Hogyan tegyük láthatóvá a láthatatlant? Trócsányi Zoltán Eötvös Loránd Tudományegyetem és MTA-DE Részecskefizikai Kutatócsoport Bolyai Kollégium Budapest 2019. április 24
2015. évi Fizikai Nobel-díj Takaaki Kajita 2 Arthur B. McDonald a neutrínó-ízrezgés felfedezéséért, ami bizonyítja, hogy a neutrínóknak van tömegük
3. Fizikai Nobel-díj neutrínó-kísérletért
1995. évi Fizikai Nobel-díj (fele) Frederick Reines (1918-1998) a neutrínó létezésének közvetlen kimutatásáért 4
2002. évi Fizikai Nobel-díj (fele) Raymond Davis Jr. Masatoshi Koshiba (1914-2006) (1926-) a kozmikus eredetű neutrínók észleléséért 5
A neutrínók felfedezése
Pauli elméleti jóslata béta-bomlásban látszik: n (0) p (+1) + e ( 1) energia lendület perdület megmaradása megköveteli egy további részecske keletkezését Wolfgang Pauli (1900-1958) a Pauli kizárási elv felfedezéséért n (0) p (+1) + e ( 1) + anti-νe (0) Marx György: a leptonszám megmarad 7
Csikai-Szalay kísérlet (1956) n (0) p (+1) + e ( 1) + anti-νe (0) elemi szinten: d ( 1/3) u (+2/3) + e ( 1) + anti-νe (0) 8
Csikai-Szalay kísérlet (1956) az Atomki ma az Európai Fizikai Társulat történelmi emlékhelye 9
Elemi részecskék Az anyagi részecskék három családja (fermionok) I II III tömeg töltés spin név 2,3 MeV/c 2 ⅔ ½ u u-kvark 1,27 GeV/c 2 ⅔ ½ c c-kvark 173 GeV/c 2 ⅔ ½ t t-kvark 0 0 1 foton γ 125 GeV/c 2 0 H 0 Higgsbozon Kvarkok 4,8 MeV/c 2 d d-kvark -⅓ ½ 95 MeV/c 2 s s-kvark -⅓ ½ 4,2 GeV/c 2 b b-kvark -⅓ ½ 0 0 1 g gluon neutrínó ízek Leptonok <2,2 ev/c 2 ν 0 ½ e ν 0 ½ µ 0,511 MeV/c 2 e -1 elektron <0,17 MeV/c 2 elektronneutrínó müonneutrínó 105,7 MeV/c 2 µ ½ ½ <15,5 MeV/c 2 0 ½ ν τ tauneutrínó 1,777 GeV/c 2-1 -1 ½ τ müon tau 91,2 GeV/c 2 0 Z 0 1 Z-bozon 80,4 GeV/c 2 ± 1 1 W ± W-bozon Bozonok (kölcsönhatások) 10
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) 11 e + + e - 2γ n+cd Cd* Cd+γ
Neutrínók észlelése Detektoraink az elektromos erőt érző, vagy a nehéz részecskéket észlelik β-bomlás elemi szinten: d ( 1/3) u (+2/3) + e ( 1) + anti-νe (0) megfordítva, elemi szinten: észlelt részecskék szintjén: töltéscserével (töltött áram kölcsönhatás): νe (0) +d (-1/3) u (+2/3) + e ( 1) νe (0) +d p (+1) + p (+1) + e ( 1) anti-νe (0) +u (+2/3) d (-1/3) + e (+1) anti-νe (0) +p (+1) n (0) + e (+1) νµ (0) +d (-1/3) u (+2/3) + µ ( 1) ν μ (0) +d p (+1) + p (+1) + μ ( 1) töltéscsere nélkül (semleges áram kölcsönhatás): νx (0) +d (-1/3) /u (+2/3) d (-1/3) /u (+2/3) + νx (0) νx (0) +d p + n + νx (0) 12
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 hatáskeresztmetszet: mért: 6,3 10 48 m 2 számolt: 6 10 48 m 2 13
Neutrínó rejtélyek
Davis kísérlete (1968-1993) Homestake aranybányában (1480m felszín alatt) 615 t perklóretilénnel töltött tartály: Eseményszám egysége: 1 SNU = 1 esemény/10 36 Cl mag/sec 15 eseményszám: mért: 2,56 ± 0,23 SNU (17 Ar/70 nap) becsült: 8,2 ± 1,8 SNU Nap-neutrínó rejtély
Kamiokande kísérlet (1983-1988) Kamioka (Japán) cinkbányában 2140 t vízzel töltött tartály, 50 cm átmérőjű PM csövekkel a proton-bomlás észlelése végett proton-bomlások várt száma: 300 bomlás/1 kt víz/év észlelés Cserenkov-sugárzás alapján Cserenkov-fény hullámfront észlelés sikertelen 16
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 cm FC FC e-like, p = 571.0 MeV/c Time(ns) < 950 950-955 955-960 960-965 965 965-970 970 970-970- 975 975 975-975- 980 980 980-980- 985 985 985-985- 990 990 990-990- 995 995 995-1000 995-1000 1000-1005 1000-1005 1005-1010 1005-1010 1010-1015 1010-1015 1015-1020 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 Times (ns) (ns) Super-Kamiokande Run 3011 Event 201095 Run 3011 Event 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, 0 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- 992 996 992-996-1000 996 1000-1004 996-1000 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 17 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)
Légköri neutrínók kozmikus részecske νμ + anti-νμ νe + anti-νe = 2 detektor 18
Légköri neutrínó anomália Flux ratio 10 9 8 7 6 5 4 3 2 Honda flux Bartol flux Fluka flux ν µ +ν µ /ν e +ν e Flux E ν 2(m -2 sec -1 sr -1 GeV) 10 3 10 2 10 1-1 10 10-1 Honda flux Bartol flux Fluka flux 1 10 10 2 10 3 E ν (GeV) 10-1 1 10 10 2 E ν (GeV) adat elmélet elektron események 93, 0 ± 9, 6 88,5 müon események 85, 2 ± 9, 2 144,0 19
Neutrínók keveredése
Neutrínók tömege béta-bomlásból intenzitás [tetszőleges egység] elektronok energiaeloszlása standard modellben m ν = 0 21 energia [kev]
Pontecorvo 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 egyszerű kvantummechanikai eredmény: Annak valószínűsége, hogy nem alakul át L távolság után P ( µ! µ )=1 sin 2 2 sin 2 2 m 2 = m 2 i m 2 j h c =1, 24 10 9 ev km 22 m 2 c 4 L h c E
Neutrínó-ízrezgés 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. P ( µ! µ )=1 sin 2 2 sin 2 2 m 2 c 4 L h c E 23
Neutrínó-ízrezgés neutrínó-ízrezgés 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 neutrínó-ízrezgést 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 24
Az át nem alakulás valószínűsége a Föld átmérője P(νµ νµ)=1-sin 2 2θ sin 2 (1.27 Δm 2 L/E) kis távolságon nincs átalakulás nagy távolságon 50%-os eséllyel átalakul a neutrínó θ = 45 neutrínó repülési úthossza (km) 25
Légköri neutrínó anomália értelmezése neutrínó-ízrezgéssel 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! Neutrínó-ízrezgés nélkül a felfelé és lefelé haladó neutrínók várt áramsűrűsége egyenlő (fel-le szimmetrikus) A neutrínó-ízrezgés megsérti ezt a szimmetriát (a Földön áthaladó neutrínók átalakulhatnak) 26
A fel-le szimmetria sérülése irányérzékeny detektorral mérhető 27
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 % 28
Szuper Kamiokande 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 észlelésének hatásfoka ~100% R μ/e = νμ + anti-νμ νe + anti-νe (R μ/e )mérés/(r μ/e )elmélet = 0,688±0.053 megerősíti a Kamiokande II mérését 29
Szuper Kamiokande kísérlet 30
A neutrínó-ízrezgés felfedezése eseményszám mérés elmélet cos(θ) cos(θ) a) elektron-események b) müon-események 31
A tudományos felfedezés izgalmas mert 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 neutrínó-rezgés a magyarázat? 32
Az SNO kísérlet (1998-2002) 1100 t tiszta nehézvíz (D2O) 6 m sugarú tartályban akril tartály 2000 m-rel a felszín alatt 33
Az SNO kísérlet (1998-2002) töltött részecskét keltő folyamat (Eküszöb = 1,4 MeV): νe (0) + d (+1) p (+1) + p (+1) + e ( 1) semleges részecskét keltő folyamat (Eküszöb = 2,2 MeV): νx (0) + d (+1) p (+1) + n (0) + νx (0) rugalmas szórás (Eküszöb = 0 MeV): νx (0) + e νx (0) + e nincs szükség összehasonlításra a Nap-modell által becsült neutrínó áramsűrűségekkel 34
Nap-neutrínók átalakulása eseményszám Nap-neutrínó áramsűrűség a Föld felszínén töltött folyamat alapján: Φt = (1,59 ± 0,1) 10 6 cm -2 s -1 semleges folyamat alapján: Φs = (5,21 ± 0,47) 10 6 cm -2 s -1 Events per 0.05 wide bin Nap-modell becslése: Φ = (5,82 ± 1,34) 10 6 cm -2 s -1 140 120 100 80 60 40 20 CC neutrons 0-1 -0.8-0.6-0.4-0.2-0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 COSSUN cos θnap ES (b) 35 eseményszám Events per 0.02 wide bin eseményszám Events per 500 kev 180 (a) 160 140 120 100 80 60 40 20 0 600 500 400 300 200 100 0 CC neutrons ES 0 0.2 0.4 0.6 0.8 β 14 CC ES neutrons 6 7 8 9 10 11 12 13 14 (MeV) T eff (c)
Következmények
A neutrínó-ízrezgés túlmutat a standard modellen A standard modellben a neutrínóknak nincs tömegük A neutrínó-ízrezgések 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 Higgs(BEH)-mezővel kölcsönhat, de a Higgs-mechanizmus megkövetelné, hogy a szokásos neutrínóknak legyen olyan steril neutrínónak nevezett párja, amely csak a BEH mezőt érzi, mást nem kísérleti észlelése nehéz 37
Neutrínó-ízrezgés ma át nem alakulás valószínűsége ízrezgés elméletének becslése kamland paraméterekkel 38
Zárszó a 2016. évi Fizikai Áttörés díjának (Breakthrough prize in Fundametal Physics, 3 MUSD) kitüntetettjei öt neutrino-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. 39