Neutrínótömeg: mérjük meg!

Horváth Dezső: Neutrínótömeg Atomki, Debrecen, 2014 p. 1/42 Neutrínótömeg: mérjük meg! Atomki kollokvium, Debrecen, 2014.03.06. Horváth Dezső Horvath.Dezso@wigner.mta.hu MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont Részecske- és Magfizikai Intézet, Budapest és MTA Atomki, Debrecen

Horváth Dezső: Neutrínótömeg Atomki, Debrecen, 2014 p. 2/42 Vázlat Motiváció Neutrínó-keletkezés Rejtélyek: hiány Neutrínó-oszcilláció Hányféle neutrinó van? További rejtélyek: tömeg, keveredés Mérjünk ν µ -tömeget? Kísérleti javaslat

Horváth Dezső: Neutrínótömeg Atomki, Debrecen, 2014 p. 3/42 Motiváció Előadás OPERA-kísérletről Áttekintés Trócsányiékkal Mérési ötlet sebességre Fizikai Szemle Uli Jentschura: sebesség tömeg Ujvári Balázs: szimuláció arxiv Patkós Ortvay

Horváth Dezső: Neutrínótömeg Atomki, Debrecen, 2014 p. 4/42 Ultragyors neutrínók? Tömegmérés? Horváth Dezső, Nagy Sándor, Nándori István és Trócsányi Zoltán: A fénynél gyorsabb neutrínók tündöklése és bukása: Egy téves felfedezés anatómiája Fizikai Szemle, 2012 május U. D. Jentschura, D. Horváth, S. Nagy, I. Nándori, Z. Trócsányi and B. Ujvári Weighing the Neutrino Int.J.Mod.Phys. E23 (2014) 1450004; arxiv:1312.3932

Neutrínóforrások Horváth Dezső: Neutrínótömeg Atomki, Debrecen, 2014 p. 5/42

Horváth Dezső: Neutrínótömeg Atomki, Debrecen, 2014 p. 6/42 Neutrínóforrások Kozmikus sugarak (szupernova, ősrobbanás,...) Nap: magfúzió 10 8 km, csak ν e 4 H He+2 e + +2 ν e Atomreaktor, bomba: 1km, csak ν e Légkör: kozmikus sugarak másodlagos részecskéi π ± µ ± ν µ ; µ ± e ± ν µ ν e 30 km, ν e, 2 ν µ ν és ν Gyorsító: analóg légkörrel 1km Föld belseje: geoneutrínók Antineutrínók természetes rádioaktívitásból U, Th β-bomlása: n p+e+ν e

Horváth Dezső: Neutrínótömeg Atomki, Debrecen, 2014 p. 7/42 Standard modell: 3 könnyű neutrínó Töltéskiegyenlítés miatt N(kvarkíz)=N(lepton) Több neutrínó adott σ tot mellett kisebb σ had (nehezebb pót-kvarkok és -leptonok)

Horváth Dezső: Neutrínótömeg Atomki, Debrecen, 2014 p. 8/42 Debrecen, 1956: aν e megfigyelése Szalay Sándor és Csikai Gyula a ködkamrával, és az elektron-antineutrínó nyoma

Horváth Dezső: Neutrínótömeg Atomki, Debrecen, 2014 p. 9/42 A Nap neutrínói 4 1 H 4 He+2e + +2ν e Észlelési egység: Solar Neutrino Unit 1 SNU = 10 36 ν kölcsönhatás atom sec 1 ν-kh/nap/10 30 atom (10 100 t anyag) Mérés: ν e + 37 Cl 37 Ar+e (R. Davis, Nobel-díj 2002) Várt: 8,2±1,8 SNU; mért: 2,56±0,23 SNU Elvesztek?? Kihűl a Nap?? Mi rossz: Napmodell vagy mérés? Mindkettő megerősítve...

Horváth Dezső: Neutrínótömeg Atomki, Debrecen, 2014 p. 10/42 Légköri neutrínók π + µ + ν µ µ + e + ν µ ν e π µ ν µ µ e ν e ν µ Várt: N µ /N e 2 Mért: N µ /N e 2 Hova lesznek?

Horváth Dezső: Neutrínótömeg Atomki, Debrecen, 2014 p. 11/42 Rengeteg a neutrínó-kísérlet! Bányában, alagútban, víz és jég alatt 17 lezárt, 34 működő, 9 épülő, 7 tervezett

Horváth Dezső: Neutrínótömeg Atomki, Debrecen, 2014 p. 12/42 Neutrínó nélküliβ-bomlás Ha ν Majoranarészecske ν L = ν R lehetséges ν L ν R ββ-bomlás ν nélkül

Horváth Dezső: Neutrínótömeg Atomki, Debrecen, 2014 p. 13/42 Észlelés vízben ν e n e p ν µ n µ p ν e p e + n ν µ p µ + n Bennszülött, nagyenergiájú e ±,µ ± Cserenkov-sugárzás: ellipszisalak, időzítés irány

Horváth Dezső: Neutrínótömeg Atomki, Debrecen, 2014 p. 14/42 Szuper-Kamiokande (SKK) Kamioka Nucleon Decay Experiment (Eredetileg protonbomlásra) 1000 m mély Kamioka bányában (M. Koshiba, Nobel-díj 2002) első detektor (1996-2001): Ø39 m 42 m tartály cca. 50000 t tiszta H 2 O 11146 PMT (Ø50 cm!!) p µ > 100 MeV/c ǫ 100% 2001-ben öngyilkos lett, 6600 PMT (à 3000 $) berobbant átrendezve: 2001-2005 helyreállítás: 2005-06 ülső detektor: vétó: átfutó e, µ n, γ falból 2 m vastag H 2 O (fény is!) 1857 PMT (Ø20 cm) kifelé

Szuper-Kamiokande belülről Horváth Dezső: Neutrínótömeg Atomki, Debrecen, 2014 p. 15/42

Horváth Dezső: Neutrínótömeg Atomki, Debrecen, 2014 p. 16/42 Szuper-Kamiokande: nap-neutrínók Azonosított forrás: irány, energia, fajta Standard Solar Model 40%-a SKK adat SSM MC = 0,406±0,004 +0, 014 0, 013 (mért érték ± stat. ± sziszt. szórás) Korábbi mérések rendben de hova tűnnek? A Nap-neutrínók rekonstruált forrása

Horváth Dezső: Neutrínótömeg Atomki, Debrecen, 2014 p. 17/42 Szuper-Kamiokande: müonok Légköri neutrínók (E ν < 1 GeV): Müonok azonosítása: lassulás, bomlás (N µ /N e ) data (N µ /N e ) MC = 0,688±0,016±0,050 Hova lesznek?

Horváth Dezső: Neutrínótömeg Atomki, Debrecen, 2014 p. 18/42 Neutrínó-oszcilláció Bruno Pontecorvo, 1963 Neutrínó-állapotokat gyenge kölcsönhatás keveri Gyenge kh. sajátáll.: (ν e, ν µ ) Tömegállapot: (ν 1, ν 2 ) Egymásba alakulnak (Θ: keveredési szög) Oszcilláció két állapot között: ν e ν µ

Horváth Dezső: Neutrínótömeg Atomki, Debrecen, 2014 p. 19/42 Szuper-Kamiokande: oszcilláció! Légköri neutrínók MC ν-oszc. nélkül MC ν µ ν τ oszc. e és ν µ fentről megvan Lentről jövő ν µ elfogy (Θ: zenitszög) szc. Föld átmérőjében M. Koshiba, Nobel-díj, 2002 ν e ν µ ν µ

Horváth Dezső: Neutrínótömeg Atomki, Debrecen, 2014 p. 20/42 Neutrínó-oszcilláció: elv Oszcilláció különböző tömegállapotok között Szabad részecskére nem lehetséges (?) p Ha megmarad a lendület: E 2 E 1 = p 2 +m 2 2 p 2 +m [ ( )] 2 1 1+ m2 2 2p 1+ m2 2 1 2p = m2 2 m 2 2 1 2p Ha megmarad az E energia: δm2 2p p 2 p 1 = E 2 m 2 2 E 2 m 2 1 = m2 2 m 2 1 2E δm2 2E A neutrínó relatívisztikus, a nyugalmi tömege nagyon kicsi: E ν p ν

Horváth Dezső: Neutrínótömeg Atomki, Debrecen, 2014 p. 21/42 Neutrínó-oszcilláció: frekvencia Szabad neutrínó tere: e ip x síkhullám (??) Tömeg változása fázis A fázisváltozás az E energiájú neutrínó keltése és elnyelődése közötti t idő alatt, L ct távolságon: δ(p x) = δ(et px) δm2 t 2E δm2 L 2E Oszcillációhoz kölcsönhatás vagy határozatlansági reláció Légkörben pion- és müonbomlás: δp ν 10 12 ev Γ π 10 8 ev vagy Γ µ 10 10 ev Határozatlanság belefér Napban, Földben kölcsönhatás is lehetséges

Horváth Dezső: Neutrínótömeg Atomki, Debrecen, 2014 p. 22/42 SKK: légköri neutrínók Sok-GeV-es müon-neutrínókra ν µ ν τ oszcilláció Föld átmérőjén Fluxus föl/fluxus le = N( 1,0<cosΘ< 0,2) N(0,2<cosΘ<1.0) = 0,54±0,04 1,3 10 3 ev 2 M 2 atm 3,0 10 3 ev 2

Horváth Dezső: Neutrínótömeg Atomki, Debrecen, 2014 p. 23/42 A SNO detektorrendszere Sudbury Neutrino Observatory

Horváth Dezső: Neutrínótömeg Atomki, Debrecen, 2014 p. 24/42 SNO: a nap-neutrínók Teljes fluxus elmélet ν e eloszcillál M 2 = 8 10 5 ev 2 Θ = 30 L osc [km] = 2π E[GeV] 1,27 M 2 [ev 2 ] Légköri neutrínók: ν µ ν τ oszcilláció Föld átmérőjén Nap-neutrínók: ν e ν X oszcilláció Nap-Föld távolságon Legalább két neutrínóra m ν > 0!

Horváth Dezső: Neutrínótömeg Atomki, Debrecen, 2014 p. 25/42 IceCube: 2.8 km az Antarktisz jegében 2011 2013 250 TeV-es neutrínó E ν = 1060 TeV!

Horváth Dezső: Neutrínótömeg Atomki, Debrecen, 2014 p. 26/42 A jelenlegi szituáció Állapotfrakciók: xxxx ν e /////// ν µ \\\\\ ν τ Tömeg-sajátállapotok Gyenge sajátállapotok Légkör: M 2 2.4 10 3 ev 2 Nap: M 2 7.6 10 5 ev 2 Megoldottuk problémákat? Tömeges a neutrínó... Még több lett a neutrínó-rejtély!

Horváth Dezső: Neutrínótömeg Atomki, Debrecen, 2014 p. 27/42 Honnan van a neutrínók tömege?? A neutrínó oszcillációja rejtélyes, hiszen csak egyféle kölcsönhatása ismeretes, nem szabadna kevert állapotának lennie. A neutrínótömegek kilógnak a standard modellből, sértenünk kell vagy hozzáadnunk, hogy magyarázzuk. ν R és ν L hipertöltése Y = 0, steril (nincs párban töltött leptonnal)? Olyant nem látunk (LSND-kísérlet?) Majorana-részecske, ν = ν? Több Higgs-tér van, hogy tömeget adna neki? Ötödik erő keveri? Miért olyan kicsi? Seesaw mechanizmus: Könnyű Dirac + nehéz steril? Oszcilláció csak M 2 ν -et ad M ν < 2 ev (trícium-bomlás)

Horváth Dezső: Neutrínótömeg Atomki, Debrecen, 2014 p. 28/42 Gyorsítós neutrínó-kísérletek neutrínók egymásba alakulásának (neutrínó-oszcilláció) vizsgálatára Kozmikus protonok a légkörben piont keltenek: pa π ± X π ± µ ± ν µ ; µ ± e ± ν µ ν e L 30km Gyorsító analóg légkörrel L 1...1000 km, ν e +2ν µ ; ν és ν Nagy energián π ± µ ± ν µ előre megy. Müon lelassul bomlás előtt termékei szerteszéjjel repülnek. Irányítva: tiszta ν µ nyaláb.

Horváth Dezső: Neutrínótömeg Atomki, Debrecen, 2014 p. 29/42 LSND: 4. (steril)ν? MiniBooNE Nagyobb energia: E 500 MeV LSND: 30 MeV Hosszabb repülési táv: L 500 m LSND: 30 m De L/E és oszcilláció azonos 2007: MiniBooNE-kísérlet cáfolja LSND-t 2009: talán mégsem, egyelőre csak nem látja 2012: mégis megerősíti? 3, 8σ többlet!!

Horváth Dezső: Neutrínótömeg Atomki, Debrecen, 2014 p. 30/42 Nagy távolságú gyorsítós kísérletek CNGS: CERN Gran Sasso: OPERA, 732 km Fermilab MINOS: 735 km K2K: KEK Kamioka: 250 km T2K (Tokai Kamioka): 295 km

KArlsruhe TRItium Neutrino: M(ν e ) Horváth Dezső: Neutrínótömeg Atomki, Debrecen, 2014 p. 31/42

KATRIN szállítása: 400 9000 km Horváth Dezső: Neutrínótömeg Atomki, Debrecen, 2014 p. 32/42

Horváth Dezső: Neutrínótömeg Atomki, Debrecen, 2014 p. 33/42 Mérjük meg aν µ tömegét! De mi az, hogy ν µ -tömeg?? m 2 (ν f ) = 3 i=1 U fi m 2 (ν i ) ahol ν f : íz-, ν i : tömeg-sajátállapot, U fi : Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata (PMNS) keveredési mátrix Legjobb közvetlen kísérlet: m(ν µ ) < 2.2 MeV/c 2 (90% konf.) 1 eseményből (OBELIX, LEAR, 1996) N. Angelov et al., Nucl. Phys. A 780 (2006) 78 Kozmológia: 3 i=1 m(ν i) < 1 ev, modellfüggő

Horváth Dezső: Neutrínótömeg Atomki, Debrecen, 2014 p. 34/42 Mérjük meg aν µ tömegét! MINOS és OPERA repülési időt mértek 730 km távolságon, GPS-sel: t = 10 ns felbontás Detektorok t = 10 ps-ot tudnak 1 10 km-en nem kell GPS, a sebesség közvetlenül fénnyel egybevethető. Sebesség érdektelenné vált, de tömeg! ν µ röptethető vákuumban is anyaghatás (bár ez kisenergiás ν µ -re kicsi) U. D. Jentschura, D. Horváth, S. Nagy, I. Nándori, Z. Trócsányi and B. Ujvári: Weighing the Neutrino Int.J.Mod.Phys. E23 (2014) 1450004; arxiv:1312.3932

Innen Ujvári Balázs folytatja Horváth Dezső: Neutrínótömeg Atomki, Debrecen, 2014 p. 35/42

Horváth Dezső: Neutrínótömeg Atomki, Debrecen, 2014 p. 36/42 Javasolt mérőberendezés Röptetés fényjellel együtt, L = 10 km Rengeteg proton kell: lézeres gyorsító (ELI?) Detektor: folyadékszcinti (Borexino)

Horváth Dezső: Neutrínótömeg Atomki, Debrecen, 2014 p. 37/42 Kísérleti körülmények Időmérés, t=0: proton kicker vagy lézerindítás Vékony (2 mm) grafit target: p+n π ± +X π µ+ν µ (γ 2), röptetés: 10 cm. B = 8 T kitereli π ±, µ ± -t ( t 10 10 s) Elbomló pionok: 0.57%, kezelhető Neutrínó-röptetés, ν µ és ν µ (vákuumban vagy anyagban) együtt fénnyel (vákuumban): s 0 = 10 km (nem kell külön idő és távolságmérés) Detektor: foly-szcinti (Borexino): kis energiára is, E ν > 0.2 MeV (Cserenkov gyorsabb, de E ν > m µ = 105 MeV) Körülötte vétó kozmikus háttér ellen.

Horváth Dezső: Neutrínótömeg Atomki, Debrecen, 2014 p. 38/42 Monte Carlo szimuláció Az időfelbontás erősen függ a neutrínónyaláb pontos beállításától. 10 10 m folyadékszcintillátor detektor, a neutrínónyaláb a detektor közepére állítva: δt 3 ps.

Horváth Dezső: Neutrínótömeg Atomki, Debrecen, 2014 p. 39/42 Várható pontosság 10 10 m folyadékszcintillátor detektor, a neutrínónyaláb közepére állítva: δt 3 ps. 10 11 proton, E p = 450 GeV, target: 2 mm grafit; E(π ± ) = 100±1 GeV, S 0 = 10 km ν µ -röptetés: δc = c2 δt s 0 30m/s E(ν µ ) = 1 MeV: δm(ν µ ) 420 ev 2,2 MeV CPT-ellenőrzés (Lorentz-sértés) is javul, bizonyos esetekben nagyságrendet.

Horváth Dezső: Neutrínótömeg Atomki, Debrecen, 2014 p. 40/42 Összegzés A neutrínókat nem értjük, mérni kell Eldöntendő kérdések új fizika: Honnan a tömeg? Bővítendő-e a Higgs-szektor? Majorana, Dirac vagy mindkettő? Van-e steril ν? Valami új erő keveri őket? Új gyorsítós kísérlet m(ν µ ) mérésére: Rövidebb távolság Egyszerűbb megoldás Nagyobb pontosság

Köszönöm a figyelmet! Horváth Dezső: Neutrínótömeg Atomki, Debrecen, 2014 p. 41/42

Horváth Dezső: Neutrínótömeg Atomki, Debrecen, 2014 p. 42/42 Tartalék: a tömegmérés pontossága Időmérés pontossága: TOF: 0.01 t 1 ps, detektor: t 3 ps. v ν = s 0 /t 0 = (1 δ)c, δ = c t/s 0 s 0 = 10 km: δc = c 2 t/s 0 = 30 m/s δ 10 7 m(ν µ ) = 1 MeV, m(ν µ ) 420 ev.