Fizyka cząstek elementarnych II Neutrina

Podobne dokumenty
Symetrie. D. Kiełczewska, wykład9

Elementy Fizyki Czastek Elementarnych 1 / 2

Symetrie. D. Kiełczewska, wykład 5 1

Symetrie. D. Kiełczewska, wykład 5 1

Zderzenia relatywistyczne

Naturalne źródła neutrin, czyli neutrina sa

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

Jak się tego dowiedzieliśmy? Przykład: neutrino

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

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

Tajemnicze neutrina Agnieszka Zalewska

Zderzenia relatywistyczne

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

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

Zagadki neutrinowe. Deficyt neutrin atmosferycznych w eksperymencie Super-Kamiokande

V.6.6 Pęd i energia przy prędkościach bliskich c. Zastosowania

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

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

Fizyka cząstek elementarnych i oddziaływań podstawowych

Podstawy fizyki cząstek III. Eksperymenty nieakceleratorowe Krzysztof Fiałkowski

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

cząstki, które trudno złapać Justyna Łagoda

Maria Krawczyk, Wydział Fizyki UW. Neutrina i ich mieszanie

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

Oddziaływania podstawowe

Rozdział 4 Zasady zachowania w fizyce cząstek Zachowanie zapachów: S, C, B, T Wnioski z zasady zachowania izospinu w oddziaływaniach silnych

Promieniowanie jonizujące

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

2008/2009. Seweryn Kowalski IVp IF pok.424

WSTĘP DO FIZYKI CZĄSTEK. Julia Hoffman (NCU)

Fizyka cząstek elementarnych. Tadeusz Lesiak

Elementy Fizyki Jądrowej. Wykład 5 cząstki elementarne i oddzialywania

Zagadki neutrinowe. Deficyt neutrin atmosferycznych w eksperymencie Super-Kamiokande

Oddziaływania. Zachowanie liczby leptonowej i barionowej Diagramy Feynmana. Elementy kwantowej elektrodynamiki (QED)

Widmo elektronów z rozpadu beta

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

Oddziaływanie promieniowania jonizującego z materią

Jak działają detektory. Julia Hoffman

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

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

Podstawowe własności jąder atomowych

Struktura porotonu cd.

Zagraj w naukę! Spotkanie 5 Obecny stan wiedzy. Maciej Trzebiński. Instytut Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk

Funkcje odpowiedzi dla CCQE i wiązek MiniBooNE (cz. I)

Oddziaływania. Przekrój czynny Zachowanie liczby leptonowej i barionowej Diagramy Feynmana. Elementy kwantowej elektrodynamiki (QED)

cz. 1. dr inż. Zbigniew Szklarski

Maria Krawczyk, Wydział Fizyki UW. Oddziaływania słabe 4.IV.2012

czastki elementarne Czastki elementarne

Wszechświat czastek elementarnych

M. Krawczyk, Wydział Fizyki UW

r. akad. 2008/2009 V. Precyzyjne testy Modelu Standardowego w LEP, TeVatronie i LHC

Neutrino cząstka, która nie miała być nigdy odkryta

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

Elementy Fizyki Cząstek Elementarnych

Neutrina. Fizyka I (B+C) Wykład XXIV:

Bozon Higgsa oraz SUSY

Wstęp do fizyki cząstek elementarnych

wyniki eksperymentu OPERA Ewa Rondio Narodowe Centrum Badań Jądrowych

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

Marek Kowalski

Obserwacja Nowej Cząstki o Masie 125 GeV

Masywne neutrina w teorii i praktyce

Tomasz Szumlak WFiIS AGH 03/03/2017, Kraków

WYKŁAD 8. Maria Krawczyk, Wydział Fizyki UW. Oddziaływania słabe

Cząstki i siły. Piotr Traczyk. IPJ Warszawa

Klasyfikacja przypadków w ND280

FIZYKA III MEL Fizyka jądrowa i cząstek elementarnych

Zderzenia relatywistyczna

Cząstki elementarne wprowadzenie. Krzysztof Turzyński Wydział Fizyki Uniwersytet Warszawski

Wszechświat Cząstek Elementarnych dla Humanistów Diagramy Faynmana

Theory Polish (Poland)

Ostatnie uzupełnienia

Neutrina najbardziej tajemnicze cząstki we Wszechświecie

Elementy Fizyki Cząstek Elementarnych

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

Wszechświat Cząstek Elementarnych dla Humanistów Diagramy Faynmana

Autorzy: Zbigniew Kąkol, Piotr Morawski

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

Reakcje jądrowe. Podstawy fizyki jądrowej - B.Kamys 1

Oscylacyjne eksperymenty neutrinowe najnowsze wyniki oraz perspektywy

Neutrina (2) Elementy fizyki czastek elementarnych. Wykład VIII

Wyk³ady z Fizyki. Zbigniew Osiak. Cz¹stki Elementarne

Słońce obserwowane z kopalni Kamioka, Toyama w Japonii

Detektory cząstek. Procesy użyteczne do rejestracji cząstek Techniki detekcyjne Detektory Przykłady użycia różnych technik detekcyjnych.

Tajemnice neutrin. Ewa Rondio. Instytut Problemów Jądrowych im. A. Sołtana

Jądra o wysokich energiach wzbudzenia

Na tropach czastki Higgsa

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

Atomowa budowa materii

Unifikacja elektro-słaba

Oddziaływania słabe i elektrosłabe

Neutrina (2) Elementy fizyki czastek elementarnych. Wykład IX

Jak to działa: poszukiwanie bozonu Higgsa w eksperymencie CMS. Tomasz Früboes

Badanie wysokoenergetycznych mionów kosmicznych w detektorze ICARUS.

Elementy Fizyki Jądrowej. Wykład 7 Detekcja cząstek

WYKŁAD Wszechświat cząstek elementarnych. 24.III.2010 Maria Krawczyk, Wydział Fizyki UW. Masa W

WYKŁAD Prawdopodobieństwo procesów dla bardzo dużych energii, konieczność istnienia cząstki Higgsa

Elementy fizyki czastek elementarnych

Oddziaływania fundamentalne

Transkrypt:

Fizyka cząstek elementarnych II Neutrina Prof. dr hab. Danuta Kiełczewska Zakład Cząstek i Oddziaływań Fundamentalnych IFD UW http://www.fuw.edu.pl/~danka/ Plan wykładu: Trochę historii neutrin Źródła neutrin Detektory neutrin Odkrycie oscylacji Wyznaczanie parametrów oscylacji- Ø Eksperymenty akceleratorowe Ø Eksperymenty reaktorowe Pomiary masy neutrin Podwójne bezneutrinowe rozpady beta (neutrina Majorany?) Neutrina z supernowych Rola neutrin w ewolucji Wszechświata 1

Wykład I Krótka historia neutrin 2

1913-1930: Zagadka rozpadów beta Ówczesny model jądra (A,Z): A protonów + (A-Z) elektronów v Ciągłe widmo sprzeczne z rozpadem dwuciałowym (A,A-Z)à (A,A-Z-1) + e - v W rozpadach typu: 6 He 6 2 3 Li + e dla obu jąder zmierzono spin całkowity v Dla jądra Problemy: 14 N 7 zmierzono spin=1 - nie pasuje dla 14+(14-7)=21 fermionów 3

Desperackie lekarstwo Pauliego (1930) A A ν I have done something very bad today by proposing a particle that cannot be detected; it is something no theorist should ever do. W.Pauli 4 e

Pierwsze pomysły: Sir Arthur Eddington: In an ordinary way I might say that I do not believe in neutrinos. Dare I say that experimental physicists will not have sufficient ingenuity to make neutrinos. Na podstawie czasu życia neutronu Bethe policzył przekrój czynny 10-44 cm 2 na oddziaływanie: ν + p n + e + F. Reines, Prog. Part. Nucl. Phys, 32 (1994) 1 - Rozmowa z Fermim w 1951: Bomba jako źródło ale jaki detektor? 5

Eksperyment Reinesa i Cowana Liquid scintillator ν e + p e + + n e + +e - 2γ prompt n+ 112 48 Cd γ + 113 48 Cd delayed Water, Cadmium chloride Liquid scintillator 6

Reines i Cowan: odkrycie neutrin Reaktor w Savannah River: Detektor: 12 m pod ziemią: 10 13 ν cm 2 s 1 scyntil scyntil water water scyntil W 1956 telegram do Pauliego: We are happy to inform you that we have definitely detected neutrinos... 1995 nagroda Nobla dla Reinesa 7

Niezachowanie parzystości w słabych oddziaływaniach T. D. Lee and C. N. Yang, Phys. Rev. 104, 254 (1956) http://link.aps.org/abstract/pr/v104/p254 C. S. Wu et al., Phys. Rev. 105, 1413 (1957) http://link.aps.org/abstract/pr/v105/p1413 R. L. Garwin et al., Phys. Rev. 105, 1415 (1957) http://link.aps.org/abstract/pr/v105/p1415 8

Odkrycie niezachowania parzystości 60 60 * Co Ni + e + ν e Próbka 60 Co w temp. 0,01K wewnątrz solenoidu (częściowa polaryzacja jąder) Okazało się, że więcej elektronów miało pędy skierowane przeciwnie niż spiny 60 Co (oraz elektronów!). W sumie różne pomiary pokazały: σ P I(θ) = 1+ α E = 1+ α v c cosθ σ - jednostkowy wektor spinu P, E,v ped, energia i predkosc α = 1 dla elektronu (LH) α = +1 dla pozytronu (RH) 9

Pomiar skrętności neutrina eksperyment Goldhabera et al. (1958) Z hipotezy Pauliego: spin neutrina=1/2 Ale jaka skrętność? Dla bezmasowych neutrin spodziewano się: I( θ) = 1 cos θ albo I(θ) = 1+ cosθ Okazało się że: Neutrina towarzyszące pozytronom są lewo-skrętne, a elektronom prawo-skrętne Polecam opis dr. Grzegorza Brony. 10

Eksperyment Goldhabera Wychwyt elektronu K Całkowity moment pędu stanu początkowego to spin wychwyconego elektronu Czyli w stanie końcowym: spiny muszą być przeciwnie skierowane spin spin prędkość prędkość Czyli jądro odrzutu ma taką samą skrętność jak neutrino tzn. spin albo zgodny albo przeciwny z wektorem prędkości tzn. RH lub LH 11

Eksperyment Goldhabera c.d. RH dalej: LH gamma musi wynieść spin wzbudzonego jądra! Rozważmy przypadek LH: Jeśli gamma wysłana do przodu Czyli γ do przodu musi być LH Jeśli gamma wysłana do tyłu spiny prędkość Tak samo można pokazać,że: W przypadku RH γ wysłana do przodu musi być RH Stąd: skrętność gammy do przodu musi być taka sama jak skrętność neutrin!! 12

Eksperyment Goldhabera cd. Czyli musimy: wybrać gammy do przodu (względem pędu jądra odrzutu) zmierzyć ich skrętność Do wyboru gamm do przodu użyli rozpraszania rezonansowego : 152 152 * 152 γ+ Sm Sm γ+ Sm które może zajść tylko dla gamm do przodu bo mają trochę większą energię niż energia wzbudzenia 152 Sm* ( część energii gammy idzie na wzbudzenie, a część na pęd pośredniego jądra) 13

Schemat eksperymentu Goldhabera Ø Do NaI (na dole) trafiają gammy, które rozproszyły się rezonansowo w Sm 2 O 3 czyli gammy do przodu Ø Gammy przechodzą przez żelazo, którego elektrony są spolaryzowane przez pole B γ γ Ø Rozpraszanie Comptona jest bardziej prawdop. dla przeciwnych spinów gamm i elektronów, czyli gammy, które NIE straciły energii na rozpraszanie Comptona mają polaryzację bardziej zgodną z polaryzacją elektronów Ø O polaryzacji elektronów mówi nam kierunek pola mgt ( ) P γ = 68 ± 15 % 14

Wynik eksperymentu Goldhabera v + lub oznacza kierunek pola magnetycznego polaryzującego spiny elektronów żelaza, które działają jak polarymetr dla gamm v W rezultacie wyznaczono skrętność neutrin: P = 1.0 ± 0.3 15

Skrętność neutrin Neutrino Anti Neutrino 16

Masa a skrętność Jeśli skrętność zawsze -1 to masa=0 Załóżmy, że masa>0 Wtedy obserwator może poruszać się szybciej niż neutrino: W układzie spoczynkowym obserwatora neutrino byłoby prawoskrętne 17

Jedno neutrino czy dwa? Miony odkryto w wielkich pękach kosmicznych.. µ > e +... zmierzono rozpady mionów a widmo elektronów okazało się 3-ciałowe? Kolejna zagadka: dlaczego nie obserwuje się µ > e + γ? Reines: In 1956 Cowan and I proposed to go to an accelerator and test the identity of the two neutrinos. The reaction we got from Los Alamos was difficult to understand: You two fellows have had enough fun. Why don t you go back to work. Fred Reines, 1982 18

Detekcja ν µ Nagroda Nobla 1988: Lederman, Schwartz i Steinberger Protony 15GeV z akceleratora AGS Brookhaven (2-4 x10 11 protons/pulse) Detektor: płyty żelaza przekładane komorami iskrowymi target ----- wyładowania wzdłuż toru mionu Wynik: 34 przypadki mionowe oraz 6 kaskad, wśród których możliwe elektrony np. z domieszki ν e w wiązce ν µ ν e 19

Oddziaływanie neutrina w komorze pęcherzykowej Gargamelle Odkrycie prądów neutralnych 1973 Z wierzchołka nie wychodzi żaden mion ν + N ν + µ µ X D. Kiełczewska, wykład 6 20

Liczenie zapachów neutrin w LEP Z Z 0 0 qq( uu, dd, ss, cc, bb ) + + + ll ( e e, µµ, τ τ ) 0 Z νv νeveνµ vµ ντvτ (,, ) Γ Z,Γ l,γ h - mierzone Γ ν - policzone Γ Z =Γ had + 3Γ l + N Γ ν N = 2.99 ± 0.02 ν ν 21

Detekcja ν τ wyzwanie! 2000 ν τ musi wyprodukować lepton τ czas życia τ: 3x10-13 sec (cτ=90 µm) Najlepsza emulsja Eksperyment: DONUT (Direct Observation of the NU Tau) at FermiLab accelerator. Z wiązki 10 13 neutrin, zarejestrowano ok. 1000 oddz. ν int, z których 4 zidentyfikowano jako ν τ DONUT szukał rozpadów na jedną naładowaną cząstkę (86% rozpadów tau) 22

Detekcja ν τ DONUT Protony 800 GeV produkowały mezony zawierające kwarki c i s: D s τ +ν τ (BR=6.4 ±1.5%) τ ν τ + X 23

Detection of ν τ 2000 24

Po co są 3 generacje? Neutrino mogą pomóc w znalezieniu odpowiedzi? 25

Model Standardowy Generation I Generation II Generation III ν e ν µ Leptons e µ ν τ τ Quarks u u u c c c t t t d d d s s s b b b Gauge W + Bosons Z 0 γ W gluons 26 >>>