1 Fizyka cząstek elementarnych II NeutrinaProf. dr hab. Danuta Kiełczewska Zakład Cząstek i Oddziaływań Fundamentalnych IFD UW 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

2 Wykład I Krótka historia neutrinFizyka cząstek II D.Kiełczewska wyklad neutrino 1

3 1913-1930: Zagadka rozpadów betaÓwczesny 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

4 “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

5 Fizyka cząstek II D.Kiełczewska wyklad neutrino 1Pierwsze 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 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

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

7 Reines i Cowan: odkrycie neutrinReaktor 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

8 Niezachowanie parzystości w słabych oddziaływaniachT. D. Lee and C. N. Yang, Phys. Rev. 104, 254 (1956) C. S. Wu et al., Phys. Rev. 105, 1413 (1957) R. L. Garwin et al., Phys. Rev. 105, 1415 (1957) COMPLETE Focus story at 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

9 Odkrycie niezachowania parzystościPróbka 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

10 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

11 Eksperyment GoldhaberaWychwyt 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

12 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

13 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

14 Schemat eksperymentu GoldhaberaDo 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

15 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

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

17 Fizyka cząstek II D.Kiełczewska wyklad neutrino 1Masa a skrętność Jeśli skrętność zawsze 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

18 Fizyka cząstek II D.Kiełczewska wyklad neutrino 1Jedno 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

19 Fizyka cząstek II D.Kiełczewska wyklad neutrino 1Detekcja 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

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

21 Liczenie zapachów neutrin w LEPFizyka cząstek II D.Kiełczewska wyklad neutrino 1

22 Fizyka cząstek II D.Kiełczewska wyklad neutrino 1Detekcja 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 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

23 Fizyka cząstek II D.Kiełczewska wyklad neutrino 1Detekcja 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

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

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

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