Neutrínók interferenciája

Hasonló dokumentumok
Hogyan tegyük láthatóvá a láthatatlant?

Határtalan neutrínók

NEUTRÍNÓK INTERFERENCIÁJA

Neutrínó oszcilláció kísérletek

fizikai szemle 2016/6

A tau lepton felfedezése

Neutrínótömeg: a részecskefizika megoldatlan rejtélye

Neutrínótömeg: mérjük meg!

A Lederman-Steinberger-Schwartz-f ele k et neutrn o ks erlet

Részecskefizika 3: neutrínók

Axion sötét anyag. Katz Sándor. ELTE Elméleti Fizikai Tanszék

Megmérjük a láthatatlant

Bevezetés a részecskefizikába

Részecskefizika kérdések

Paritássértés FIZIKA BSC III. MAG- ÉS RÉSZECSKEFIZIKA SZEMINÁRIUM PARITÁSSÉRTÉS 1

Elemi részecskék, kölcsönhatások. Atommag és részecskefizika 4. előadás március 2.

Bevezetés a részecskefizikába

Magfizika szeminárium

Theory hungarian (Hungary)

Neutrinódetektorok és részecske-asztrofizikai alkalmazásaik

KVANTUMJELENSÉGEK KOZMIKUS MÉRETEKBEN: A ÉVI FIZIKAI NOBEL-DÍJ ÉS HÁTTERE Király Péter MTA Wigner Kutatóközpont RMI

Úton az elemi részecskék felé. Atommag és részecskefizika 2. előadás február 16.

A részecskefizika eszköztára: felfedezések és detektorok

JÁTSSZUNK RÉSZECSKEFIZIKÁT!

A sötét anyag nyomában. Krasznahorkay Attila MTA Atomki, Debrecen

NEUTRÍNÓ DETEKTOROK. A SzUPER -KAMIOKANDE példája

Sugárzások kölcsönhatása az anyaggal

EGYSZERŰ, SZÉP ÉS IGAZ

Radioaktivitás és mikrorészecskék felfedezése

Az expanziós ködkamra

Magyarok a CMS-kísérletben

NAGY Elemér Centre de Physique des Particules de Marseille

A Standard modellen túli Higgs-bozonok keresése

Detektorok. Siklér Ferenc MTA KFKI Részecske- és Magfizikai Kutatóintézet Budapest

Bevezetés a részecske fizikába

A részecskefizika kísérleti eszközei

BEVEZETÉS A RÉSZECSKEFIZIKÁBA 3.

Compton-effektus. Zsigmond Anna. jegyzıkönyv. Fizika BSc III.

A Gólem. Hová lettek a napneutrínók? A Gólem BME Filozófia és Tudománytörténet Tanszék

Az ismert elemi részecskék legtünékenyebb

FIZIKAI NOBEL-DÍJ, Az atomoktól a csillagokig dgy Fizikai Nobel-díj 2013 a Higgs-mezôért 10

Részecskefizikai problémák: Higgs-bozon, antianyag, neutrínók

BEVEZETÉS A RÉSZECSKEFIZIKÁBA

Biofizika. Sugárzások. Csik Gabriella. Mi a biofizika tárgya? Mi a biofizika tárgya? Biológiai jelenségek fizikai leírása/értelmezése

Modern fizika vegyes tesztek

Trócsányi Zoltán. Az eltőnt szimmetria nyomában - a évi fizikai Nobel-díj

Optika gyakorlat 6. Interferencia. I = u 2 = u 1 + u I 2 cos( Φ)

Gyorsítók. Veszprémi Viktor ATOMKI, Debrecen. Supported by NKTH and OTKA (H07-C 74281) augusztus 17 Hungarian Teacher Program, CERN 1

Részecskefizikai gyorsítók

Mikrofizika egy óriási gyorsítón: a Nagy Hadron-ütköztető

Hadronok, atommagok, kvarkok

Töltött Higgs-bozon keresése az OPAL kísérletben

Jegyzet. Kémia, BMEVEAAAMM1 Műszaki menedzser hallgatók számára Dr Csonka Gábor, egyetemi tanár Dr Madarász János, egyetemi docens.

BEVEZETÉS A RÉSZECSKEFIZIKÁBA

Kvarkok. Mag és részecskefizika 2. előadás Február 23. MRF2 Kvarkok, neutrínók

A gamma-sugárzás kölcsönhatásai

Bevezetés a modern fizika fejezeteibe. 4. (e) Kvantummechanika. Utolsó módosítás: december 3. Dr. Márkus Ferenc BME Fizika Tanszék

CERN: a szubatomi részecskék kutatásának európai központja

Adatgyűjtés, mérési alapok, a környezetgazdálkodás fontosabb műszerei

Hogyan mérünk neutrínó-sebességet?

8. AZ ATOMMAG FIZIKÁJA

Sugárzások és anyag kölcsönhatása

Magfizika tesztek. 1. Melyik részecske nem tartozik a nukleonok közé? a) elektron b) proton c) neutron d) egyik sem

A nagyenergiás neutrínók. fizikája és asztrofizikája

A Borexino napneutrínó-kisérlet. Counting Test Facility (CTF)


Vázlat. Bevezetés szimmetriák. Paritás (P) Kombinált töltés- és tértükrözés (CP) Ősrobbanás, CKM-mátrix, B-gyárak. Szimmetriák és sérülésük

Z bozonok az LHC nehézion programjában

Részecskefizika I: a standard modell

A nagy hadron-ütköztető (LHC) és kísérletei

Hullámok, hanghullámok

Sugárzások kölcsönhatása az anyaggal

Nagy számok törvényei Statisztikai mintavétel Várható érték becslése. Dr. Berta Miklós Fizika és Kémia Tanszék Széchenyi István Egyetem

Radioaktivitás biológiai hatása

A legkisebb részecskék a világ legnagyobb gyorsítójában

Részecske azonosítás kísérleti módszerei

Sugárzások kölcsönhatása az anyaggal. Dr. Vincze Árpád

BEVEZETÉS A RÉSZECSKEFIZIKÁBA

Kémiai reakciók mechanizmusa számítógépes szimulációval

Csendes fizika. Manno István. KFKI, Részecske- és Magfizikai Kutatóintézet május 4. Csendes fizika p.1/77

PROMPT- ÉS KÉSŐ-GAMMA NEUTRONAKTIVÁCIÓS ANALÍZIS A GEOKÉMIÁBAN I. rész

Bevezetés a részecskefizikába

MEGLESZ-E A HIGGS-RÉSZECSKE A NAGY HADRONÜTKÖZTETŐVEL?

Radiokémia vegyész MSc radiokémia szakirány Kónya József, M. Nagy Noémi: Izotópia I és II. Debreceni Egyetemi Kiadó, 2007, 2008.

Úton a kvarkok felé. Atommag- és részecskefizika 3. előadás március 1.

Mechanikai hullámok. Hullámhegyek és hullámvölgyek alakulnak ki.

Az atommag összetétele, radioaktivitás

A sugárzások és az anyag fizikai kölcsönhatásai

Általános Kémia, BMEVESAA101

Adatgyőjtés, mérési alapok, a környezetgazdálkodás fontosabb mőszerei

A NEUTRÍNÓ ÚJABB MEGLEPETÉSE

Fizikai Szemle MAGYAR FIZIKAI FOLYÓIRAT

Detektorok. Fodor Zoltán. Wigner fizikai Kutatóközpont. Hungarian Teachers Programme 2015

Hullámmozgás. Mechanikai hullámok A hang és jellemzői A fény hullámtermészete

Az elektron hullámtermészete. Készítette Kiss László

Izotóp geológia: Elemek izotópjainak használata geológiai folyamatok értelmezéséhez.

Adatgyőjtés, mérési alapok, a környezetgazdálkodás fontosabb mőszerei

Általános Kémia, BMEVESAA101 Dr Csonka Gábor, egyetemi tanár. Az anyag Készítette: Dr. Csonka Gábor egyetemi tanár,

ELEMI RÉSZECSKÉK ATOMMODELLEK

Az elemeket 3 csoportba osztjuk: Félfémek vagy átmeneti fémek nemfémek. fémek

Átírás:

Neutrínók interferenciája! Trócsányi Zoltán! Debreceni Egyetem és MTA-DE Részecskefizikai Kutatócsoport!!!!! Magyar fizikatanárok találkozója Budapest, 2016. november 12

Csikai-Szalay kísérlet (1956) láthatatlan EPS historic site n (0) p (+1) + e ( 1) + anti-νe (0) elemi szinten: d ( 1/3) u (+2/3) + e ( 1) + anti-νe (0) 2

Kétréses-interferencia fénnyel 3

Kétréses-interferencia elektronnal 4

Kétréses-interferencia elektronnal Lehetséges neutrínóval? 5

proton igen! - csak interferencia alatt nem a neutrínók intenzitásának térbeli változását kell érteni, hanem a neutrínók ízének változását angolul: neutrino oscillation jelentése: A neutrínók haladásuk közben nem őrzik azonosságukat (ízüket), hanem önmaguktól átalalkulnak másfajta ízű neutrínóvá. Magyarul: neutrínók ízrezgése önmaguktól? béta-bomlásnak is van mélyebb oka: neutron u d d W e u d u 6 anti-n Abéta-bomlásmélyebbmagyarázataakvarkokáta

A standard modell 7

Neutrínó-anyag kölcsönhatás a neutrínók csak a radioaktivitásért felelős gyenge erőt érzik: százezer neutrínó közül csak egy akad fenn a Földön (12740 km), a többi áthalad 12,74 m-en a fennakadás valószínűsége 10-11, tehát 10 12 neutrínónak kell a detektoron áthaladni ahhoz, hogy néhány ütközzön a detektor anyagával reaktor közelében van ilyen sok neutrínó: anti-νe (0) + p (+1) n (0) + e (+1) 8

Reines-Cowan kísérlet (1956) Savannah riveri atomreaktor közelében CdCl2 oldattal töltött tartály: Fénysokszorozókhoz csatolt szcintillátor Pozitron e + Elektron e - 1 foton neutronbefogásból 2 foton elektron-pozitron szétsugárzásból CdCl2 vizes oldata Fénysokszorozókhoz csatolt szcintillátor 9 hatáskeresztmetszet: mért: 6,3 10 48 m 2 számolt: 6 10 48 m 2

Neutrínó rejtélyek

Davis kísérlete (1968-1993) Homestake aranybányában 615 t perklóretilénnel töltött tartály: Eseményszám egysége: 1 SNU = 1 esemény/10 36 Cl mag/sec 11 eseményszám: mért: 2,56 ± 0,23 SNU (17 Ar/70 nap) becsült: 8,2 ± 1,8 SNU Nap-neutrínó rejtély

Légköri neutrínók kozmikus részecske (p, He, ) p m p n m + anti-n + anti-n n n m e m e = 2 e m n m e n m n e n e adat elmélet elektron események 93, 0 ± 9, 6 88,5 müon események 85, 2 ± 9, 2 144,0 12 n m detektor

Kamiokande II detektor Discovery of neutrino oscillations 1621 A nagy PM csövek alkamasak elektron és müon által keltett Cserenkov-kúp megkülönböztetésére: megerősítette a Napneutrínó hiányt Super-Kamiokande Run 3003 Event 287420 96-10-21:10:50:45 Inner: 2004 hits, 4749 pe Outer: 2 hits, 1 pe (in-time) Trigger ID: 0x03 D wall: 1243.0 cm FC FC e-like, p = 571.0 MeV/c Time(ns) < 950 950-955 955-960 960-965 965-970 970-975 975-980 980-985 985-990 990-995 995 995-1000 1000-1005 1005-1010 1010-1015 1015-1020 >1020 >1020 elektronneutrínó elektronzápor 760 760 608 608 elektron 456 456 304 304 152 152 0 500 1000 1500 2000 0 500 1000 1500 2000 Times (ns) Super-Kamiokande Run Run 3011 3011 Event Event 201095 201095 96-10-24:07:44:11 96-10-24:07:44:11 Inner: 811 hits, 2338 pe Inner: 811 hits, 2338 pe Outer: 0 hits, pe (in-time) Outer: 0 hits, 0 pe (in-time) Trigger ID: 0x03 Trigger ID: 0x03 D wall: 913.7 cm D wall: 913.7 cm FC mu-like, p = 466.4 MeV/c FC mu-like, p = 466.4 MeV/c müonneutrínó müon Time(ns) Time(ns) 972 < 972 972-976 972-976 976-980 976-980 980-984 980-984 984-988 984-988 988-992 988-992 992-996 992-996 996-1000 996-1000 1000-1004 1000-1004 1004-1008 1004-1008 1008-1012 1008-1012 1012-1016 1012-1016 1016-1020 1016-1020 1020-1024 1020-1024 1024-1028 1024-1028 >1028 >1028 13 müon 210 210 168 168 126 126 84 84 42 42 0 00 500 1000 1500 2000 0 500 1000 1500 2000 Times (ns) Times (ns)

Neutrínók keveredése

Pontecorvo (Pryce?) felvetése de ez csupán feltevés, nincs rá elméleti indok a különböző fajtájú (ízű) neutrínók átalakulhatnak egymásba, ha egy rögzített ízű neutrínó, mondjuk νµ tömege nem egyértelmű, hanem több (valószínűleg három) különböző rögzített mi tömegű neutrínó keveréke hasonlóan a kvarkokhoz a kvarkok esetében a keveredés a Cabibbo-Kobayashi-Maskawa (CKM) mátrix megjelenéséhez vezet, amelynek hatása mérhető a részecskefizikai szórási folyamatokban! A CKM mátrix analógja a neutrínóknál a PMNS mátrix (Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata) 15

Neutrínók keveredésének következménye A T idő alatt L távolságot megtett neutrínók fázisa különbözni fog, ha tömegük különbözik Annak valószínűsége, hogy a neutrínó nem alakul át L távolság után P ( µ! µ )=1 sin 2 2 sin 2 2 m 2 c 4 L h c E m 2 = m 2 i m 2 j h c =1, 24 10 9 ev km 16

Neutrínóíz-rezgés a keveredés θ szöge megszabja hogy mennyi az i és j tömegkomponensek részesedése νμ-ben: ha θ = 0 (vagy 90 ), akkor ν µ tisztán ν i (vagy ν j ), és nincs keveredés ha θ = 45, akkor ν µ -ben egyenlő arányban van ν i és ν j, a neutrínókeveredés a legnagyobb például kizárólag νμ ντ keveredést feltételezve: meghatározott L távolságot megtéve ν µ teljesen ν τ - vá alakul, továbbhaladva visszaalakul az eredeti müon-neutrínóvá, s.í.t.: a neutrínó íze rezeg P ( µ! µ )=1 sin 2 2 sin 2 2 m 2 c 4 L h c E 17

Neutrínóíz-rezgés a neutrínóíz-rezgés feltétele, hogy a neutrínóknak legyen tömege, például Δm 2 = (1 ev/c 2 ) 2 és E ν = 1 GeV esetén Δm 2 c 4 L/(hcEν) = L/1,24 km, tehát L = 1,24 km-en teljes átalakulás tízszer nagyobb neutrínó energia esetén tízszer ekkora távolságra van szükség Δm 2 = (0,1 ev/c 2 ) 2 esetén százszor nagyobbra ha sikerül észlelni a neutrínóíz-rezgést és meghatározni L-t, akkor következtetés tudunk levonni a neutrínók tömegére P ( µ! µ )=1 sin 2 2 sin 2 2 m 2 c 4 L h c E 18

Az át nem alakulás valószínűsége 100% n m kis távolságon nincs átalakulás a Föld átmérõje nagy távolságon 50%-os eséllyel átalakul a neutrínó x m 50% n / 50% n q = 45 Dm = (0,1 ev/ c ) E = 2 GeV n 2 2 2 θ = 45 100% n x 1 10 10 2 10 3 10 4 neutrínó repülési úthossza (km) Annak valószínûsége az 19/ függvényében, hogy a neutrí-

Légköri neutrínó anomália értelmezése neutrínóíz-rezgéssel adat elmélet elektron események 93, 0 ± 9, 6 88,5 müon események 85, 2 ± 9, 2 144,0 Elég meggyőző ez? Nem, de lehet jobb mérést végezni! Neutrínóíz-rezgés nélkül a felfelé és lefelé haladó neutrínók várt áramsűrűsége egyenlő (fel-le szimmetrikus) A neutrínóíz-rezgés megsérti ezt a szimmetriát (a Földön áthaladó neutrínók átalakulhatnak) 20

A fel-le szimmetria sérülése kozmikus sugárzás izotróp fluxusa zenit q 20 km Szuper- Kamiokande 1000 km R zenit q R David Fierstein irányérzékeny detektorral mérhető 21

Kamiokande II eredménye eseményszám 50 40 30 20 10 (a) 50 40 30 20 10 (b) 0-1 0-1 cos Θ cos Θ a) elektron-események b) müon-események P(értelmezés véletlen ingadozással) = 1% az elvárás a részecskefizikában 10-5 % 22

SzuperKamiokande kísérlet! belső tartály: 22,5 kt víz, 11200 db 50 cm-es PM cső külső tartály: 27,5 kt víz 1900 db 20 cm-es PM cső müon-neutrínók azonosításának hatásfoka ~100%!!!! νμ + anti-νμ! R μ/e =!!!! νe + anti-νe (R μ/e )mérés/(r μ/e )elmélet = 0,688±0.053 megerősíti a Kamiokande II mérését 23

SzuperKamiokande kísérlet 24

A neutrínó-rezgés felfedezése eseményszám mérés elmélet ν μ -ν τ ízrezgés cos(θ) cos(θ) a) elektron-események b) müon-események 25

A neutrínóíz-rezgés felfedezése sok kérdést vet fel: Mekkora az ízrezgéshez szükséges Δm 2 tömegnégyzet különbség? Mekkora a keveredés θ szöge? A mérésben csak a müon-neutrínók eltünedezését sikerült észlelni. Vajon a várakozásnak megfelelően tau-neutrínóvá alakultak? (az elektron-neutrínók száma nem változott) Van-e keveredés más neutrínók között? Nem utolsó sorban: a légköri neutrínókra talált átalakulást meg lehet-e figyelni a Napból érkező neutrínók esetében is? A korábban fejtegetett Nap-neutrínó rejtélyre is a neutrínóíz-rezgés a magyarázat? 26

Az SNO kísérlet (1998-2002) 1100 t tiszta nehézvíz (D2O) 6 m sugarú tartályban akril tartály 2000 m-rel a felszín alatt 27

Következmények

A neutrínóíz-rezgés túlmutat a standard modellen A standard modellben a neutrínóknak nincs tömegük A neutrínóíz-rezgések felfedezése csak úgy értelmezhető, ha elfogadjuk, hogy a háromból legalább kettőnek van tömege Részecskeátalakulás azonban csakis úgy lehetséges, ha a részecske legalább két erőt érez Kézenfekvő, hogy a BEH-mező hat a neutrínókra, de a Higgs-mechanizmus megkövetelné, hogy a szokásos neutrínóknak legyen olyan steril neutrínónak nevezett párja, amely csak a BEH mezőt érzi, mást nem kísérleti észlelésük nehéz 29

Neutrínóíz-rezgés ma át nem alakulás valószínűsége íz-rezgés elméletének becslése kamlandparaméterekkel 30

Zárszó: 2015. évi Fizikai Nobel-díj Kadzsita Takaaki 31 Arthur B. McDonald a neutrínóíz-rezgés felfedezéséért, ami bizonyítja, hogy a neutrínóknak van tömegük

Zárszó 2015 november 8-án jelentették be San Fransiscoban, hogy a 2016. évi Fizikai Áttörés díjának (Breakthrough prize in Fundametal Physics, 3 MUSD) kitüntetettjei öt neutríno-kísérlet kutatócsoportjai. a kínai Daya-Bay, a japáni KamLAND, K2K/T2K, Szuper Kamiokande és a kanadai SNO Általános vélekedés: a neutrínók vizsgálata révén lehet választ kapni a részecskefizika és a kozmológia több megválaszolatlan kérdésére.!! 32