Fizyka neutrin – wykład 3 Agnieszka Zalewska 9.03.2005 Własności neutrin – najważniejsze pomiary: Pierwsza obserwacja oddziaływań (anty)neutrin Niezachowanie parzystości P w słabych oddziaływaniach Pomiar skrętności neutrin Liczba zapachów neutrin – odkrycie nm i nt Odkrycie prądów neutralnych Pomiar sin2qW

„Zrobiłem straszną rzecz „Zrobiłem straszną rzecz. Zaproponowałem cząstkę, która nie może być wykryta. To jest coś, czego teoretyk nie powinien nigdy robić” Wolfgang Pauli Ostatecznie Pauli postanowił dać szansę doświadczalnikom i obiecał skrzynkę szampana temu, kto pierwszy zaobserwuje oddziaływania neutrin 25 lat później ... A.Zalewska, wykład 2, 2.03.2005

Prawdopodobieństwo oddziaływania neutrin Radioaktywny jądrowy rozpad b: n  p + e- +ne ma typowo czas rozpadu ok. 15 minut i daje antyneutrino o energii około 1 MeV Odwrotnie, jeśli zachodzi absorpcja neutrina: ne + n  p + e- w ciągu 15 minut neutrino, poruszając się z prędkością światła, przeszłoby 300 000 000 km, jeśli by przechodziło przez materię tak gęstą jak jądra atomowe. Atomy zwykłej materii są około 10000 razy większe niż ich jądra. Wobec tego na jednostkę powierzchni neutrino znajduje (10000)2 razy mniej neutronów. Aby zostać zaabsorbowane, musi więc przebyć drogę 30 000 000 000 000 000 km ... Czyli Wszechświat jest praktycznie przeźroczysty dla neutrina A.Zalewska, wykład 2, 2.03.2005

Skrajny sposób na obejście trudności Reines and Cowan, 1946 Projekt prowadzenia eksperymentu podczas próby wybuchu jądrowego A.Zalewska, wykład 2, 2.03.2005

Pierwsza obserwacja oddziaływań ne Eksperyment Reinesa-Cowana 1953 – pomiary przy siłowni jądrowej Hanford – niekonkluzywne 1955 – poprawiony eksperyment przy siłowni w Savanah River, dwa 200-litrowe baniaki wypełnione wodą z dodatkiem CdCl2 między warstwami scyntylatora z odczytem sygnału przez fotopowielacze, detektor umieszczony 12m pod ziemią w odległości 11m od reaktora, dającego strumień 1013 antyneutrin/cm2s Sygnatura: dwa fotony w przeciwnych kierunkach w opóźnionej koincydencji (kilka ms) z fotonami z wychwytu n A.Zalewska, wykład 2, 2.03.2005

Pauli twierdził, że je wysłał... Reines i Cowan twierdzili, że nigdy nie dostali ani odpowiedzi na ten telegram, ani obiecanej skrzynki szampana... Pauli twierdził, że je wysłał... Po śmierci Pauliego jego asystent znalazł wśród papierów niewysłany list gratulacyjny... A.Zalewska, wykład 2, 2.03.2005

in Liquid Scintillator Reactor ne Detection in Liquid Scintillator A.Suzuki at Neutrino telescopes 2003 ~210 ms A.Zalewska, wykład 2, 2.03.2005

From Gomez-Cadenas, CERN, 2004 Parzystość P From Gomez-Cadenas, CERN, 2004 A.Zalewska, wykład 2, 2.03.2005

Łamanie parzystości P w słabych oddziaływaniach Intrygujący fakt doświadczalny – obserwacja rozpadów mezonów K+ na 2p i na 3p (układy o przeciwnych parzystościach) 1956 – Lee i Yang stwierdzają, że w słabych oddziaływaniach parzystość nie jest zachowywana A.Zalewska, wykład 2, 2.03.2005

Eksperyment pani Wu Koncepcja: pomiar elektronów z rozpadu 60Co  60Ni + e- +  w polu magnetycznym, w temepraturze 0.01K. Spiny jąder 60Co ustawiają się wzdłuż kierunku pola magnetycznego. Przy zachowaniu parzystości P intensywność elektronów emitowanych zgodnie i przeciwnie do kierunku pola magnetycznego powinna być taka sama Pomiar wykazał asymetrię rozkładu elektronów – więcej było rejestrowanych w kierunku przeciwnym do spinów jąder 60Co A.Zalewska, wykład 2, 2.03.2005

Wyznaczenie skrętności neutrina 1958 - Eksperyment Goldhabera, Grodzinskiego, Sunyara Skrętność to rzut spinu na kierunek pędu – dobra liczba kwantowa dla cząstek bezmasowych, dla innych h=v/c A.Zalewska, wykład 2, 2.03.2005 Rysunki wg Perkinsa

Eksperyment Goldhabera – c.d. 1958 - Eksperyment Goldhabera, Grodzinskiego, Sunyara Skrętności neutrina i jądra są jednakowe Skrętności fotonu lecącego do przodu i neutrina są jednakowe A.Zalewska, wykład 2, 2.03.2005

Eksperyment Goldhabera – c.d. Fotony przechodzą przez żelazo znajdujące się w polu magnetycznym, a więc o spolaryzowanych elektronach Oddziałują silniej z elektronami o spinie antyrównoległym do kierunku swojego spinu A.Zalewska, wykład 2, 2.03.2005

Odkrycie neutrina mionowego νμ Intrygujący fakt braku pewnych rozpadów m, np. me+g, m3e czyżby z mionem związane było jego neutrino, inne niż n elektronowe? Rok 1962 - eksperyment przy akceleratorze w Brookhaven: Wiązka protonów z akceleratora zderzana była z tarczą, w wyniku czego powstawały cząstki wtórne – głównie mezony p. Piony rozpadały się na miony i neutrina. Miony zatrzymywane były przez absorbent na ich drodze, a neutrina kierowane były do detektora, zbudowanego z absorbenta i komór iskrowych. A.Zalewska, wykład 2, 2.03.2005

Odkrycie neutrina mionowego νμ Idea eksperymentu – należy zbadać oddziaływania neutrin z rozpadów p. Jeśli w ich wyniku powstawać będą miony, tzn. że neutrino towarzyszące mionowi w rozpadzie pionu jest inne niż neutrino towarzyszące elektronowi w rozpadzie b. Wynik: na 40 zarejestrowanych oddziaływań zaobserwowano 34 miony i 6 elektronów (zgodnie z oszacowaniem tła) Rok 1987 - Nagroda Nobla dla L.Ledermana, J.Steinbergera i M.Schwartza za odkrycie oddziaływań νμ A.Zalewska, wykład 2, 2.03.2005

ντ – całkiem długa historia  1975 — odkrycie leptonu τ na akceleratorze SPEAR; bardzo naturalne założenie o istnieniu odpowiadającego mu neutrina ντ  1986 — E531 stwierdza brak sprzężeń νe, νμ do leptonu τ  lata 80-90 — badania rozpadów leptonu τ: CLEO, ARGUS, eksperymenty przy akceleratorze LEP  1989 — LEP stwierdza istnienie trzech lekkich neutrin  1998 — SuperKamiodande wskazuje na oscylacje νμ <=> ντ  2000 — DONUT: pierwsza bezpośrednia obserwacja oddziaływań ντ A.Zalewska, wykład 2, 2.03.2005

Odkrycie leptonu τ Interpretacja: 1975 - M.Perl i in. - poszukiwanie takich przypadków oddziaływań e+e-, gdzie w stanie końcowym był tylko mion i elektron o przeciwnych ładunkach Interpretacja: 1995 - Nagroda Nobla dla M.Perla za odkrycie τ i dla F.Reinesa za pierwszą obserwację oddziaływań νe A.Zalewska, wykład 2, 2.03.2005

Rozpady leptonu τ Wyniki eksperymentów ARGUS, CLEO i czterech eksperymentów przy akceleratorze LEP: A.Zalewska, wykład 2, 2.03.2005

Masa i czas życia leptonu τ Masa ντ < 18.2 MeV - wyznaczona w oparciu wysokokrotne rozpady τ (> 5 cząstek naładowanych) w eksperymentach przy akceleratorze LEP Czas życia ττ = (290.6±1.1)x10-15 s cττ = 87.11 mikronów - główny wkład od eksperymentów przy akceleratorze LEP A.Zalewska, wykład 2, 2.03.2005

Eksperyment DONUT CEL: bezpośrednia obserwacja oddziaływań typu CC („charged current”) neutrina taonowego POPRZEZ: lokalizację i identyfikację rozpadów leptonu τ w detektorze wyposażonym w tarczę z emulsji jądrowej i spektrometr elektroniczny A.Zalewska, wykład 2, 2.03.2005

Eksperyment DONUT — wiązka neutrin A.Zalewska, wykład 2, 2.03.2005

Eksperyment DONUT — spektrometr A.Zalewska, wykład 2, 2.03.2005

DONUT — przypadek oddziaływania ντ A.Zalewska, wykład 2, 2.03.2005

Istnieją trzy rodzaje lekkich neutrin 1989: pierwszy rok zbierania danych w czterech eksperymentach przy akceleratorze LEP, wyznaczona zostaje liczba lekkich neutrin (a tym samym liczba rodzin kwarkowo-leptonowych) Pomiar szerokości Z0 jest konsystentny z trzema rodzajami lekkich neutrin (sprzęgających się do Z0) 2000: w oparciu o wszystkie dane z czterech eksperymentów LEP-owskich (PDG 2000): Nν = 2.994 ± 0.012 (fity SM do danych) Nν = 3.00 ± 0.06 (z bezpośredniego pomiaru) A.Zalewska, wykład 2, 2.03.2005

Odkrycie prądów neutralnych 1973 – w komorze pęcherzykowej Gargamelle na wiązce nm w CERN-ie proton beam target pion, kaon neutrino decay tunnel muon monitors steel rock detector Gargamelle A.Zalewska, wykład 2, 2.03.2005

Przykłady zarejestrowanych oddziaływań A.Zalewska, wykład 2, 2.03.2005

Wyniki pomiarów w Gargamelle Oddziaływania NC – brak mionu, wszystkie cząstki wtórne zidentyfikowane jako hadrony i wewnątrz detektora Oddziaływania CC – dobrze widoczny mion wzdłuż kierunku wiązki, opuszczający detektor Wiązka neutrin – 102 NC, 428 CC, 15 przypadków oddz. neutronów Wiązka antyneutrin – 64 NC, 148 CC, 12 przypadków oddz. neutronów (NC/CC)neutrino=0.21±0.03 sin2qW=0.3-0.4 (NC/CC)antineutrino=0.45±0.09 A.Zalewska, wykład 2, 2.03.2005

Dalsze pomiary sin2qW sin2qW=0.233 ± 0.003 ± 0.005 Eksperymenty CDHS, CHARM i w komorze pęcherzykowej BEBC sin2qW=0.233 ± 0.003 ± 0.005 Obecnie:0.2312 ± 0.0002 A.Zalewska, wykład 2, 2.03.2005

Oddziaływania neutrin To, jaki proces oddziaływania neutrina z materią detektora dominuje, zależy od energii neutrina E czyli odpowiadającej jej długości fali l=h/E Dla h=c=1 1 Gev-1 = 0.2 fm Rprotonu  0.8 fm oddziaływanie z elektronem na orbicie atomowej oddziaływanie z całym jądrem – gdy l rozmiaru jądra oddziaływanie z pojedynczym nukleonem w jądrze – gdy l rozmiaru nukleonu oddziaływanie z kwarkiem – gdy l < rozmiaru nukleonu A.Zalewska, wykład 2, 2.03.2005

Przykłady Rozpad neutronu „Odwrotny” proces b A.Zalewska, wykład 2, 2.03.2005