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 >>>