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- Eksperymenty akceleratorowe Eksperymenty reaktorowe Pomiary masy neutrin Podwójne bezneutrinowe rozpady beta (neutrina Majorany?) Neutrina z supernowych Rola neutrin w ewolucji Wszechświata Fizyka cząstek II D.Kiełczewska wyklad neutrino 1

Wykład I Krótka historia neutrin Fizyka cząstek II D.Kiełczewska wyklad neutrino 1

1913-1930: Zagadka rozpadów beta Ówczesny model jądra (A,Z): A protonów + (A-Z) elektronów Problemy: Ciągłe widmo – sprzeczne z rozpadem dwuciałowym (A,A-Z) (A,A-Z-1) + e- W rozpadach typu: dla obu jąder zmierzono spin całkowity Dla jądra zmierzono spin=1 - nie pasuje dla 14+(14-7)=21 fermionów Fizyka cząstek II D.Kiełczewska wyklad neutrino 1

“Desperackie lekarstwo” Pauliego (1930) ν e “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 Fizyka cząstek II D.Kiełczewska wyklad neutrino 1

Fizyka cząstek II D.Kiełczewska wyklad neutrino 1 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 cm2 na oddziaływanie: F. Reines, Prog. Part. Nucl. Phys, 32 (1994) 1 Rozmowa z Fermim w 1951: Bomba jako źródło ale jaki detektor? Fizyka cząstek II D.Kiełczewska wyklad neutrino 1

Eksperyment Reinesa i Cowana Liquid scintillator Water, Cadmium chloride Liquid scintillator Fizyka cząstek II D.Kiełczewska wyklad neutrino 1

Reines i Cowan: odkrycie neutrin Reaktor w Savannah River: Detektor: 12 m pod ziemią: scyntil water scyntil water scyntil Osilosope pitures of posiblee interations with deted photns as o i- atedwithpotrnanihlaion(lt)andayedsignlfemgamasfereutrn pure(righ).Uperpta)represtsnvtwhrtwouperde toslabsde- te dsnal,whilthebomi tub)showathemidlslabandtheotm slabe tedsgnal[4℄. W 1956 telegram do Pauliego: „We are happy to inform you that we have definitely detected neutrinos...” 1995 nagroda Nobla dla Reinesa Fizyka cząstek II D.Kiełczewska wyklad neutrino 1

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 COMPLETE Focus story at http://focus.aps.org/story/v22/st19 W uniwersalne zach parzystosci wierzono od Wignera w 1927 r. Ale rozpady K zasugeroaly Lee i Yangowi ze w oddz slabych moze nie jest zacowana Fizyka cząstek II D.Kiełczewska wyklad neutrino 1

Odkrycie niezachowania parzystości Próbka 60Co w temp. 0,01K wewnątrz solenoidu (częściowa polaryzacja jąder) Okazało się, że więcej elektronów miało pędy skierowane przeciwnie niż spiny 60Co (oraz elektronów!). W sumie różne pomiary pokazały: W uniwersalne zach parzystosci wierzono od Wignera w 1927 r. Ale rozpady K zasugeroaly Lee i Yangowi ze w oddz slabych moze nie jest zacowana Fizyka cząstek II D.Kiełczewska wyklad neutrino 1

Pomiar skrętności neutrina – eksperyment Goldhabera et al. (1958) Z hipotezy Pauliego: spin neutrina=1/2 Ale jaka skrętność ? Dla bezmasowych neutrin spodziewano się: albo Okazało się że: Neutrina towarzyszące pozytronom są lewo-skrętne, a elektronom prawo-skrętne Polecam opis dr. Grzegorza Brony. Fizyka cząstek II D.Kiełczewska wyklad neutrino 1

Eksperyment Goldhabera Wychwyt elektronu K Całkowity moment pędu stanu początkowego to spin wychwyconego elektronu Czyli w stanie końcowym: spiny muszą być przeciwnie skierowane Czyli jądro odrzutu ma taką samą skrętność jak neutrino tzn. spin albo zgodny albo przeciwny z wektorem prędkości tzn. RH lub LH spin electron capture in Europium Nie wiemy jak w przestrzeni jest ustawiony spin elektronu K, ale wiemy, jak musza byc skorelowane spiny i skretnosci dwoch czastek stanu koncowego. Ponadto: skoro spin neutrina musi byc rownolegly z jego predkoscia to to samo dotyczy jadra, czyli jadro musi byc tez „spolaryzowane”. prędkość spin prędkość Fizyka cząstek II D.Kiełczewska wyklad neutrino 1

Eksperyment Goldhabera c.d. RH LH gamma musi wynieść spin wzbudzonego jądra! dalej: Rozważmy przypadek LH: Tak samo można pokazać,że: Jeśli gamma wysłana do przodu Jeśli gamma wysłana do tyłu W przypadku RH γ wysłana do przodu musi być RH spiny Stąd: skrętność gammy do przodu musi być taka sama jak skrętność neutrin!! prędkość Czyli γ do przodu musi być LH Fizyka cząstek II D.Kiełczewska wyklad neutrino 1

Eksperyment Goldhabera cd. Czyli musimy: wybrać gammy do przodu (względem pędu jądra odrzutu) zmierzyć ich skrętność Do wyboru gamm do przodu użyli „rozpraszania rezonansowego”: które może zajść tylko dla „gamm do przodu” bo mają trochę większą energię niż energia wzbudzenia 152Sm* ( część energii gammy idzie na wzbudzenie, a część na pęd pośredniego jądra) Wybierajac gammy do przodu (wzgledem ruchu jadra) mamy 3 czastki kolinearne tzn neutrina do tylu Fizyka cząstek II D.Kiełczewska wyklad neutrino 1

Schemat eksperymentu Goldhabera Do NaI (na dole) trafiają gammy, które rozproszyły się rezonansowo w Sm2O3 czyli „gammy do przodu” Gammy przechodzą przez żelazo, którego elektrony są spolaryzowane przez pole B 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 O polaryzacji elektronów mówi nam kierunek pola mgt Ten trojtlenek samaru jest w ksztalcie pierscienia a NAI w ksztalcie cylindra. Fizyka cząstek II D.Kiełczewska wyklad neutrino 1

Wynik eksperymentu Goldhabera + lub – oznacza kierunek pola magnetycznego polaryzującego spiny elektronów żelaza, które działają jak polarymetr dla gamm W rezultacie wyznaczono skrętność neutrin: Czyli reasumujac: a) mierzone sa tylko „forward gammas” b) te forward gammas maja taka sama helicity jak neutrina c) porownujac ile gamm dociera do NaI w zaleznosci od ustawienia pola mozna stwierdzic jaka helicity wsrod nich dominuje Fizyka cząstek II D.Kiełczewska wyklad neutrino 1

Fizyka cząstek II D.Kiełczewska wyklad neutrino 1 Skrętność neutrin Neutrino Anti Neutrino Fizyka cząstek II D.Kiełczewska wyklad neutrino 1

Fizyka cząstek II D.Kiełczewska wyklad neutrino 1 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 Fizyka cząstek II D.Kiełczewska wyklad neutrino 1

Fizyka cząstek II D.Kiełczewska wyklad neutrino 1 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 Fizyka cząstek II D.Kiełczewska wyklad neutrino 1

Fizyka cząstek II D.Kiełczewska wyklad neutrino 1 Detekcja νμ Nagroda Nobla 1988: Lederman, Schwartz i Steinberger Protony 15GeV z akceleratora AGS Brookhaven (2-4 x1011 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 νe w wiązce Fizyka cząstek II D.Kiełczewska wyklad neutrino 1

Oddziaływanie neutrina w komorze pęcherzykowej Gargamelle Odkrycie prądów neuralnych 1973 Z wierzchołka nie wychodzi żaden mion D. Kiełczewska, wykład 6

Liczenie zapachów neutrin w LEP Fizyka cząstek II D.Kiełczewska wyklad neutrino 1

Fizyka cząstek II D.Kiełczewska wyklad neutrino 1 Detekcja ντ – wyzwanie! 2000 ντ 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 1013 neutrin, zarejestrowano ok. 1000 oddz. ν int, z których 4 zidentyfikowano jako ντ DONUT szukał rozpadów na jedną naładowaną cząstkę (86% rozpadów tau) Fizyka cząstek II D.Kiełczewska wyklad neutrino 1

Fizyka cząstek II D.Kiełczewska wyklad neutrino 1 Detekcja ντ – DONUT Protony 800 GeV produkowały mezony zawierające kwarki c i s: emulsion can resolve particle tracks to less than 1 microm Fizyka cząstek II D.Kiełczewska wyklad neutrino 1

Fizyka cząstek II D.Kiełczewska wyklad neutrino 1 Detection of ντ 2000 Fizyka cząstek II D.Kiełczewska wyklad neutrino 1

Fizyka cząstek II D.Kiełczewska wyklad neutrino 1 Po co są 3 generacje? Neutrino mogą pomóc w znalezieniu odpowiedzi? Fizyka cząstek II D.Kiełczewska wyklad neutrino 1

Fizyka cząstek II D.Kiełczewska wyklad neutrino 1 Model Standardowy Generation I Generation II Generation III Leptons Quarks Gauge Bosons gluons Fizyka cząstek II D.Kiełczewska wyklad neutrino 1 >>>