Neutrínó oszcilláció kísérletek

Méret: px

Mutatás kezdődik a ... oldaltól:

Download "Neutrínó oszcilláció kísérletek"

Mátyás Szabó
4 évvel ezelőtt
Látták:

1 Elméleti bevezető Homestake kísérlet Super-Kamiokande KamLAND Nobel-díj 2015 Töltött lepton oszcilláció Neutrínó oszcilláció kísérletek Kasza Gábor Modern fizikai kísérletek szeminárium április 3. 1 / 24

2 Tematika I. Elméleti bevezető II. Homestake kísérlet III. Super-Kamiokande IV. KamLAND V. Nobel-díj a neutrínó oszcillációért VI. Töltött leptonok oszcillációja 1 / 24

3 Elméleti bevezető Standard modell: A gyenge kölcsönhatásban csak balkezes neutrínók vesznek részt Neutrínók tömege 0, nem csatolódnak a Higgs-mezőhöz SU(5) SU(3) c SU(2) L U(1) Y egyesítés rendben Standard modellen túl: Leptonszám sajátállapot nem egyezik a tömeg sajátállapottal Leptonszám sajátállapotok között lehetséges az átmenet Nincs leptonszám megmaradás Ekkor m ν 0 és ν R, csatolódniuk kellene a Higgs-mezőhöz SU(5) SU(3) c SU(2) L U(1) Y egyesítés nincs rendben 2 / 24

4 Elméleti bevezető Egyszerű példa, 2 család közelítés: Leptonszám sajátállapot: ν e, ν µ Tömeg sajátállapot: ν 1, ν 2 ν e = ν 1 cosθ + ν 2 sinθ ν µ = ν 2 cosθ ν 1 sinθ Tehát a két állapotteret egy, a Dirac-téren vett forgatás köti össze A neutrínó leptonszám sajátállapotban keletkezik: Ψ(t = 0) = ν e Az időfejlődést a tömeg sajátállapotokkal könnyű számolni Ψ(t) = e ie1t ν 1 cosθ + e ie2t ν 2 sinθ 3 / 24

5 Elméleti bevezető Annak a vsz.-e, hogy t idő múltán nincs átmenet: Ψ(t) ν e 2 = cos 4 θ + sin 4 θ sin2 (2θ)cos(E 1,2 t) E 1,2 = E 1 E 2 = p 2 + m 21 p 2 + m 2 2 Mivel m p, ezért sorbafejtéssel: E 1,2 m2 2 m 2 1 2p = (m2 ) 1,2 2p A neutrínók sebessége továbbra is jól közelíthető c-vel: t x ( (m Ψ(t) ν e 2 2 ) ) 1,2 = f 1 (θ) + f 2 (θ) cos x 2p Ezt nevezik neutrínó oszcillációnak 4 / 24

6 Homestake kísérlet [1] Előzmény: Kísérlet célja: Nap termonukleáris energiatermelésének bizonyítása Bizonyítás módja: neutrínók detektálása Miért pont neutrínókkal? A fúzió a Nap belsejében történik Kívül hűvös, könnyen gerjeszthető felhő Nem jutnak ki a magreakciókból származó részecskék Kivételt képeznek a neutrínók (1 : 10 8 az elnyelődés valószínűsége) Emiatt viszont a detektálás is nehézkes 5 / 24

7 Homestake kísérlet A kísérlet atyja: Raymond Davis, BNL A kísérlet színhelye: Homestake aranybánya (1964) 6 / 24

8 Homestake kísérlet A kísérlet összeállítása: 1478 m mélyre telepítették a kísérletet Fő alkotóelem: 61 m átmérőjű, 15 m hosszú tartály 10 5 gallon ( liter) C 2 Cl 4 tisztítószert töltöttek bele A mérést megalapozó reakció: 37 Cl + ν e 37 Ar + e Ar gerjesztett állapotba kerül ν e legalább MeV energiájú Miért kellett ilyen mélyre telepíteni a kísérletet? 7 / 24

9 Homestake kísérlet Légköri reakciókból származó protonok téves eredményre vezetnek: 37 Cl + p 37 Ar + n Mélyen a föld alá csak a neutrínók jutnak el A modern detektorokat is a föld alá építik 8 / 24

10 Homestake kísérlet Eredmények kiolvasása: Napokig gyűjtötték az Ar-t He gázt keringtettek a tartályban Széncsapdával elnyelették az Ar atomokat Légköri 40 Ar szennyezés előfordulhat Szeparáció: 37 Ar 37 Cl + e + + ν e 37 Ar számából következtettek a neutrínó számra A várt fluxusnak csak az 1/3-át detektálták 9 / 24

11 Homestake kísérlet Következmények: Nem tudták, hogy hol, és melyik elméletben hibáztak Napreakciók elmélete? Neutrínók elmélete? Radioaktív bomlás elmélete? Magyarázat: 1974: Három neutrínó íz létezik Davis kísérlete csak egyre volt érzékeny 2001: Kísérleti bizonyíték a neutrínó oszcilláció létezésére 2002: megosztott Nobel-díj Davis-nek 10 / 24

12 Super-Kamiokande Története: Helyszín: Japán, Mozumi bánya Fő cél: protonbomlás észlelése (felezési idő alsó határa) További mérések: neutrínók észlelése többféle forrásból , SK I.: baleset a PMT-kel , SK II.: csökkentett üzemmód , SK III.: újra működik az összes PMT 2008-, SK IV.: további elektronikai fejlesztések 11 / 24

13 Super-Kamiokande Felépítés: 1000 m-rel a föld alatt helyezkedik el Henger alakú tartály, 42 m magas, átmérője 39 m 50 kt ultra tiszta vízzel töltve (kitűnő ár/törésmutató arány) A falon db, 51 cm átmérőjű PMT Cserenkov sugárzáson alapszik a detektálás Különböző felvillanásmintázatok: neutrínók iránya, íze A hengert további 2 m vastag vízfal burkolja Ezt a régiót 1885 db, 20 cm átmérőjű PMT figyeli: külső detektorok Külső detektorok feladata: kozmikus háttér szűrése 12 / 24

14 Super-Kamiokande 13 / 24

15 Elméleti bevezető Homestake kísérlet Super-Kamiokande KamLAND Nobel-díj 2015 Töltött lepton oszcilláció Super-Kamiokande 14 / 24

16 Detektálás alapja: A detektor a belül keletkező e, µ, e +, µ + részecskéket figyeli A következő reakciókban keletkezhetnek: ν e + n p + e ν e + p n + e + ν µ + n p + µ ν µ + p n + µ + Tipikus esemény: ν µ (481 MeV ) µ (394 MeV ) e (52 MeV ) 15 / 24

17 Super-Kamiokande Alsó határ: 830 ns (lila) Felső határ: 1816 ns (piros) 16 / 24

18 KamLAND Cél: antineutrínók detektálása ( ν e + p n + e + ) Bonyolultabb, összetettebb felépítés: Reaktorneutrínók: fontos kísérleti eredmény 17 / 24

19 KamLAND Neutrínó oszcilláció a reaktorok távolságának függvényében 18 / 24

20 KamLAND Kísérleti eredmények: θ 1,2, θ 1,3, θ 2,3 : keveredési szögek (3 család) ν e, ν e ν µ, ν µ átmenet (KamLAND): θ 1,2 = 33.9 ± (m 2 ) 1,2 = (7.53 ± 0.18) 10 5 ev 2 ν e, ν e ν τ, ν τ átmenet (Daya Bay): ν µ, ν µ ν τ, ν τ átmenet: θ 1,3 = 45 ± 7 (m 2 ) 1,3 = (2.44 ± 0.06) 10 3 ev 2 θ 2,3 < 3 (m 2 ) 1,3 (m 2 ) 2,3 19 / 24

21 Nobel-díj a neutrínó oszcillációért (2015) Kadzsita Takaaki (SK) és Arthur B. McDonald (Sadbury Obs.) Légköri neutrínók átalakulásának felfedezése (ezredforduló környéke) Légköri neutrínók keletkezése: π ± µ ± + ν µ ( ν µ ) µ ± e ± + ν e ( ν e ) + ν µ (ν µ ) Értelemszerűen a várt detektálási arány: ν µ /ν e 2 Korai eredmények [2],[3]: R = (N µ/n e ) obs (N µ /N e ) theor R IMB 0.54 R Kam 0.6 Több lehetséges magyarázat is született (neutrínó bomlás, FCNC) 20 / 24

22 Nobel-díj a neutrínó oszcillációért (2015) Neutrínók szögeloszlása (zenithez képest) [4]: Várakozás 1: izotróp eloszlás Várakozás 2: felfelé és lefelé haladó (cosθ = 1) neutrínók száma ua. SK képes megkülönböztetni a µ és e ízeket A vártnál sokkal kevesebb ν µ -t sikerült detektálni 21 / 24

23 Nobel-díj a neutrínó oszcillációért (2015) Elektron neutrínók száma viszont nem növekedett Magyarázat: ν µ dominánsan ν τ -ra oszcillál Ellenőrző mérés/számítás [5]: ( ) Fekete görbe 2 flav osc no osc alátámasztja Más kísérletek megerősítették az eredményt: K2K, MINOS, T2K, ANTARES, MACRO, IceCube 22 / 24

24 Töltött leptonok oszcillációja Lehetséges-e a töltött leptonok oszcillációja? Semmi nem zárja ki, több elméletet is kidolgoztak [6] Mérése egyelőre lehetetlen [6]: (l osc ) max = (E 0 /GeV ) cm 100 cm E GeV Maximális energia LHC-ben: GeV E 0 -nak megfelelő energia csak kozmikus sugarakban fordul elő 23 / 24

25 Referencia [1] J.N. Bahcall Sci. Am. 221, 1, (1969) [2] E. Kearns, Nucl. Phys. Proc. Suppl. 70, 315 (1999) [3] K.S. Hirata et al, Phys. Lett. B280, 146 (1992) [4] Y. Ashie et al, Phys. Rev. D71, (2005) [5] Y. Ashie et al, Phys. Rev. Lett. 93, (2004) [6] E. Akhmedov, JHEP 9, 116 (2007) Köszönöm a figyelmet! 24 / 24

Hasonló dokumentumok

Határtalan neutrínók

Határtalan neutrínók Trócsányi Zoltán Eötvös Loránd Tudományegyetem és MTA-DE Részecskefizikai Kutatócsoport HTP utótalálkozó Budapest 218. december 8 Mottó A tudománynak azonban, hogy el ne satnyuljon,