Csendes fizika Manno István KFKI, Részecske- és Magfizikai Kutatóintézet 2007. május 4. Csendes fizika p.1/77
Az előadás tartalma Bevezetés Csendes fizika A csendes fizika kisérletei Ritka események Ritka események számának növelése Háttéresemények Védekezés a háttéresemények ellen I Laboratori Nazionali del Gran Sasso Főépület A C-terem Bomlások Csendes fizika p.2/77
Az előadás tartalma (folytatás) Megmaradási törvények I Megmaradási törvények II Megmaradási törvények III Cserenkov-sugárzás Cserenkov-sugárzás (ábra) A proton bomlása Protonbomlás (ábra) Super Kamiokande (SK) Super Kamiokande (kép) Protonbomlások a SK-ban A proton bomlásidejének analizálása Csendes fizika p.3/77
Az előadás tartalma (folytatás) Megjegyzés A Standard Modell A neutrínó A csillagászat fejlődése Az elektromágneses sugárzás Történelem A neutrínó mint kutatási eszköz Hol születnek a neutrínók? Földneutrínók (geoneutrínók) KamLAND KamLAND (kép) Csendes fizika p.4/77
Az előadás tartalma (folytatás) Atmoszférikusneutrínók Mennyi energiát sugároz szét a Nap? Mekkora a Nap életkora? Madách Imre: Az ember tragédiája Miért tévedtek a fizikusok? Mitől ragyog a Nap? Termonukleáris reakciók a Napban A napneutrínók A napneutrínók energiaspektruma A napneutrínó-események szelektálása A neutrínófizika mérföldkövei Csendes fizika p.5/77
Az előadás tartalma (folytatás) A 37 Cl kisérlet A 37 Cl kisérlet (kép) A napneutrínók problémái Oszcillálnak-e a napneutrínók? Megoldották a napneutrínók problémáját A szupernovák A sötét anyag (dark matter) Egzotikus részecskék (mágneses monopólus szuperszimmetrikus részecskék, stb.) Kettős β-bomlás Távoli gyorsítók nyalábjai Csendes fizika p.6/77
Bevezetés Hiba lenne azt gondolni, hogy az érdekes részecskefizikaikisérleteket a jövőben csak nagy részecskegyorsítók mellett fogják végezni. Az utóbbi időben egyre nagyobb érdeklődés kiséri az úgynevezett csendes fizikát, azokat a kisérleteket, amelyeket mélyen a föld alatt kis háttérsugárzással rendelkező laboratóriumokban végeznek. Csendes fizika p.7/77
Csendes fizika (Underground physics) Az utóbbi időben egyre nagyobb érdeklődés kiséri az úgynnevezett csendes fizikát, azokat a kisérleteket, amelyeket mélyen a föld alatt kis háttérsugárzással rendelkező laboratóriumokban végeznek. A Csendes fizika a fizika egy viszonylag fiatal ága, amely csupán néhány évtizedes múltra tekinthet vissza. A csendes fizika két szempontból is találó elnevezés. Először is azért, mivel kozmikus csend uralkodik azokon a helyeken, ahol ezeket a kisérleteket végzik. Másodszor pedig azért, mert ezeken a helyeken nem lehet hallani a Föld felszínén létező zajokat. Csendes fizika p.8/77
A csendes fizika kisérletei Vannak olyan problémák, amelyeket gyorsítós kisérletekkel lehetne tanulmányozni, azonban a jelenlegi gyorsítók méreteiből kiindulva olyan nagy gyorsítót kellene építeni, amelynek kerülete nagyobb lenne a Föld egyenlítőjénél. Ilyen gyorsító megépítésére nyilvánvalóan nincs mód. Lehet, hogy az Univerzum születésekor az ősrobbanásban (Big Bang) keletkeztek és még ma is léteznek egzotikus részecskék, mivel elkerülték azt, hogy a keletkezésük után találkozva antirészecskéjükkel annihilálódjanak. Ilyen esetben azt tehetjük, hogy építünk egy detektort és várjuk, hogy a részecske áthaladjon a detektoron. Csendes fizika p.9/77
Ritka események Vannak olyan események, amelyek nagyon ritkán következnek be, ilyen események például az olyan bomlások, amelyeknek nagyon kicsi a bomlási állandójuk, vagy olyan részecskék kölcsönhatásai, amelyek az anyaggal nagyon gyengén hatnak kölcsön, nagyon kicsi a hatáskeresztmetszetük, ilyenek például a neutrínó-kölcsönhatások. A Nagy Magellán-felhőben 1987 február 23-án felragyogott egy szupernova (SN1987A). Ebben a csillagrobbanásban 10 69 neutrínó keletkezett, ezek közül 10 16 haladt át a Kamiokande II. detektoron és a detektor ezek közül csupán tizenkattőt vett észre (detektált). Csendes fizika p.10/77
A ritka események számának növelése A ritka események számát az esemény típusától függően különböző módon lehet növelni: Nagy céltárgyat kell használni, amelyben sok részecske van (több ezer tonna). Nagy intenzitású részecskenyalábot kell alkalmazni. Ha lehetséges növelni kell a részecskék hatáskeresztmetszetét. Hosszú ideig kell mérni (több év). Csendes fizika p.11/77
Háttéresemények Háttéreseményeknek nevezzük azokat az eseményeket, amelyek a vizsgálni kivánt eseményekhez hasonló nyomot képesek hagyni a detektorban. A kozmikussugárzás és a természetes radioaktivitás háttéreseményeket hoznak létre. Azért, hogy a háttéresemények ne zavarják a vizsgálatra kiválasztott események kiértékelését, a számukat egy meghatározott érték alá kell csökkenteni. Csendes fizika p.12/77
Védekezés a háttéresemények ellen A háttéresemények elleni védekezésnek két módja van. Az aktív esetben fel kell ismerni a háttéreseményeket és a felismert eseményeket ki kell zárni a vizsgálni kivánt események közül (antikoincidencia, trigger, offline software). A passzív esetben, például a kozmikussugárzás ellen vastag anyagréteggel lehet védekezni. Ezért a kisértleteket mélyen a föld alatt, vagy a víz alatt végzik. A természetes radioaktivitás ellen pedig úgy lehet védekezni, hogy a detektorban és a környezetében a radioaktivitás szempontjából megfelelően tiszta anyagokat kell használni. Csendes fizika p.13/77
I Laboratori Nazionali del Gran Sasso Csendes fizika p.14/77
Main Building Csendes fizika p.15/77
Hall-C Csendes fizika p.16/77
Bomlások Általában egy részecske, vagy a részecskéknek egy rendszere akkor stabil, ha vagy a lehetséges legalacsonyabb energia állapotban található, vagy valamilyen mechanizmus megakadályozza, hogy a legalacsonyabb energia állapotba kerüljön. Például egy elektron nem bomolhat neutrínóba, sem fotonba, akkor sem, ha azok tömege kisebb mint az elektron tömege, azért mert ebben a bomlásban nem marad meg az elektromos töltés. Az elektromos töltésnek meg kell maradnia egy szimmetria elv (a skalár tér helyi mértékinvarienciája) miatt. Csendes fizika p.17/77
A megmaradási törvények I Egy mennyiség megmaradása annyit jelent, hogy a reakció előtti értékek összege ugyanakkora, mint a reakció végén kapott értékek összege. Vegyük például az elektromos töltést. A szabad neutron elbomlik: n p + + e + ν e, ahol a neutron (n) semleges, azaz elektromos töltése 0. A bomlásban keletkező részecskék töltései: a proton (p) töltése +1, az elektron (e) töltése -1, az antielektronneutrínó ( ν e ) töltése pedig 0. Így az elektromos töltések összege a bomlása előtt (0) ugyanakkora, mint a bomlás után (0). Csendes fizika p.18/77
A megmaradási törvények II Az alapvető megmaradási törvények az idő, a tér és a Maxwell-egyenletek szimmetria tulajdonságainak a következményei. Nevezetesen annak, hogy a fizikai törvények nem változnak meg, invariánsak, ha megváltoztatjuk az időskála kezdőpontját, a koordinátarendszer kezdőpontját, ha elforgatjuk a koordinátarendszert vagy ha megváltoztatjuk az elektromos potenciál kezdőpontját. Csendes fizika p.19/77
A megmaradási törvények III Vannak olyan megmaradási törvények, amelyek nem alapvető szimmetria tulajdonságokon nyugszanak. Azért tekintjük ezeket megmaradási törvényeknek, mert sohasem figyeltük meg azt, hogy nem teljesülnek. Abból azonban, hogy nem figyeltük meg a proton bomlását nem következik az, hogy a proton nem bomlik. Csendes fizika p.20/77
Cserenkov-sugárzás Cserenkov-sugárzás akkor jön létre, ha egy elektromosan töltött részecske egy átlátszó közegben gyorsabban halad, mint a fény v > v t = c/n, ahol v a részecske sebessége, v t a fény sebessége az átlátszó anyagban, c a fény sebessége vákuumban, n pedig az átlátszó anyag fénytörésmutatója. A töltött részecske polarizálja az átlátszó anyag molekuláit, amelyek gyorsan visszatérnek az alapállapotukba és közben fotonokat bocsátanak ki. A kibocsátott sugárzás hullámfrontja ϑ szöget zár be a részecske haladási irányával: ahol β = v/c. cos ϑ = v t /v = c/(vn) = 1/(βn), Csendes fizika p.21/77
Cserenkov-sugárzás Csendes fizika p.22/77
A proton bomlása A proton következő bomlása: p π 0 + e + π 0 γ + γ nem mond ellent az alapvető megmaradási törvényeknek. Ilyen bomlást azonban nem találtak. Ennek a magyarázatára 1930-ban Hermann Weyl, E.C.G. Stückelberg és Eugene P. Wigner bevezeték a barionszámot. A barionszám megmaradása azonban nem alapszik olyan alapvető elveken, mint a korábban említett megmaradási törvények. Csendes fizika p.23/77
Protonbomlás Csendes fizika p.24/77
Super Kamiokande (SK) A kisérlet 2000 láb (609.6 m) mélyen van a föld felszine alatt. Ez egy Cserenkov-detektor, amelynek a céltárgya víz (50000(32000) tonna). A vízben neutrínó elektron szórás megy végbe: ν e +e ν e +e, ν µ +e ν µ +e, E th = 9 MeV. A víz egy duplafalú, hengeralakú rozsdamentes acélból készült tartályban van, amelynek belső felületén 11146 darab 20 inch (50.8 cm) átmérőjű fotoelektron-sokszorozó figyeli a tartályban bekövetkező eseményeket. A hengeralakú detektor méretei: d = 39.3 m, h = 41.4 m. 1996-ban kezdett mérni. Csendes fizika p.25/77
Super Kamiokande Csendes fizika p.26/77
Protonbomlások a SK-ban A proton bomlásának idejét jelenleg 10 33 évnél hosszabbra becsüljük. A részecskék bomlását a következő egyenlet írja le: N = N 0 e λt N 0 (1 λt), ahol λ = 10 33 /év. A Super Kamiokande céltárgya 50000(32000) víz, ebben a szabad protonok száma: N 0 = 3.3 10 33. Ezeket felhasználva, bomlások száma egy év alatt: N = N 0 N = N 0 λt = (3.3 10 33 ) ( 10 33 1év ) (1év) = 3.3. Csendes fizika p.27/77
A proton bomlásidejének analizálása Feltéve, hogy a proton bomlásideje 10 33 év, az SK-ban évente átlagosan 3 protonbomlást várunk. A Poisson eloszlás, f(k; µ) = µ k e µ /k! alapján annak a valószínűsége, hogy µ = 3. várhatóérték mellett ne detektáljunk egy bomlást sem: f(0; 3) = 30 e 3 0! = 0.05. Ez nagyon kicsi érték, ami azt sugalja, hogy a proton bomlási állandója a használt értéknél kisebb. Csendes fizika p.28/77
Megjegyzés Amikor kezdetben felvetődött a proton bomlásának a kérdése, a szakemberek többsége úgy gondolta, hogy a proton stabil. Most, hogy a kisérletek egyre nagyobb értéket adnak a proton bomlásidejének alsó határára a szekemberek többsége biztosra veszi, hogy a proton bomlik. Csendes fizika p.29/77
A Standard Modell Csendes fizika p.30/77
Neutrínó Három elektromosan töltött leptont ismerünk: az elektront (e ) és a hozzá hasonló, de nála nehezebb müont (µ ) és a taut (τ ). Minden töltött leptonhoz tartozik egy elektromosan semleges lepton, egy neutrínó: az elektronhoz az elektronneutrínó (ν e ), a müonhoz a müonneutrínó (ν µ ), a tauhoz pedig a tauneutrínó (ν τ ). A neutrínók a gravitációskölcsönhatáson kívül csak a gyengekölcsönhatásban vesznek részt, ezért nagyon nehéz detektálni őket. Csendes fizika p.31/77
A csillagászat fejlődése A csillagászat a világegyetem megismerésével, az égitestek tanulmányozásával foglalkozó tudomány. Irásos és régészeti emlékek tanuskodnak arról, hogy elődeink több évezrede már foglalkoztak csillagászati problémákkal. A távcső felfedezésétől kezdve egyre több ablak nyilt ki a csillagos ég tanulmányozására. Különösen a XX. század második felében a látható sugárzáson kivül az emberi szem számára láthatatlan sugárzásokkal számos új jelenséget fedeztek fel például: az ősrobbanásból származó kozmikus mikrohullámú háttérsugárzást (CMBR), az aktív galaxis magokat (AGN), a gammasugárzási forrásokat (GRB), stb. Csendes fizika p.32/77
Elektromágneses sugárzás Sugárzás Hullámhossz (m) Frekvencia (Hz) Rádió 3 10 1 < λ < 2 10 3 1.5 10 5 < ν < 3 10 13 hosszú 1 10 3 < λ < 2 10 3 1.5 10 5 < ν < 3 10 5 közép 1.5 10 2 < λ < 6 10 2 5 10 5 < ν < 2 10 6 rövid 1.5 10 1 < λ < 5 10 1 6 10 6 < ν < 2 10 7 ultrarövid 1 < λ < 1.5 10 1 2 10 7 < ν < 3 10 8 mikrohullám 3 10 5 < λ < 1 3 10 8 < ν < 10 13 Infravörös 7.6 10 7 < λ < 3 10 4 3 10 12 < ν < 3.9 10 14 Látható 3.8 10 7 < λ < 7.6 10 7 3.9 10 14 < ν < 7.8 10 15 Ultraibolya 10 8 < λ < 3.8 10 7 7.8 10 14 < ν < 3 10 16 Röntgen (X) 10 12 < λ < 10 8 3 10 16 < ν < 3 10 20 Gamma (γ) 3 10 14 < λ < 3 10 10 3 10 18 < ν < 6 10 22 Csendes fizika p.33/77
Történelem 1608 hollandiai távcső 1590 olasz távcső (Galilei) 1945 számítógép (Neumann) 1946 Radarcsillagászat (Bay) Röntgencsillagászat 1964 neutrínócsillagászat Rádiócsillagászat Infravöröscsillagászat Ultraibolyacsillagászat Gammacsillagászat Csendes fizika p.34/77
A neutrínó mint kutatási eszköz A neutrínók kiváló kutatási eszközök, szondarészecskék. Ennek az a magyarázata, hogy az anyaggal csak gyengén hatnak kölcsön. Az anyag alig abszorbeálja őket, az elektromos és mágneses mezők nem hatnak rájuk, így a keletkezési helyüktől egyenes vonalban érkeznek meg a detektorhoz, megőrizve az információt a keletkezésük körülményeiről (impulzus, energia, a keletkezési helyükhöz mutató irány). Így a neutrínók eljutnak hozzánk az Univerzum távoli részeiből, ahol érdekes égitesteket találunk. Más szondarészecskéket az anyag abszorbeál. Az elektromosan töltött részecskéket eltérítik az elektromos és mágneses mezők. Csendes fizika p.35/77
Hol születnek a neutrínók? Részecskegyorsítókban, atombombarobbantásokban, atomreaktorokban. Földben és az atmoszférában. A Napban és a csillagokban a termonukleáris reakciókban. A szupernováknak nevezett csillagrobbanásokban. Az Univerzum más aktív részeiben, mint például az aktív galaxisokban. A sötét anyag annihilációjakor Az ősrobbanásban (háttérneutrínók). Csendes fizika p.36/77
Földneutrínók (geoneutrínók) A geoneutrínók nagyon alkalmasak arra, hogy segítségükkel bepillantsunk a Föld belsejébe végbemenő folyamatokba. 2004 októberében első esetben mérték a Föld belsejéből érkező ún. geoneutrínókat a KamLAND (Kamioka liquid scintillator antineutrino detector) földalatti neutrínó-detektorral. Ezek a neutrínók föleg az 238 U és 232 Th bomlási sorokban keletkeznek a Föld belsejében. A KamLAND egy 1kt folyadészcintillátort tartalmazó detektor. A szakemberek úgy gondolják, hogy idővel lehetséges lesz a Föld belsejéről a háromdimenziós komputertomográfiás felvételekhez hasonló felvételeket is készíteni. Csendes fizika p.37/77
KamLAND Az 1 kt folyadészcintillátor egy 13 m átmérőjű átlátszó ballonban van. A ballon egy fémgömben van, a ballon és a fémgömb közötti részt egy bufferfolyadék tölti ki. Az 1800 fotoelektron-sokszorozót a fémgömb belső felületéhez rögzítették. A fémgömböt a Kamiokande II rozsdamentes acéltartályában helyezték el (d = 15.6 m, h = 16.0 m). A detektor központi részét több ezer tonna víz veszi körül. A víz többféle módon védi a detektor központi részét a radioaktív sugárzástól. Passzív módon abszorbeálja a kintről, az üreg falából jövő neutronokat. Aktív módon pedig felismeri a detektorba érkező müonokat. Csendes fizika p.38/77
KamLAND Csendes fizika p.39/77
Mennyi energiát sugároz szét a Nap? 1 cm 3 jég a Földön 40 perc alatt elovad egy nyári napon. A Nap-Föld távolságának megfelelő sugarú (150 millió kilométer), 1 cm vastag jégből álló gömbhély is elolvad 40 perc alatt. A Nap teljes felszínét beborító 0.44 km vastag jégréteg is elolvat 40 perc alatt. Ez a Föld térfogatának 2.5-szerese. Csendes fizika p.40/77
Mekkora a Nap életkora? A Nap által szétsugárzott energia és a Nap életkora olyan szoros kapcsolatban áll egymással, mint egy érem két oldala. Kémiai reakció 1862 Lord Kelvin: gravitáció Charles Darvin: erózió és evolució Mai tudásunk alapján: 3000-4000 év 20 000 000 év 300 000 000 év 4 600 000 000 év Csendes fizika p.41/77
Madách Imre: Az ember tragédiája Madách Imre 1860-ban írt drámájában, Az ember tragédiájában, Ádám újra meg újra testet ölt a történelem nagy alakjaiban, hogy újabb társadalmi modellt kipróbálva keresse az emberiség célját. A tizenkettedik színben a falanszter jelenetben a Nap végzetéről a természettudós a következőképpen elmélkedik: Négy ezredév után a Nap kihül, növényeket nem szül többé a Föld. E négy ezredév tehát a miénk, hogy a Napot pótolni megtanuljuk. Elég idő tudásunknak, hiszem. (Szilárd Leó kedvenc olvasmánya volt Az ember tragédiája.) Csendes fizika p.42/77
Miért tévedtek a fizikusok? A fizikusok a Nap életkorára azért adtak rosszabb becslést, mint Charles Darvin, mert ebben az időben a fizikának még hiányoztak azok a részei, amelyek szükségesek a probléma megoldásához. Henri Bequerel 1896-ben fedezi fel a radioaktivitást. Albert Einstein 1905-ben publikálja a speciális relativitás elméletét és ebben a híres E = mc 2 képletét. Csendes fizika p.43/77
Mitől ragyog a Nap? Mélyen a Nap belsejében termonukleáris reakciókban 4 proton (p) héliumatommaggá ( 4 2He) alakul: 4p 4 2 He + 2e + + 2ν e + 26.73 MeV, ahol e + a pozitront, ν e pedig az elektronneutrínót jelöli. 1 ev = 1.602 10 19 Joule. Csendes fizika p.44/77
Termonukleáris reakciók a Napban pp-chain 98.5% CNO-cycle 1.5% Csendes fizika p.45/77
A napneutrínók energiaspektruma 10 12 Solar neutrino spectrum 10 11 pp 10 10 10 9 13 N 7 Be 15 O 10 8 10 7 10 6 17 F 10 5 7 Be 8 B 10 4 10 3 pep hep 10 2 10-1 1 10 Csendes fizika p.46/77
A napneutrínó események szelektálása A napneutrínó-események számának növelése: Nagy céltárgy Hosszú mérési idő A háttéresemények számának csökkentése: A kozmikussugárzás csökkentése: Passzív: Aktív: A természetes rádióaktivitás csökkentése: Külső: Belső: (több ezer tonna) (több év) Védő anyagréteg µ-vétó Védő anyagréteg Tiszta anyagok Folyamatos tisztítás A háttéresemények felismerése és eliminálása. Csendes fizika p.47/77
A neutrínófizika mérföldkövei 1946-ban Bruno Pontecorvo a Cl targetet javasolja neutrínók detektálására: ν + 37 Cl e + 37 Ar. 1957-ben Bruno Pontecorvo felveti a neutrínó-oszcilláció lehetőségét. 1964-ben Raymond Davis Jr. elkezdi az úttörő Cl-kisérletét a Homestake aranybányában. 1968-ban Raymond Davis bejelenti a Cl-kisérlet eredményeit és a napneutrínók problémáját (SNP). Csendes fizika p.48/77
A 37 Cl kisérlet Ezt az úttörő radiokémiai kisérletet 1964-ban kezdi el Ray Davis munkatásaival. A kisérlet 4850 láb mélyen található a Homstake aranybányában. A detektor tartályában 615 tonna tisztítószer (C 2 Cl 4 ) van. Az elektronneutrínó (ν e ) a következő reakciót hozza létre a detektorban: ν e + 37 Cl e + 37 Ar, E th = 0.814 MeV. Az 37 Ar atom instabil. A bomlásideje kb. 35 nap. A 37 Cl atomok között található 37 Ar atomok megkeresése hasonló nagysárendű feladat, mintha a Szahara homoksivatagban egy meghatározott homok szemet kellene megkeresni. Csendes fizika p.49/77
A 37 Cl-kisérlet (Homestake) Csendes fizika p.50/77
A napneutrínók problémái Jelentős különbség van a mért és jósolt napneutrínó fluxusok között. A különbség a mért és a jósolt érték között változik az energiával. 7 Be - 8 B probléma. A napneutrínó-kisérletek detektálják a 8 B-neutrínókat, de nem detektálják a 7 Be-neutrínókat. Ez pedig ellent mond a pp-lánc logikájának, amely szerint a 8 B a 7 Be-ből keletkezik. Csendes fizika p.51/77
Oszcillálnak-e a napneutrínók? A választ erre a kérdésre a következőképpen kaphatjuk: Az elmélet szerint a Napban csak ν e elektronneutrínók keletkeznek. Fluxusok: Mérni kell a Napból érkező ν e elektronneutrínók Φ(ν e ) fluxusát. Mérni kell a Napból érkező ν x neutrínók Φ(ν x ), ν x = ν e, ν µ, ν τ, fluxusát a típusuktól függetlenül. A napneutrínók oszcillálnak, ha: Φ(ν e ) < Φ(ν x ), ν x = ν e, ν µ, ν τ. Csendes fizika p.52/77
Sudbury Neutrino Observatory (SNO) A detektor 2073 m mélyen van a Creighton bányában, Sudbury Ontario, Kanada. A SNO egy Cserenkov-detektor, amely azonos időben (real time) méri a napneutrínókat. A detektor mérő térfogata 1000 tonna D 2 O nehéz vizet tartalmaz, amelyet 4 m vastag H 2 O víz réteg vesz körül. A detektor céltárgyát (mérő térfogatát) körülötte koncentrikusan elhelyezett 9456 fotoelektron-sokszorozó figyeli. Csendes fizika p.53/77
Sudbury Neutrino Observatory Csendes fizika p.54/77
ν-kölcsönhatások a SNO detektorban Amikor az elektronneutrínó (ν e ) a töltött áram közvetítésével kölcsönhat a deutériummal, akkor egy W + bozon átadására kerül sor és a deutérium neutronja protonná változik: ν e + D p + p + e, (CC), ahol CC charged current (töltött áram). Amikor a neutrínó ν x a semleges áram közvetítésével kölcsönhatásba kerül a deutériummal, akkor egy Z 0 bozon átadására kerül sor: ν x + D ν x + n + p, (NC), ahol NC neutral current (semleges áram). Csendes fizika p.55/77
egoldották a napneutrínók problémáját A mérések eredményei: φ CC SNO (ν e) = 1.75±0.07(stat.) +0.12 0.11 (sys.)±0.05(theor.) 106 cm 2 s 1 A φsno CC (ν e) értéket összehasonlítva a Super Kamiokande (SK) nagypontossággal megmért φ (ES) SK (ν x) értékével, azt kapták, hogy az elérés a hiba 3.3-szorosa: φ ES SK (ν x) = 2.32 ± 0.03(stat.) +0.08 0.07 (sys.) 106 cm 2 s 1, φ ES SK (ν x) φ CC SNO (ν e) = 0.57 ± 0.17 10 6 cm 2 s 1. Ennek alapján állíthatjuk, hogy a teljes neutrínó-fluxusban nem csak elektronneutrínók vannak. Csendes fizika p.56/77
További eredmények Kiszámították a teljes 8 B-neutrínó fluxust is: (5.44 ± 0.99) 10 6 cm 2 s 1. Ez pedig kitűnő egyezésben van az elméleti értékkel: 5.05 10 6 cm 2 s 1. Csendes fizika p.57/77
Szupernovák 1054, kinai csillagászok, Bika csillagkép, Rák-köd, 1600 km/s sebességgel tágul. 1572, Tycho Brache, Cassiopeia csillagkép 1604, Galilei, Kigyó csillagképben, Keplerről neveztél el 1987, SN1987A, Nagy Magellán-felhő Neutrínók, 23/2/1987 7.33 UT. A szupernovában 10 58 neutrínó keletkezett. Ezek közül a neutrínók közül 10 16 haladt át a Kamiokande II detektoron, amelyek közül a detektor csupán 12-t vett észre (detektált). 27/2/1987 ESO Schmidt teleszkóp (Csille). Csendes fizika p.58/77
Rák-köd (1054) Csendes fizika p.59/77
Tycho Brache (1572) Csendes fizika p.60/77
Kepler (1604) Csendes fizika p.61/77
SN1987A Csendes fizika p.62/77
SN1987A Csendes fizika p.63/77
SN1987A Csendes fizika p.64/77
SN1987A Csendes fizika p.65/77
Kamiokande II KamiokaNDE Kamioka Nucleon Decay Experiment. A kisérlet 1000 méterre van a föld felszine alatt (2700 m.w.e.) Ez egy Cserenkov-detektor, amelynek a céltárgya víz (2142(680) tonna). A vízben neutrínó elektron szórás megy végbe: ν e + e ν e + e, E th = 9 MeV. A detektor méretei: h=16.0 m, d=15.6 m, V=3058 m 3, 948 20-in PMT, 20% lefedettség. 1985-ben kezdte mérni a napneutrínókat, miután arra alkalmassá tették. 1986-ban figyelték meg a Napból jövő neutrínók irányát. Csendes fizika p.66/77
Nobel laureates in physics in 2002 Raymond Davis and Masatoshi Koshiba for pioneering contributions to astrophysics, in particular for the detection of cosmic neutrinos Csendes fizika p.67/77
Sun and Supernova SN1987A Csendes fizika p.68/77
Short Story of Borexino In 1987 prof. R.S. Raghavan from the AT & T Laboratories proposed the Boron Solar Neutrino Experiment. BOREX is an acronym from the original name of the experiment: Boron Solar Neutrino Experiment. The scintillator of this 2000 t detector contains boron: TMB (B(OCH 3 ) 3 ). ν e + 11 B β + 11 C (CC), ν x + 11 B ν x + 11 B (NC). Later the collaboration designed smaller (300 t) detector. The name Borexino means little BOREX, like neutron and neutrino. Csendes fizika p.69/77
Borexino This real time detector is based on liquid scintillation detection technique. It will provide high luminosity, high radiopurity, low energy threshold and so will give unique information about solar neutrinos specifically from the 7 Be-neutrino source. The experiment s goal is the direct measurement of the flux of 7 Be solar neutrinos of all flavors via neutrino-electron scattering in ultra-pure scintillation liquid: ν + e ν + e. A new technology has been developed for Borexino with the test detector CTF. It enables sub-mev solar neutrino spectroscopy for the first time. Borexino will also address several other frontier questions in particle physics, astrophysics and geophysics. Csendes fizika p.70/77
Borexino (drawing) Csendes fizika p.71/77
CTF Results The standard method (10 10 10 12 ) fall far short of Borexino levels (10 16 ). With the CTF, records were achived in the domain of low background large volume detectors: 14 C Concentration: 232 Th impurity: 238 U impurity: 14 C/ 12 C = (1.85 ± 0.13 ± 0.01) 10 18 4.4 +1.5 1.2 10 16 g/g. (3.5 ± 1.3) 10 16 g/g. Csendes fizika p.72/77
Counting Test Facility A large volume (4.8 m 3 ) liquid scintillation detector has been running in Hall C of the Gran Sasso Underground Laboratory since February 1995. This detector is called the Counting Test Facility (CTF). The main goal of the detector facility is the measurement of ultralow background levels in scintillators and the development of processes able to purify them at this level. The detector has been designed to have exeptional sensitivity using a variety of methods to identify backgrounds. Csendes fizika p.73/77
Counting Test Facility 1995 februárjától működik egy nagytérfogatú (4.8 m 3 ) nemszegmentált folyadékszcintillátoros detektor a Gran Sasso-i földalatti laboratórium C-termében. Ez a detektor a Counting Test Facility elnevezést kapta. Ennek a detektornak az volt a főfeladata, hogy különböző módszerekkel ultraalacsony radioaktivitás értéket mérjen és segítségével kifejlesztsenek olyan módszereket, amelyekkel ez az alacson radioaktivitás hosszú időn keresztül fenttartható és folyamatosan tisztítható. Csendes fizika p.74/77
CTF Open Structure Csendes fizika p.75/77
Hall-C and the CTF Water Tank Csendes fizika p.76/77
IceCube and GRB in W49B Csendes fizika p.77/77