości 1500 m Pomysł włoskiego fizyka B. Pontecorvo: rejestrowanie neutrin słonecznych dzięki ich oddziaływaniu z jądrem chloru, które prowadzi do powstania jąder argonu. Wykryto kilkunaście atomów argonu powstałych w 600 tonach płynu do czyszczenia (!), zawierającego chlor (30 lat zbierania danych). -2002 nagroda Nobla dla R. Davisa i M. Koshiby.
F. Close antyneutrino el. + 25 MeV W słońcu powstają neutrina elektronowe
Neutrina atmosferyczne Neutrina atmosferyczne = neutrina produkowane w atmosferze Zagadka: liczba neutrin docierająca do Ziemi była znacznie mniejsza niż przewidywana teoretycznie. Ale których neutrin?
Deficyt neutrin słonecznych i atmosferycznych Deficyt (brak) w docierajacym na Ziemię strumieniu neutrin elektronowych, pochodzących ze Słońca W strumieniu neutrin wytwarzanych w atmosferze (neutrina atmosferyczne) występuje deficyt neutrin mionowych. W obu wypadkach brakuje neutrin, ale gdyby po drodze od źródła do detektora nastąpiła zamiana typu (zapachu) neutrina, to można wytłumaczyć ten deficyt, bo rejestracja jest nastawiona na określony typ neutrin, np. elektronowych. Zamiana typu neutrin przy propagacji oscylacja
Neutrina atmosferyczne D.Kiełczewska
Neutrina atmosferyczne z góry i z dołu Super Kamiok ande
Porównania strumieni neutrin przychodzących od dołu (przez całą kulę ziemską) i z góry do detektora D.Kiełczewska νe νμ
zbyt słabe
Oscylacje a niezerowe masy neutrin. Mieszanie Można to (oscylacje) wyjaśnić jeśli założymy, że 1/ neutrina mają niezerową masę (choćby jedno z 3 neutrin). Stany neutrinowe o określonych masach oznaczamy przez ν1, ν2, ν3 2/ neutrina νe, νµ, ντ, w dubletach z e, µ, τ (oddziałujące z udziałem W+/-) są mieszankami tych neutrin ν1, ν2, ν3 3/ w przestrzeni propagują się stany o określonej energii i masie skład mieszanki zmienia się w czasie propagacji
θ Prawdopodobieństwo oscylacji neutrin typu α w typ β: θ D. Kiełczewska
BUT if neutrinos have mass, they can oscillate back and forth F. Close
http://www.fuw.edu.pl/~neutrina/oscylacje_neutrin.html
Czułość na oscylacje dla neutrin różnego pochodzenia Dane pozwalają wyznaczyć różnice kwadratów mas neutrin w funkcji kąta mieszania θ
Badania oscylacji neutrin Wiązki neutrin z laboratoriów (CERN,Fermilab,KEK) Mierzymy strumień w pobliżu Mierzymy strumień setki km dalej Dowody na znikanie neutrin z wiązki Program badawczy aby zrozumieć masy neutrin, ich mieszanie, a może nawet występowanie 3 rodzin...
Wyniki: obszary wykluczone na 95% z różnych eksperymentów http://pdg.lbl.gov/2009/figures/figures.html
Pierwsze przypadek neutrin z wiązki T2K w detektorze Super-Kamiokande 24.02.2010 Oddziaływanie nastąpiło dokładnie w czasie, kiedy spodziewane było przyjście wiązki. Zarejestrowano trzy pierścienie czerenkowskie, dwa z nich pochodzą najprawdopodobniej z rozpadu pionu neutralnego powstałego w wyniku oddziaływania neutrina. http://neutrino.fuw.edu.pl/node/363
- Jakie znasz sztuczne żródła neutrin? I - Ile neutrin promieniuje Słońce w ciagu 1 sekundy? - Ile neutrin na 1 cm2 promieniują naturalne źródła ziemskie w ciągu doby? -Czy człowiek promieniuje neutrina? -Dlaczego neutrina nie robią nam krzywdy? -Czy fotony przenikają przez nasze ciało na wylot? -Czy fotony dostarczają bezpośredniej informacji o wnętrzu Słońca? -Na czym polega zagadka neutrin słonecznych? -Co to są neutrina atmosferyczne? -Czy atmosferyczne neutrina docierają do nas również od dołu przechodząc przez całą kulę ziemską? -Których atmosferycznych neutrin brakuje - elektronowych czy mionowych? -Co to znaczy: oscylacje neutrin? -Kiedy może dojść do oscylacji-czy mogą zachodzić gdy masy neutrin takie same? -Czy prawdopodobieństwo zamiany neutrina o określonym zapachu w neutrino o innym zapachu zależy od długości drogi, przebywanej przez neutrina? -Na jakie różnice kwadratów mas neutrin jesteśmy czuli obserwując neutrina pochodzące z supernowych?