wyklad1-wstep-historia
advertisement
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 1 Wykład I Krótka historia neutrin Fizyka cząstek II D.Kiełczewska wyklad neutrino 1 2 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: 6 He®6 Li + e2 3 dla obu jąder zmierzono spin całkowity 14 Dla jądra 7 N zmierzono spin=1 - nie pasuje dla 14+(14-7)=21 Fizyka cząstek II D.Kiełczewska wyklad neutrino 1 fermionów 3 “Desperackie lekarstwo” Pauliego (1930) A’ A e “I have done Fizyka cząstek II D.Kiełczewska wyklad neutrino 1 something very bad today by proposing a particle that cannot be detected; it is something no theorist should 4 ever do.” W.Pauli 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: n + p® n+ e+ 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 5 Eksperyment Reinesa i Cowana n e + p ® e+ + n Liquid scintillator e+ +e- ® 2g prompt n+ 112 Cd ® g + 113 Cd 48 48 delayed Water, Cadmium chloride Liquid scintillator Fizyka cząstek II D.Kiełczewska wyklad neutrino 1 6 Reines i Cowan: odkrycie neutrin Reaktor w Savannah River: Detektor: 12 m pod ziemią: scyntil water scyntil water scyntil 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 7 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 Fizyka cząstek II D.Kiełczewska wyklad neutrino 1 8 Odkrycie niezachowania parzystości 60 Co 60 Ni* e e 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: I (q ) = 1+ a sP E = 1+ a v cosq c s - jednostkowy wektor spinu P, E,v - ped, energia i predkosc a = -1 dla elektronu (LH) a = +1 dla pozytronu (RH) Fizyka cząstek II D.Kiełczewska wyklad neutrino 1 9 Pomiar skrętności neutrina – eksperyment Goldhabera et al. (1958) Z hipotezy Pauliego: spin neutrina=1/2 Ale jaka skrętność ? Dla bezmasowych neutrin spodziewano się: I ( ) 1 cos albo I (q ) = 1+ cosq 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 10 Eksperyment Goldhabera Wychwyt elektronu K Całkowity moment pędu stanu początkowego to spin wychwyconego elektronu Czyli w stanie końcowym: spiny muszą być przeciwnie skierowane spin prędkość spin prędkość Czyli jądro odrzutu ma taką samą skrętność jak neutrino tzn. spin albo zgodny albo przeciwny z wektorem prędkości tzn. RH lub LH Fizyka cząstek II D.Kiełczewska wyklad neutrino 1 11 Eksperyment Goldhabera c.d. RH LH dalej: gamma musi wynieść spin wzbudzonego jądra! Rozważmy przypadek LH: Jeśli gamma wysłana do przodu Jeśli gamma wysłana do tyłu spiny prędkość Tak samo można pokazać,że: W przypadku RH wysłana do przodu musi być RH Stąd: skrętność gammy do przodu musi być taka sama jak skrętność neutrin!! Czyli musi być Fizyka cząstek II D.Kiełczewska wyklad neutrino 1 LH 12 Eksperyment Goldhabera cd. Czyli musimy: • wybrać gammy do przodu (względem pędu jądra odrzutu) • zmierzyć ich skrętność Do wyboru gamm do przodu użyli „rozpraszania rezonansowego”: + 152 Sm 152 Sm + * 152 Sm 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) Fizyka cząstek II D.Kiełczewska wyklad neutrino 1 13 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 P 68 15 % Fizyka cząstek II D.Kiełczewska wyklad neutrino 1 14 Wynik eksperymentu Goldhabera + lub – oznacza kierunek pola magnetycznego polaryzującego spiny elektronów żelaza, które działają jak polarymetr dla gamm W rezultacie wyznaczono skrętność neutrin: P 1.0 0.3 Fizyka cząstek II D.Kiełczewska wyklad neutrino 1 15 Skrętność neutrin Neutrino Anti Neutrino Fizyka cząstek II D.Kiełczewska wyklad neutrino 1 16 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 17 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 18 Detekcja μ 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 n ¹n Fizyka cząstek II D.Kiełczewska wyklad neutrino 1 m e 19 Oddziaływanie neutrina w komorze pęcherzykowej Gargamelle Odkrycie prądów neuralnych 1973 Z wierzchołka nie wychodzi żaden mion N X D. Kiełczewska, wykład 6 20 Liczenie zapachów neutrin w LEP v Z 0 qq (uu , dd , ss , cc , bb ) Z 0 ll ( e e , , ) Z 0 v ( e ve , v , v ) G Z ,G l ,G h - mierzone Gn - policzone Z had 3l N N 2.99 0.02 Fizyka cząstek II D.Kiełczewska wyklad neutrino 1 21 Detekcja – wyzwanie! 2000 • musi wyprodukować lepton • czas życia : 3x10-13 sec (c=90 μm) Najlepsza emulsja Eksperyment: DONUT (Direct Observation of the NU Tau) Z wiązki 1013 at FermiLab accelerator. neutrin, zarejestrowano ok. 1000 oddz. int, z których 4 zidentyfikowano jako DONUT szukał rozpadów na jedną naładowaną cząstkę (86% rozpadów tau) Fizyka cząstek II D.Kiełczewska wyklad neutrino 1 22 Detekcja – DONUT Protony 800 GeV produkowały mezony zawierające kwarki c i s: Ds ® t + n t (BR=6.4 ±1.5%) t ® nt + X Fizyka cząstek II D.Kiełczewska wyklad neutrino 1 23 Detection of ντ Fizyka cząstek II D.Kiełczewska wyklad neutrino 1 2000 24 Po co są 3 generacje? Neutrino mogą pomóc w znalezieniu odpowiedzi? Fizyka cząstek II D.Kiełczewska wyklad neutrino 1 25 Model Standardowy Generation I Generation II Leptons ne e nm m nt t Quarks u u u c c c s s s t t t d d d Gauge Bosons + W 0 Z W- g Generation III b b b gluons Fizyka cząstek II D.Kiełczewska wyklad neutrino 1 26 >>>
