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

Nowa fizyka a oscylacja neutrin Pałac Młodzieży Katowice 29 listopad 2006

Nowa fizyka a oscylacja neutrin Ostatnie lata przyniosły wielkie zmiany w fizyce neutrin. Wiele różnych eksperymentów pokazało, że neutrina są cząstkami posiadającymi masę i oddziałując, łamią liczbę leptonową. Prowadzi to do konieczności rozszerzenia Modelu Standardowego (MS). Już obecne, jeszcze niezbyt precyzyjne dane, narzucają pewne ograniczenia na poszukiwaną, tzw. Nową Fizykę (NF) poza MS. Sądzimy, że przyszłe, bardziej precyzyjne dane wskażą,, czy ta NF pojawia się dopiero w skali unifikacji oddziaływań, czy też już przy bardziej interesującej skali rzędu 1 TeV-y. W przypadku pierwszego scenariusza omówione będą informacje, jakie spodziewamy się otrzymać o unifikacji oddziaływań z bardziej precyzyjnych eksperymentów neutrinowych. Przedstawione będą także sposoby sondowania ewentualnej NF w skali TeV. 2/18/2008 Instytut Fizyki, Uniwersytet Śląski 2

Elementarne Składniki Materii- Kwarki i Leptony Cztery Żywioły, Demokryt z Abdery (460-370 p.n.e.), John Dalton (1766-1844), Ernest Rutherford (1871-1937), Murray Gell-Mann (ur. 1929) oraz George Zweig, Sheldon Glashow, Abdus Salam oraz Steven Weinberg STANDARDOWY MODEL CZĄSTEK ELEMENTARNYCH 2/18/2008 Instytut Fizyki, Uniwersytet Śląski 3

CO WIEMY O OTACZAJĄCYM NAS WSZECHŚWIECIE Klaudiusz Ptolemeusz (100-168 n.e.), Mikołaj Kopernik (1473-1543), Izaak Newton (1643-1727), (system geocentryczny) (system heliocentryczny) Albert Einstein (1879-1955) oraz Friedman, Edwin Powell Hubble (1889 1953), (pierwszy model kosmologiczny) (Ogólna Teoria Względności, równanie Friedmana) (rozszerzający się Wszechświat, prawo Hubbla) George Anthony Gamow (1904 1968) oraz Alpher i Herman, (pierwsza teoria nukleosyntezy) Arno Penzias (ur. 1933) oraz Robert Wilson (ur. 1936), (kosmiczne promieniowanie tła) KOSMOLOGICZNY MODEL STANDARDOWY 2/18/2008 Instytut Fizyki, Uniwersytet Śląski 4

2/18/2008 Instytut Fizyki, Uniwersytet Śląski 5

Tablica Kwarków i Leptonów 2/18/2008 Instytut Fizyki, Uniwersytet Śląski 6

POZYTYWNE CECHY Standardowy model cząstek Wszystkie cząstki wykryte eksperymentalnie (bez cz. Higgsa), Bardzo dobrze zgadza się z doświadczeniem do energii 1000 GeV, Nie widać substruktury, Oddziaływania poprzez wymianę cząstek, 10 19 PROBLEMY 10 10 19 19 10 19 Pozostawia bez odpowiedzi szereg pytań, (np. problem masy,mechanizm spontanicznego złamania symetrii) Nie uwzględnia oddziaływań grawitacyjnych, 19 10 Nie wiemy co się dzieje od energii 1000 GeV aż do skali Plancka. 2/18/2008 Instytut Fizyki, Uniwersytet Śląski 7

Standardowy model kosmologiczny POZYTYWNE CECHY Najlepszy model Wszechświata jakim dysponujemy, Ekspansja galaktyk, Mikrofalowe promieniowanie tła, Pierwotna nukleosynteza Formowanie wielkich struktur. PROBLEMY Ciemna materia, Ciemna energia, Asymetria materia antymateria, Promieniowanie kosmiczne o wielkiej energii, Rozbłyski gama, Inflacja. 2/18/2008 Instytut Fizyki, Uniwersytet Śląski 8

The Energy Budget of the Universe http--www.hep.phys.soton.ac.uk- ~evans-masterclass-future.ppt 2/18/2008 Instytut Fizyki, Uniwersytet Śląski 9

2/18/2008 Instytut Fizyki, Uniwersytet Śląski 10

Pomimo, że mamy w tej chwili zadawalająca teorię opisującą najdrobniejsze składniki materii nie uważamy ją za satysfakcjonującą. Wiele pytań pozostaje bez odpowiedzi. Dlaczego są trzy rodziny? Dlaczego kwarki posiadają trzy kolory? Jak wyjaśnić masy kwarków i leptonów? Dlaczego stałe fizyczne mają takie wartości jakie mają? Dlaczego łamana jest symetria CP? Dlaczego mamy mieszanie pomiędzy kwarkami i leptonami? Problem kwantowej grawitacji, W jaki sposób teoria cząstek wyjaśni powstanie Wszechświata. Panuje przekonanie, że obecny skład podstawowych składników materii ulegnie modyfikacji przy wzroście energii. 2/18/2008 Instytut Fizyki, Uniwersytet Śląski 11

GENERACJE KWARKI 1 st u d 2 nd s c b 3 rd t Q 2/3-1/3 ν e? 0 LEPTONY ν μ ν τ e μ τ -1 10 μev mev ev kev MeV GeV TeV -6-5 -4-3 -2-1 -0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Model Standardowy 2/18/2008 Instytut Fizyki, Uniwersytet Śląski 12 u d ( ) ν e ( ) e c s ( ) ν μ ( ) μ t b ( ) ν τ ( ) τ

Stała struktury subtelnej: e λ c = m c e r = λ 12 c α α 2 2 2 e e e mc E e = = = r 12 λ c 2 Ee e 1 2 EM Ee 2 e 1 EM 2 = = = 7.3 10 = mc = c = 137.04 7.3 10 mc c 137.04 3 3 2/18/2008 Instytut Fizyki, Uniwersytet Śląski 13

e e e e α 2 EM (0) α EM (q ) Poprawki wirtualne γ γ α α α 2 S (q ) 2 α W (0) W (0) α α S (0) S (0) 2 W α(q ) 2 W (q ) α S (q ) 2/18/2008 Instytut Fizyki, Uniwersytet Śląski 14

Unifikacja oddziaływań w MS 0.06 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 α 2 α 2 W (q ) α (q ) S α (q 2 ) EM 2.5 5 7.5 10 12.5 15 E 2/18/2008 Instytut Fizyki, Uniwersytet Śląski 15

Oddziaływanie grawitacyjne: m λ c = m c m G m G m c 2 3 N N E G = = λc α 2 EG GNm 44 G 2 ~1.7 10 = = mc c 2/18/2008 Instytut Fizyki, Uniwersytet Śląski 16

Masa i długość Plancka α 1 G 2 GNMPl 1 c = c 28 M Pl= ~1.2 10 ev G N λ G = = = N 33 c(m Pl) 1.6 10 cm 3 MPlc c F = G m m N 1 2 12 d 4 r 12 2/18/2008 Instytut Fizyki, Uniwersytet Śląski 17

lub inaczej Problem hierarchii: Dlaczego oddziaływania słabe są 10 32 razy silniejsze niż oddziaływania grawitacyjne? Dlaczego masa cząstki Higgsa jest tak mała w porównaniu z masą Plancka? H t H H t 2/18/2008 Instytut Fizyki, Uniwersytet Śląski 18 H

Unifikacja oddziaływań w MSSM 0.12 α strength 0.1 0.08 α (q 2 ) S 0.06 0.04 0.02 2 W (q ) α 2 α EM (q ) 2.5 5 7.5 10 12.5 15 E energy scale 2/18/2008 Instytut Fizyki, Uniwersytet Śląski 19

Połączenie Teorii Wielkiej Unifikacji (GUT) z grawitacją TOE (Theory of Everything) TOE = TEORIA SUPERSTRUN?? 2/18/2008 Instytut Fizyki, Uniwersytet Śląski 20

Zderzacz w CERN-ie Mikroskopy sięgamy w głąb materii LEP Szwajcaria, Francja 2/18/2008 4 eksperymenty LEP-u Instytut Fizyki, Uniwersytet Śląski 21

W tunelu LHC 27 km rura próżniowa p (7000 GeV) p (7000 (GeV )) Magnesy odginające wiązkę o B = 8.2 Tesli Temperatura 3 0 powyżej zera bezwzględnego Foto CERN 2/18/2008 Instytut Fizyki, Uniwersytet Śląski 22

Detektor Alice Alice (LHC) 2/18/2008 Instytut Fizyki, Uniwersytet Śląski 23

Oscylacja neutrin Zachowana liczba leptonowa ---- na małych odległościach neutrina zachowują swoja tożsamo samość P sin (m - m ) L E 2 2 2 1 2 Problem neutrin słonecznych, s RAY DAVIS (od 1969) Kopalnia NOMESTAKE 3000 m głęg łęboka 2/18/2008 Instytut Fizyki, Uniwersytet Śląski 24

2/18/2008 Instytut Fizyki, Uniwersytet Śląski 25

SuperKamiokaNDE Rozmiar Waga Czułość Rozdzielczość energetyczna Próg energetyczny Lokalizacja Cylinder 41.4m (wysokość) x 39.3m (średnica) 50,000 ton ultraczystej wody 11,200 fotopowielaczy (50cm średnica) 2.5% (1 GeV)~16% (10 MeV) 5 MeV Kamioka-cho, Yoshiki-gun, Gifu-ken (1,000m pod ziemią w kopalni Mozumi należącej do Kamioka Mining and Smelting Co.) 2/18/2008 Instytut Fizyki, Uniwersytet Śląski 26

SK - detektor Zewnętrzny - 18 000t Chroni detektor wewnętrzny przed naturalnym promieniowaniem otaczających skał Identyfikuje miony z promieniowania kosmicznego Wewnętrzny - 32 000 t 5 200 fotopowielaczy (11 200 do awarii 12 X 01) Obserwacje prowadzone od 1 IV 96 2/18/2008 Instytut Fizyki, Uniwersytet Śląski 27

SK metoda detekcji neutrin słonecznych i atmosferycznych Neutrina słoneczne: obserwacja promieniowania Czerenkowa emitowanego przez elektrony odrzutu w reakcji elastycznego rozpraszania: ν + e ν + e Neutrina atmosferyczne: obserwacja pierścieni promieniowania Czerenkowa powstałych w wyniku przejścia naładowanych leptonów elektronów i mionów 2/18/2008 Instytut Fizyki, Uniwersytet Śląski 28

2/18/2008 Instytut Fizyki, Uniwersytet Śląski 29

2/18/2008 Instytut Fizyki, Uniwersytet Śląski 30

2/18/2008 Instytut Fizyki, Uniwersytet Śląski 31

2/18/2008 Instytut Fizyki, Uniwersytet Śląski 32

2/18/2008 Instytut Fizyki, Uniwersytet Śląski 33

2/18/2008 Instytut Fizyki, Uniwersytet Śląski 34

Neutrino 12.5 MeV 2/18/2008 Instytut Fizyki, Uniwersytet Śląski 35

Mion 603 MeV 2/18/2008 Instytut Fizyki, Uniwersytet Śląski 36

Elektron 492 MeV 2/18/2008 Instytut Fizyki, Uniwersytet Śląski 37

SK - wyniki 2/18/2008 Instytut Fizyki, Uniwersytet Śląski 38

SNO 2/18/2008 Instytut Fizyki, Uniwersytet Śląski 39

Sudbury Neutrino Observatory Lokalizacja: kopalnia niklu niedaleko Sudbury, Ontario, Kanada Detektor: 1000 ton ultraczystej ciężkiej wody, 9500 fotopowielaczy 2/18/2008 Instytut Fizyki, Uniwersytet Śląski 40

SNO (Sutbury Neutrino Observatory) Rozmiar Waga Czułość Próg energetyczny Akrylowy pojemnik o srednicy 12m 1,000 ton ciężkiej wody 9,600 fotopowielaczy Lokalizacja INCO's Creighton Mine, Sudbury, Kanada (6 800 stóp m pod ziemią). W wypełnionej wodą jaskinii o głębokości 30m 2/18/2008 Instytut Fizyki, Uniwersytet Śląski 41

Oddziaływanie neutrin w D 2 O CC prądy naładowane ν e + d p + p + e T e > 6.75 MeV 2/18/2008 Instytut Fizyki, Uniwersytet Śląski 42

Oddziaływanie neutrin w D 2 O NC prądy neutralne ν + d n + p +ν T e > 2.225 MeV 2/18/2008 Instytut Fizyki, Uniwersytet Śląski 43

Oddziaływanie neutrin w D 2 O ES rozpraszanie elastyczne ν + e ν + e T e > 6.75 MeV 2/18/2008 Instytut Fizyki, Uniwersytet Śląski 44

KamLAND 2/18/2008 Instytut Fizyki, Uniwersytet Śląski 45

KamLAND Detekcja przez obserwację pozytonów i neutronów z procesu: ν Próg energetyczny: 1.8 MeV 80% rejestrowanych neutrin pochodzi z 26 reaktorów oddalonych od detektora o 138-214 km Stosunek liczby obserwowanych zdarzeń do spodziewanych: + p e + e N obs N exp 2/18/2008 Instytut Fizyki, Uniwersytet Śląski 46 + n = 0.611± 0.085 ± 0.041

Promieniowanie kosmiczne Promieniowanie kosmiczna jest izotropowe. W przypadku braku oscylacji, strumień neutrin z góry g powinien być taki jak z dołu. 2/18/2008 Instytut Fizyki, Uniwersytet Śląski 47

MACRO (Monopole Astrophysics and Cosmic Ray Obserwatory) Włochy (Gran Sass) Masa 5.3 kton 2700 m (głębokość względna) 77m x 12 m X 9 m 6modułów głownego detektora budowa warstwowa 2/18/2008 Instytut Fizyki, Uniwersytet Śląski 48

Soudan 2 (USA) Masa 0.963 kton 2100 m (głębokość względna) 16 m x 8 m x 6 m 3 224 modułów gazowego kalorymetru 85% Argon 15% Węgiel 2/18/2008 Instytut Fizyki, Uniwersytet Śląski 49

Marzy nam się stworzenie Teorii Ostatecznej, (czy wtedy znajdziemy odpowiedzi na pytania wyjaśniające status życia i inteligencji?) czy znajdziemy w niej uzasadnienie moralności lub jej braku? czy zostanie rozstrzygnięta kwestia dobra i zła, tego co etyczne, a co nie etyczne? czy nastąpi konflikt pomiędzy nauką i religią? a może nauka i religia będą się wzajemnie uzupełniać? 2/18/2008 Instytut Fizyki, Uniwersytet Śląski 50

Badania eksperymentalne i teoretyczne będą prowadzone dalej. Ufamy, że nowe informacje przyniosą, uruchamiany w 2007roku, LHC w CERN-ie oraz przyszłe eksperymenty neutrinowe. ---- odkrycie cząstki Higgsa, ---- może pojawią się cząstki supersymetryczne, ---- a może teoria przestanie się zgadzać z doświadczeniem, ---- może też ktoś wpadnie na pomysł co dalej, bo ograniczenia eksperymentalne nie pozwalają śledzić obszaru dużych energii, ---- może włączenie teorii kwantowej grawitacji zmieni nasz pogląd na strukturę materii, ---- kolejne bardziej precyzyjne eksperymenty oscylacji neutrin (MINOS, ICARUS, Mini-BooNE.. ) mają szansę odpowiedzieć na pytania, które są bardzo trudne dla innych doświadczeń. 2/18/2008 Instytut Fizyki, Uniwersytet Śląski 51

FERMIONY o SPINIE 1/2 BOSONY o SPINIE 0 Leptony Kwarki ν u d e e ν c s μ t b ν μ τ τ Sleptony Skwarki u d ν e e c s ν μ t b ν τ μ τ Generacje MATERII Generacje SMATERII 2/18/2008 Instytut Fizyki, Uniwersytet Śląski 52