Festiwal Nauki i Kultury Toruń, 2016 Wykład „noblowski” 2015: Fizyka Grzegorz Karwasz Wydział Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej UMK Festiwal Nauki i Kultury Toruń, 2016

Nagroda Nobla za rok 2015 w dziedzinie fizyki zostaje przyznana... Takaaki Kajita (ur. 1959) Arthur B. McDonald (ur. 1946) Copyright © The Nobel Foundation 2015

Nagroda Nobla za rok 2015 w dziedzinie fizyki zostaje przyznana za: za odkrycie oscylacji neutrin, co wskazuje, że neutrina mają masę MLA style: "Takaaki Kajita - Nobel Diploma". Nobelprize.org. Nobel Media AB 2014. Web. 18 Apr 2016. http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2015/kajita-diploma.html Copyright © The Nobel Foundation 2015

Nagroda Nobla za rok 2015 w dziedzinie fizyki zostaje przyznana... Copyright © The Nobel Foundation 2015

Nagroda Nobla za rok 2015 w dziedzinie fizyki zostaje przyznana za: Model Standardowy cząstek elementarnych zakłada istnienie trzech, bardzo małych i nieuchwytnych cząstek, zwanych neutrinami. W detektorze Super-Kamiokande, urządzeniu badawczych w kopalni w Japonii, w 1998 roku Takaaki Kajita badał neutrina powstające w reakcjach pomiędzy promieniowaniem kosmicznym i atmosferą Ziemi. W urządzeniu badawczym w kopalni w Kanadzie, w 2000 roku, Arthur McDonald badał neutrina powstające w reakcjach jądrowych w Słońcu. Badania pokazały rozbieżności, które zostały wyjaśnione zakładając, że neutrina zmieniają swój typ. To oznacza, że muszą mieć masę. Model Standardowy jednakże zakłada, że neutrina masy nie mają, więc musi on zostać poprawiony. Copyright © The Nobel Foundation 2015

Z czego (i jak) zbudowana jest materia? Filozofowie: Empedokles (i Arystoteles) Fizycy: CERN, Fermi Lab, Sudbury Neutrino Laboratory, Kamiokande, Gran Sasso, etc.

Jak fizycy odkrywają składniki materii? np. za pomocą akceleratorów Lepton τau G. Karwasz, Na ścieżkach fizyki współczesnej

Ale nie wszystko działa, jak pokazali nobliści AD 2015

Nagroda Nobla 2015: Fizyka

Nagroda Nobla 1903: Fizyka

Ta historia nazywa się: „Pracowita doktorantka” - w wieku 10 lat traci mamę - w wieku 15 lat kończy szkołę średnią, uzyskując złoty medal do 24 roku życia pracuje jako prywatna nauczycielka nie zostaje przyjęta na studia w Warszawie (jako kobieta) - wyjeżdża do Paryża, do siostry (zamężnej z lekarzem) - mając 26 lat uzyskuje tytuł Licencjata z Fizyki - mając 27 lat uzyskuje tytuł Licencjata z Matematyki http://dydaktyka.fizyka.umk.pl/Wystawy_archiwum/z_omegi/curie.html

w wieku 28 lat wychodzi za mąż i wraz z mężem wyrusza w podróż poślubną na rowerach kupionych za pieniądze otrzymane od kuzyna Radium Institute, Paris, 2005, Foto GK

pomiędzy 28 a 30 rokiem życia pracuje naukowo w oparciu o fundusze ze stypendium badawczego Radium Institute, Paris, 2005, Foto GK

w wieku 30 lat rodzi córkę i rozpoczyna studia doktoranckie, w czasie których buduje układ do pomiaru słabych prądów, w tym czasie jej córką opiekuje się teść W trakcie prac badawczych, przetwarza chemicznie (kropla po kropli) półtorej tony radioaktywnej rudy uranowej. Kartki dziennika laboratoryjnego, który prowadziła, do tej pory pozostają radioaktywne.

W 1903 roku wraz z mężem otrzymuje nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za: „ogromny wkład pracy w zrozumienie zjawiska odkrytego przez Henry Becquerela" (czyli „odkrycie zjawiska naturalnej promieniotwórczości").

W 1911 roku otrzymuje nagrodę Nobla w dziedzinie chemii za: „ogromny wkład w rozwój chemii poprzez odkrycie pierwiastków chemicznych - polonu i radu, ich wyodrębnienie i badania związków chemicznych tych niezwykłych pierwiastków” Nagrodę odbiera z córką Irene

Maria Curie, spośród wszystkich możnych tego świata jest jedyną, której nie zepsuła sława. Albert Einstein

Mme Sklodowska-Curie: Rozprawa Doktorska Cząstki alfa niosą ładunek dodatni, cząstki beta – ujemny, a promieniowanie gamma nie niesie ładunku. Cząstki alfa i beta różnią się masą (lub energią) http://www.chemteam.info/Radioactivity/Disc-of-Radioactivity.html

Neutron = neutralny proton Układ Mendelejewa: - masa helu (Z=2) wynosi 4 masy wodoru (Z=1). Spektrometria masowa (Aston, 1919): izo-topy, np. neon A= 20, 21, 22 Bothe, Becker (1930) Po → α α + Be → ?? (przenikliwe promienie) Małżeństwo Joliot-Curie (1931): α + parafina → ?? Enrico Majorana: „odkryli neutralne protony, ale się nie zorientowali” Enrico Fermi (1934): badania rozpraszania neutron + atom 1935 – nagroda Nobla dla Jamesa Chadwicka za „odkrycie” neutronu

Z czego (i jak) zbudowana jest materia? Z protonów, neutronów i elektronów Elektron: masa 9,11x10-31kg, ładunek qe= -1,6x10-19C Proton – masa 1836 me , ładunek q= +qe Neutron – masa 1837 me, ładunek q=0

Mme Sklodowska-Curie: jeszcze raz... „Houston: we have a problem”... http://www.chemteam.info/Radioactivity/Disc-of-Radioactivity.html

Zasięg beta nie jest dobrze określony! Zasięg cząstek alfa z dwóch różnych izotopów radu – dobrze zdefiniowany (pomiary Joliot-Curie) Zasięgi cząstek beta są różne Nie zgadza się bilans energii! http://dydaktyka.fizyka.umk.pl/Wystawy_archiwum/z_omegi/curie4.html https://commons.wikimedia.org/wiki/File:RaE1.jpg (HPaul)

Rozpady alfa, rozpady beta Rozpad alfa: emisja dwóch protonów i dwóch neutronów (w postaci „zlepku” – jądra helu 42He) np. 21084 Po → 20682Pb + 42He (+ 5,4 MeV) Henri Becquerel 27-28.02.1896 (pochmurne dni w Paryżu) Rozpad beta: emisja elektronu np. 4019K → 4020Ca + 0-1e + ? czyli 10n → 11p + 0-1e + ? Ładunek się zgadza, ale nie zgadza się spin: ½ + ½ = ½ (!)

Pauli i n(i)eutrina Teraz można zapisać rozpad beta jako: Wolfgang Pauli był naukowcem na "nie". Zakaz Pauliego, że dwa elektrony, nie mogą zajmować tego samego stanu kwantowego, leży u podstaw całej chemii Aby wyjaśnić ciągły rozkład energii elektronów (i pozytonów) emitowanych w rozpadach beta, w 1930 roku Pauli zasugerował istnienie nowej cząstki, tak małej, że "jej nie znajdziecie nigdy". Została ona nazwana przez Fermiego neutrinem i odkryta doświadczalnie dopiero w 1956 roku przez C. Cowana i F. Reinesa. Teraz można zapisać rozpad beta jako: 10n → 11p + 0-1e + 00v to (anty)neutrino unosi brakującą energię i spin (C) G. Karwasz, On the track of Modern Physics, Trento, 2003 http://dydaktyka.fizyka.umk.pl/Wystawy_archiwum/z_omegi/pauli.html

Neutrino = cząstka nieuchwytna Najbardziej przenikliwe (ze znanych nam) cząstki elementarne (ale im szybsze, tym mniej przenikliwe) ze środka Słońca (R=0,7 mln km) wychodzi ich co najmniej 99.996% przechodząc przez kulę ziemską (zrobioną z ołowiu) zatrzymuje się 0,004% przez każdy cm2 naszego ciała przechodzi ich 7x1010 /s (głównie ze Słońca)

Neutrino = najbardziej rozpowszechniona cząstka elementarna Liczba neutrin we Wszechświecie przekracza liczbę elektronów, protonów i neutronów o czynnik ∼1010 [Physics 18/04/2016]. skąd one pochodzą (Wielki Wybuch)? dlaczego jest tak mało antymaterii we Wszechświecie? ile jest typów neutrin? czy ciężkie neutrina są cięższe od lżejszych?

Clyde Covan, Frederic Reines (1956): neutrina z reaktora jądrowego Odwrócenie reakcji Fermiego: ν + p+ → n0 + e+ [dodatni elektron, czyli pozyton] e+ + e - → 2γ (511 keV) n0 + 108Cd → 109Cd + γ (411 keV, 20 μs) - (anty)neutrina z reaktora jądrowego (z rozpadów beta) - 200 litrów wody + 40 kg CdCl2 do wychwytu neutronów - detekcja kwantów gamma - zaobserowano 3 neutrina/godz. - zliczenia ustawały, gdy reaktor wyłączano

Nagroda Nobla 1995 Przekrój „czynny”: 10-44 cm2 (droga neutrin: 1600 lat świetlnych) http://lappweb.in2p3.fr/neutrinos/anhistory.html

A w międzyczasie...  0 + - p n - Promienie kosmiczne zostało odkryte przez Victora F. Hessa (1912). Zarejestrował je z pomocą elektrometru wyniesionego w balonie na dużą wysokość. W 1936 roku otrzymał nagrodę Nobla. Okazało się, że w strumieniach cząstek promieniowania kosmicznego są cząstki nieznane, a masach mniejszych niż proton i neutron, a większych niż elektron Nazwano je „średniakami”, czyli mezonami. Jedne literą π, pionami, inne – μ, czyli mionami. n p  + 0 - -

Leptony, hadrony, kwarki... proton: masa 1836 me Neutron: masa 1837 me Izospin=1/2 Masa m=938.27231 ±0.00028 MeV (=1836 masy elektronu) Moment dipolowy D= (-3,7±6,3)x10-23 e cm Moment magnetyczny m= 2,792847386 ± 0,000000066 μB Czas życia t=1,6x1025 lat (>>niż czas życia Wszechświata =14,5x109 lat) Izospin=1/2 Masa m=939.56563 ±0.00028 MeV (trochę więcej niż proton)) Moment dipolowy D< 12x10-26 ecm Moment magnetyczny m= -1,91304275±0,000000456 μB Ładunek elektryczny q=(-0,4±1,1)x10-21 e (czytaj zero!) Czas życia t=888,65 ± 3,5 s (= kwadrans akademicki!)

1º, 2º, 3º generacja leptonów i kwarków Leptony: 1. Elektron - masa 0.511 MeV/c2 2. Muon – masa 208 me 3. Tau – masa 3477 me Kwarki 1a. up - masa ~3 MeV 1b down – masa ~5 MeV 2a. charm – masa 1,5 GeV 2b. strange – masa 0,12 GeV 3a. top – masa 172 GeV 3b. bottom – masa 4,7 GeV

Słońce: termonuklearny piec 1H + 1H → 2D + e+ + ve e+ + e- → 2γ 1H + 2D → 3He + γ 3He + 3He → 4He + 1H + 1H + ve (~85 % strumienia neutrin) 3He + 4He → 7Be + γ 7Be + e- → 7Li + ve 7Li + 1H → 4He + 4He + ve (~15% strumienia) 7Be + 1H → 8B + γ etc.

Produkcja neutrin w Słońcu - W każdym procesie wydziela się inna energia: dlatego neutrina mają rozkład energii „do wartości maksymalnej” - Różne eksperymenty mają określoną minimalną czułość (na skali energii) http://lappweb.in2p3.fr/neutrinos/anexp.html

Detekcja neutrin ze Słońca Raymond Davis: v + n → p + e czyli v + 37Cl → 37Ar + e - Zbiornik 380 m3 z tanim rozpuszczalnikiem (C2Cl4) 1500 m pod ziemią, w kopalni złota w Dakocie (aby nie docierały miony) - co parę tygodni przepłukowane helem, dla zebrania radioaktywnego 37Ar John N. Bahcall: oczekiwane 1,5 atomu 37Ar dziennie Wynik: 1/3 przewidywanego strumienia (!) https://en.wikipedia.org/wiki/Homestake_experiment http://www.wikiwand.com/de/Homestake-Experiment

„Houston: we have again (and now serious) problem”: nie działa Słońce! Okonow, Wardenga, Wszechświat cząstek, 1972 Gribov, Bruno Pontecorvo (1968): zamiana neutrin mionowych na elektronowe

Wspomnienia skazańca „Kiedy w 1999 roku pierwsze pomiary całkowitego strumienia neutrin słonecznych wyjaśniły niepowodzenie moich [naszych] doświadczeń [obliczeń], poczułem się jak skazaniec, który dzięki nowym badaniom DNA został uniewinniony” (R. Davis, J. Bahcall )

Ale, jeśli jest ciężki elektron, to może... jest też neutrino mionowe? TAK! Rozpędzano protony w akceleratorach

Promieniowanie Czerenkova, to światło emitowane (do przodu), gdy cząstka porusza się szybciej niż światło w danym ośrodku. Jest to efekt relatywistyczny – coś w rodzaju fali uderzeniowej, przez samolot poruszający się z prędkością ponad-dźwiękową. http://www.hyper-k.org/en/cherenkov.html http://large.stanford.edu/courses/2014/ph241/alaeian2/ http://cnx.org/content/m42712/latest/?collection=col11406/latest https://www.youtube.com/watch?v=m_SyB7AUh40&NR=1&feature=endscreen

Promieniowanie kosmiczne, to głównie wysoko-energetyczne protony z wiatru słonecznego. Hamowane w atmosferze wytwarzają kaskadę cząstek: najpierw piony (czyli zlepek kwarku up i down), które rozpadają się na miony (czyli ciężkie elektrony, 208 me) emitując neutrino vμ a te z kolei na elektrony (znów emitując neutrino vμ i dodatkowo ve) pion ujemny rozpada się na mion μ- i antyneutrino mionowe π- → μ- + vμ μ- → e- + νe + vμ pion dodatni rozpada się na anty-mion μ+ π+ → μ+ + vμ μ+ → e+ + νe + vμ W każdym razie należy się spodziewać dwa razy więcej neutrin mionowych niż elektronowych http://www.hawc-observatory.org/science/cosmicrays.php http://hep.bu.edu/~superk/atmnu/ http://www.americaspace.com/?p=71721

Detekcja neutrin kosmicznych Strumień neutrin: 6.4x1010/cm2s

T. Kajita: (Super)Kamiokande Experiment 5000 ton wody, 1000 detektorów 1 km po ziemią Ale neutrin (mionowych) było za mało o czynnik 2... Takaaki Kajita (PhD Student): „Wyglądało na to, że pomyliłem się w modelowaniu” [Nobel Speech, 2015] SuperKamiokande (1997): 50 tys. ton wody, 11 tys. detektorów T. Kajita, Nobel Lecture, 2015, (C) Nobel Foundation

Oscylacje neutrin? T. Kajita, Nobel Lecture, 2015, (C) Nobel Foundation

(Super)Kamiokande Experiment skąd nadlatują neutrina (dzień, noc)? Strumień z góry: up/down = 0.93+0.13-0.12 Strumień z dołu: up/down = 0.54+0.03-0.05 Wyniki potwierdzone przez inne eksperymenty – włoski i amerykański [TK, 2015] Wniosek: neutrina muszą „znikać”, a raczej wzajemnie się zmieniać Neutrina mionowe zamieniają się w inne (tau!): neutrina mają masę!

Oscylacje neutrin! T. Kajita, Nobel Lecture, 2015, (C) Nobel Foundation

Oscylacje neutrin: vμ → vτ T. Kajita, Nobel Lecture, 2015, (C) Nobel Foundation

McDonald: Sudbury Neutrino Observatory 2100 m pod ziemią, kopalnia niklu - ciężka woda (D2O) wartości 300 mln $ pożyczona od rządu USA za 1$ - 10-piętrowy zewnętrzny zbiornik (34 m wysokości) - w środku akrylowa kapsuła ø 12 m z D2O - na zewnątrz superczysta woda (bez Rn) - 9500 detektorów (fotopowielaczy) - tło radioaktywne 1 mld razy mniejsze niż w kranie - 1 mln części zwiezionych w windzie górniczej - pracownicy brali prysznic 70 tys. razy ... http://www.sno.phy.queensu.ca/sno/images/publicity_photos/index.html

Sudbury Neutrino Observatory Trzy metody detekcji neutrin: 1) Reakcja z zamianą ładunku: ve + d [=p+n] → e- + p+ + p+ (Eth=1.4 MeV) 2) Rozbicie jądra deuteronu: vx + d → vx + n + p (Eth=2.2 MeV) 3) Reakcja rozpraszania na elektronach: vx + e- → vx + e- Trzy metody detekcji neutronów: D2O, NaCl, 3He – liczniki proporcjonalne (400 mb!) http://www.sno.phy.queensu.ca/sno/images/publicity_photos/index.html

Wynik: neutrina elektronowe to tylko 1/3 wszystkich neutrin docierajacych ze Słońca! McDonald Nobel Lecture, 2015, (C) Nobel Foundation

Wynik: teoria reakcjie termojądrowych w Słońcu jest poprawna! McDonald Nobel Lecture, 2015, (C) Nobel Foundation

Wniosek: „zapach” neutrin oscyluje McDonald Nobel Lecture, 2015, (C) Nobel Foundation

Skąd się bierze masa? Sudbury: „nieco światła na najbardziej zagadkowy aspekt wszechświata – pochodzenie masy” [1] hierarchia mas neutrin? Sudbury: Δm12= +7.6x10-5 (eV)2 Δm32= -2.4x10-3 (eV)2 vτ > 0.05 eV [1] K. N. Abazajian et al., “Neutrino Physics from the Cosmic Microwave Background and Large Scale Structure,” Astropart. Phys. 63, 66 (2015).

Astronomia neutrinowa (SN1987A) Wielki Obłok Magellana (168 tys. lat świetlnych) 07:35 Kamiokande II 11 antyneutrin IMB, 8 antyneutrin; Baksan, 5 antyneutrin; w serii trwającej mniej niż 13 sekund. Było to 3 godziny przed wybuchem widzianym optycznie: neutrina dotarły wcześniej! Remnant of SN 1987A seen in light overlays of different spectra. ALMA data (radio, in red) shows newly formed dust in the center of the remnant. Hubble (visible, in green) and Chandra (X-ray, in blue) data show the expanding shock wave.[1] [Wikipedia]

Jak eksplodują gwiazdy supernowe? Oczekiwany strumień neutrin, gdyby wybuchła supernowa gdzieś w połowie naszej Galaktyki Np. czerwony, pulsujący gigant w Orionie, Betelgeza, 640 lat świetlych od nas

Badania w toku... W 2003 r laboratorium Kamioka przekazało kolejną sensacyjną nowinę [3]: antyneutrina pochodzące z japońskiego reaktora zniknęły w tajemniczy sposób. Jedynym wyjaśnieniem tego zjawiska było założenie, że neutrino elektronowe w trakcie lotu zmieniło swój smak, stając się neutrinem mionowym. A więc mają masę! Różnice mas tych dwóch typów neutrin νe i νμ są bardzo małe i wynoszą: Δm=6.9x10-5 eV2 Wycelować strumieniem neutrin z akceleratora w duży, odległy detektor: CERN → Gran Sasso FermiLab → NOvA itd. http://physics.aps.org/articles/v9/39 (18/04/2016[1] Ashie Y et al. Evidence for an oscillatory signature in atmospheric neutrino oscillations, Phys. Rev. Lett. 93 (10): Art. No. 101801 . [2] Q.R Ahmed et al. Measurements of the rate of ve+d_>p+p+e= interactions produced by B solar neutrinos at the Sudbury Neutrino Observatory, Physical Review Letters 87 (7): Art. Nr 071301 Aug 13 2001 [3] K. Eguchi, et al. First Results from KamLAND: evidence for Reactor Antineutrino Dissaperance, Physical Review Letters 90 (2): Art. No. 021802 Jan 17 2003 http://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/sk/pub/200407/index.html

Nagroda Nobla za rok 2015 w dziedzinie fizyki zostaje przyznana... Copyright © The Nobel Foundation 2015

Nagroda Nobla za rok 2015 w dziedzinie fizyki zostaje przyznana Nagroda Nobla za rok 2015 w dziedzinie fizyki zostaje przyznana... (and their spouses) Copyright © The Nobel Foundation 2015

Prace (fizyków i astronomów) w toku... Dziękuję za uwagę! http://dydaktyka.fizyka.umk.pl