Fizyka neutrin – wykład 5 Agnieszka Zalewska 23.03.2005 Odkrycie oscylacji neutrin atmosferycznych w eksperymencie Superkamiokande Potwierdzenie tej obserwacji w akceleratorowym eksperymencie K2K Dalsze eksperymenty akceleratorowe z długą bazą pomiarową: MINOS, OPERA, ICARUS

SuperKamiokande Collaboration „Evidence for Oscillation of Atmospheric Neutrinos”, komunikat na konferencji Neutrino ’98 w Takayama w Japonii, publikacja w Phys. Rev. Lett. 81 (1998) 1562 SuperKamiokande Collaboration Najbardziej cytowana praca z fizyki cząstek Zapoczątkowała silny wzrost liczby publikacji z fizyki neutrin A.Zalewska, wykład 5, 23.03.2005

Neutrina atmosferyczne-oddziaływania z materią 1 Elastyczne rozpraszanie na elektronie tylko ne wszystkie neutrina Przekrój czynny rośnie liniowo z energią, ale jest bardzo mały Elastyczne rozpraszanie na nukleonach: n lub p Przy tej samej energii neutrina przekrój czynny jest ok. 2000 razy większy ze względu na większą masę neutrina A.Zalewska, wykład 5, 23.03.2005

Neutrina atmosferyczne-oddziaływania z materią 2 Quasi-elastyczne rozpraszanie na nukleonach: n lub p Jądro się modyfikuje, ale nie ulega rozbiciu neutrino antyneutrino Przekrój czynny z progiem energetycznym, po wzroście przy progu praktycznie niezależny od energii Proces bardzo użyteczny dla detekcji neutrin: zapach leptonu naładowanego identyfikuje zapach neutrina, a ładunek leptonu (-+) – identyfikuje neutrino/antyneutrino A.Zalewska, wykład 5, 23.03.2005

Neutrina atmosferyczne-oddziaływania z materią 3 Produkcja rezonansów barionowych Także szereg innych rezonansów o masie poniżej kilku GeV, przekroje czynne porównywalne z tymi dla oddziaływań quasi-elastycznych A.Zalewska, wykład 5, 23.03.2005

Neutrina atmosferyczne-oddziaływania z materią 4 Głęboko nieelastyczne rozpraszanie (DIS) na nukleonach (a nawet partonach) Rozpraszanie z wielkim przekazem pędu, En>>GeV, jądro ulega rozbiciu Daleko od progu przekrój czynny rośnie liniowo z energią neutrina, proces od dawna wykorzystywany do badania struktury nukleonu. A.Zalewska, wykład 5, 23.03.2005

Neutrina atmosferyczne-oddziaływania z materią 5 Zauważmy: Wykres przedstawia przekroje czynne podzielone przez energię neutrina A.Zalewska, wykład 5, 23.03.2005

Neutrina atmosferyczne-strumień Przypomnijmy Neutrina atmosferyczne-strumień Stosunek strumieni nm/ne - dla neutrin niskiej energii powinien być 2 Stosunek strumieni mionów (z oddziaływań neutrin) przychodzących do detektora z góry i z dołu – dla wysokoenergetycznych neutrin powinien być 1 W obu przypadkach, celem zmniejszenia błędów systematycznych, lepiej jest badać tzw. podwójny stosunek, tzn. stosunek strumieni podzielonych przez ich wartości oczekiwane przy braku oscylacji A.Zalewska, wykład 5, 23.03.2005

Neutrina atmosferyczne-strumień Kąt zenitalny – miarą długości drogi neutrina od miejsca powstania do detektora Przewidywania MC wielkości strumienia neutrin atmosferycznych w funkcji kąta zenitalnego dla 3 energii neutrin Kierunek „do góry” „w dół” „horyzont” Zauważmy: 4 rzędy wielkości dla długości drogi od miejsca powstania do detektora, szybka zmiana długości drogi w pobliżu horyzontu, dla wyższych energii strumień neutrin staje się symetryczny A.Zalewska, wykład 5, 23.03.2005

„Anomalia” neutrin atmosferycznych Pomiar: przypadków quasi-elastycznych oddziaływań neutrin w latach 80-tych w eksperymentach poszukujących rozpadu protonu Wyniki: wskazujące na niedobór neutrin mionowych Niejednoznaczne – rozstrzygnięcie w eksperymencie SuperKamiokande A.Zalewska, wykład 5, 23.03.2005

Zasada działania wodnego detektora Czerenkowa Zbiornik z bardzo czystą wodą, - jeśli naładowane cząstki powstałe w oddziaływaniach neutrin poruszają się w wodzie szybciej niż światło, to wzdłuż ich torów emitowane jest promieniowanie Czerenkowa (niebieskawe światło z widzialnej części widma). Światło, w postaci pierścienia, rejestruje się przy pomocy fotopowielaczy – rozkład i czas powstania sygnału służą do wyznaczenia kierunku naładowanej cząstki (-> kierunku neutrina), - wielkość sygnału, kąt rozwarcia stożka oraz identyfikacja cząstki naładowanej pozwalają wyznaczyć jej energię (-> energię i rodzaj neutrina) A.Zalewska, wykład 5, 23.03.2005

Detektor SuperKamiokande SK-1 1996-2001 50 kton wody, z czego 22.5 ktony to masa pomiarowa („fiducial mass”) – 2 m od ścian 11146 fotopowielaczy 50-cm (40% pokrycie) 1885 fotopowielaczy 20-cm w zewnętrznym detektorze SK-2 2003-2005 5182 fotopowielacze 50-cm(19% pokrycie) Detektor zewnętrzny w pełni odbudowany SK-3 przyszłość Powrót do oryginalnego pokrycia, ale bezpieczniejsze rozwiązania, eksperyment T2K A.Zalewska, wykład 5, 23.03.2005

Zdjęcia sprzed wypadku Detektor SuperKamiokande Zdjęcia sprzed wypadku A.Zalewska, wykład 5, 23.03.2005

„Oczy” SuperKamiokande A.Zalewska, wykład 5, 23.03.2005

SuperK - e i m. w stanie końcowym A.Zalewska, wykład 5, 23.03.2005

SuperK – kilka cząstek w stanie końcowym Symulacja A.Zalewska, wykład 5, 23.03.2005

SuperK – kategorie analizowanych przypadków SuperK-1 - analiza w oparciu o pełne dane sprzed awarii, kategorie analizowanych przypadków (1842) w pełni zawarte (12180) częściowo zawarte (911) oraz analiza przypadków z wieloma cząstkami w stanie końcowym łącznie 15351 przypadków (418) A.Zalewska, wykład 5, 23.03.2005

SuperK-1 widma energii neutrin Prawie 5 rzędów wielkości w energii neutrin A.Zalewska, wykład 5, 23.03.2005

SuperK-1 stosunki strumieni neutrin A.Zalewska, wykład 5, 23.03.2005

SuperK-1 - rozkłady kąta zenitalnego Niedobór neutrin mionowych - tym większy im dłuższa droga L i mniejsza energia En Interpretacja: A.Zalewska, wykład 5, 23.03.2005

Oscylacje neutrin Przy założeniu dwu stanów zapachowych a i b oraz dwu stanów masowych 1 i 2, prawdopodobieństwo przejścia a w b w próżni: gdzie q i Dm2 to parametry teoretyczne, a L i E – doświadczalne Eksperymenty poszukujące sygnału b w wiązce a („appearence”): Eksperymenty mierzące osłabienie wiązki a („disappearence”): Wpływ materii: wzory na prawdopodobieństwa takie same jak dla oscylacji w próżni, ale efektywne masy i efektywne kąty mieszania A.Zalewska, wykład 5, 23.03.2005

SuperK-1 – parametry oscylacji nm  nt 90%C.L. c2=175.3/177dof @ Dm2=2.1x10-3,sin22q=1.00 A.Zalewska, wykład 5, 23.03.2005

SuperKamiokande - najnowsze wyniki (z Neutrino04) Rozkład L/E - bezpośrednie wskazanie na oscylacje A.Zalewska, wykład 5, 23.03.2005

SuperK - inne wyniki badań n atmosferycznych  W granicy dokładności pomiarów w SuperK nie obserwuje się oscylacji nm  ne  Wybór przypadków odpowiadających oddziaływaniom nt spośród wysokoenergetycznych przypadków wielocząstkowych - efekt na poziomie 2.5 s A.Zalewska, wykład 5, 23.03.2005

Eksperyment K2K pierwszy eksperyment akceleratorowy z długą bazą pomiarową A.Zalewska, wykład 5, 23.03.2005

Eksperyment K2K - zasada pomiaru Pomiar pędów i kierunków mionów w bliskim detektorze w KEK --> strumień neutrin i rozkład energii neutrin w bliskim detektorze --> przewidywania strumienia i rozkładu energii w det. SuperK Pomiar oddziaływań neutrin w det. SuperK --> wnioski na temat oscylacji na podstawie zanikanie strumienia i kształtu widma energii neutrin A.Zalewska, wykład 5, 23.03.2005

K2K – wybór przypadków w detektorze SuperK TSK Tspill GPS SK TOF=0.83msec 500msec Evis > 20MeV Brak sygnału w zewn. detektorze Oddz. wewnątrz obszaru fiducial” Evis > 30MeV 5msec 108 przyp. obs. Analysis time window 150.9 przyp. oczekiwanych A.Zalewska, wykład 5, 23.03.2005 TDIFF. (ms)

Eksperyment K2K - wyniki pomiarów Enrec[GeV] Number of events Deficit of events MC (no osc.) MC (osc.)  Zmiana kształtu rozkładu energii neutrin zgodnie z oczekiwaniami dla oscylacji  Parametry oscylacji w zgodzie z wynikami SuperK dla neutrin atmosferycznych Best fit values. sin22q = 1.53 Dm2 = 2.1210-3 eV2 Best fit values in the physical region. sin22q = 1.00 Dm2 = 2.7310-3 eV2 A.Zalewska, wykład 5, 23.03.2005

Amerykański i europejski projekt eksperymentów z długą bazą pomiarową  NuMi - wiązka z FNAL do detektora MINOS w kopalni Soudan pod granicą kanadyjską, start w styczniu 2005 roku  CNGS - wiązka z CERN-u do Gran Sasso do detektorów OPERA i ICARUS, start w 2006 roku A.Zalewska, wykład 5, 23.03.2005

Program NuMi  niskoenergetyczna wiązka neutrin mionowych, celem jest lepszy pomiar parametrów oscylacji w oparciu o zanikanie wiązki i pomiar kształtu rozkładu energii, bliski detektor w FNAL Detektor MINOS: kalorymetryczny, namagnesowane płyty z żelaza, przełożone scyntylatorami Całkowita masa detektora 5.4 ktony A.Zalewska, wykład 5, 23.03.2005

Program CNGS  CNGS — wiązka wysokoenergetycznych neutrin mionowych z CERN-u do Gran Sasso, program nastawiony na zaobserwowanie oddziaływań neutrin taonowych (i elektro-nowych) pochodzących z oscylacji neutrin mionowych, start w 2006 roku nt ne nm A.Zalewska, wykład 5, 23.03.2005

Wiązka neutrin z CERN-u do Gran Sasso CERN Gran Sasso A.Zalewska, wykład 5, 23.03.2005

Eksperyment OPERA A.Zalewska, wykład 5, 23.03.2005

Eksperyment ICARUS (Imaging Cosmic And Rare Underground Signals) Problematyka fizyczna: Badanie oddziaływań neutrin słonecznych, atmosferycznych, z wybuchu Supernowej i z wiązki akceleratorowej CNGS oraz poszukiwanie rozpadu protonu przy użyciu wielkich komór TPC wypełnionych ciekłym argonem. Dwa etapy: T600 - detektor o całkowitej masie 600 ton, instalacja 2004 T3000 - detektor o docelowej masie 3000 ton, instalacja 2007-2008, (prawdopodobnie tylko 1800 ton) A.Zalewska, wykład 5, 23.03.2005

ICARUS - wielkie komory TPC wypełnione ciekłym argonem  Wykorzystywane zjawisko jonizacji w ciekłym argonie wzdłuż torów cząstek naładowanych, trójwymiarowy obraz przypadku oddziaływania w oparciu o pomiar sygnałów na drutach (dwie współrzędne) i o pomiar czasu dryfu (trzecia współrzędna).  Uniwersalny detektor dla fizyki neutrin, pozwalający na równoczesne rejestrowanie oddziaływań neutrin słonecznych, atmosferycznych i neutrin z wiązki A.Zalewska, wykład 5, 23.03.2005

T600-pojedyncza komora TPC w fazie konstrukcji LAr Cryostat (half-module) View of the inner detector 4 m 4 m 20 m A.Zalewska, wykład 5, 23.03.2005

T600-dane z testów pierwszej komory TPC Nowatorska technika eksperymentalna: całkowicie elektroniczny detektor, dający trójwymiarowy obraz przypadku oddziaływania o jakości porównywalnej z obrazami z komór pęcherzykowych oraz bardzo dobry pomiar energii w oparciu o dE/dx na drutach. Przykładowy przypadek: Długi tor mionu (14m) oraz kaskada fotonowa rozpad mionu widoczne elektrony delta wzdłuż toru mionu A.Zalewska, wykład 5, 23.03.2005