Nadświetlne neutrina –wyniki eksperymentu

OPERA

Ewa Rondio

Narodowe Centrum Badań Jądrowych

Warszawa, 1 .12.2011RADA DO SPRAW ATOMISTYKI

neutrina n - cząstki punktowe ... bez ładunku elektrycznego, (bez masy ?)

źródło: http://chall.ifj.edu.pl/przygodazczastkami/

istnienie n zaproponowano aby „uratować zasadę zachowania energii” w rozpadzie beta

Pauli powiedział, że zrobił rzecz straszną

postulując istnienie cząstki której nigdy nie uda się zaobserwować

ALE nie docenił experymentatorów

n nie wchodzą w skład ukłądów związanych łamią symetrie P (odbicie lustrzane) mamy różne „rodzaje” neutrin

występują w różnych „zapachach”

n

najbardziej nieuchwytne cząstki materii

F. Reines: „....najmniejsza porcja rzeczywistosci, jaką

kiedykolwiek człowiek wymyślił.”

Odgrywają ważną rolę w Modelu Standartowym

• masa neutrina < 10-6 masy elektronu• ładunek elektryczny = 0• bardzo trudne do obserwacji biorą udział tylko w oddz. słabych

Neutrino?

• tworzą pary z naładowanymi leptonami• rodzaj neutrina określamy przez lepton który mu towarzyszy w oddziaływaniu

najbardziej nieuchwytne cząstki materii

a tymczasem ....

Słońce emituje: 2x1038 ν/sek

Na Ziemię przybywa: > 4x1010 ν/sec/cm2

Bardzo wiele neutrin powstało w Wielkim Wybuchu

teraz we Wszechświecie jest ok. 330 ν/cm3

– 3 razy mniej niż fotonów, ale– 109 razy więcej niż nukleonów

Model Standardowy – oddziaływania

νe νμ ντ

e− μ− τ −

u c t

d s b

+ 23

−13

0

−1W+

W-

W- W+

Z0

g

Z0

g

gluon

gluon

oddz. silne

oddz. elekro-słabe

Oddziaływania elektro-słabe (semi-leptonowe) Rozpad b neutronu (postulat isntnienia „malej neutralnej czastki” - Pauli

Wychwyt elektronu

‘odwrotny rozpad beta’

Neutrina – cząstki nieuchwytneNeutrin jest bardzo dużo ale także niezwykle trudno je złapać!

» Nie mają ładunku elektrycznego» Bardzo słabo oddziałują z materią

Aby je zatrzymać potrzebny byłby ołowiany blok o grubości

3 lat świetlnych!!! (czyli ok. 2 miliony razy dłuższy niż odległość z Ziemi do Słońca)

» Do ich badania potrzebujemy dużych detektorów » i sprytnej metody detekcji:

nBUM

!

cząstka naładowana: e, m,

t

Jądro atomowe

Jak zarejestrować neutrino ?

jak zaobserwowac neutrina?

rekonstrukcja – próba uzyskania maksimum informacji: czas, energia ...– obserwacja cząstek naładowanych– obserwacja produktów oddz. lub rozpadu

cząstek neutralnych– rekonstrukcja wierzchołka oddziaływania

przykładowe procesy dla oddziaływań na nukleonie i elektronie

ν x + N → e / μ / τ + ′N (+x)

ν x + N → ν x + ′N (+x)

ν e + ew−atomie → ν e + eszybki

lepton identyfikuje rodzaj neutrina

możliwa obserwacja cząstek wtórnych

jedyny proces dla małych energii100 razy mniejszy przekrój czynny

detekcja oddziaływań neutrin

detektory scyntylacyjnedetektory Czerenkowa

(woda, lód, woda morska)detektory typu “przekładaniec”:

np. żelazo – scyntylatoremulsje jądrowekomora TPC wypełniona

ciekłym argonem

zasada pomiaru prędkości neutrin prędkość neutrin to wynik dzielenia drogi przez czas,

potrzebne jest więc– dokładny pomiar drogi przebytej przez neutrina: odległość między

punktem produkcji i punktem oddziaływania

i– pomiar czasu przelotu neutrin

czas : określenie czasu produkcji n

określenie czasu oddziaływania w dalekim detektorze

odległość : metody geodezyjne

oczekiwany efekt jest bardzo mały – potrzebna jest bardzo duża odległość

analiza ślepa – aby uniknąć obciążeń związanych z sugerowania się oczekiwanym wynikiem

analiza czasu przelotu (ToF)

neutrina są produkowane w sposób sztuczny lecą pod ziemia do wielkiego detektoraprzygotowanego do ich detekcji i pomiaru czasu

wiązka neutrin CNGS i eksperymenty OPERA i ICARUS

CERN

Gran Sasso

OPERA – detektory warstwowe:

przekładaniec : - warstwa ciężkiego materiału - warstwa czuła (scyntylator)

emulsje jądrowe

dotychczas opublikowany wynik: jedenkandydat na oddziaływanie

n t

celem eksperymentu jest poszukiwaniesygnału oddziaływania neutrina-tau

przygotowanie wiązki neutrin

pomiar czasu dla protonów przed tarczą ocena czasu między oddziaływaniem w tarczy a produkcja

neutrina poprawka jest 1.4x10-2 ns czas przelotu od punktu produkcji do detektora OPERA

2439280.9 ns jesli założymy prędkość światła

profil czasowy protonów padających na tarczę – 10.5 ms

jeśli obserwujemy oddziaływanie w LNGS wiemy tylko z którego impulsu

laboratorium podziemne LNGS w Gran Sasso

czas jest liczony dla pierwszego sygnału zarejestrowanego w detektorze

potem robi sie poprawkę tak żeby otrzymać czas na wejściu do detektora

oddziaływania wewnątrz detektora

oddziaływania w skałach przed detektorem

rozkład czasu dla wszystkich przypadków spełniających kryteria “oddziaływanie neutrina”

rozkłady przed i po dopasowaniu przesunięcia

przesunięcie

(1048.5+/-6.9)nsdopasowania

są dobre

chi2 ok. 1-1.2

ocena niepewności systematycznych

odległość : GPS – 2 cm,

geodezyjny pomiar podziemny – kilkanascie cm

czas

wyniki dla podzbiorówdanych

ostatecznie:

względna różnica prędkości neutrin

δt = TOFc − TOFν = (1048.5 ± 6.9(stat.))ns − 987.8ns

= (60.7 ± 6.9(stat.))ns

(v −c) / c=δt / (TOFc −δt) =

=(2.49 ±0.28(stat.) ±0.30(sys.))⋅10−5s

sprawdzenie zależności od energii

dla oddziaływań kwazi-elastycznych (2_->2) można wyznaczyć energie neutrina mając pomiar mionu

podział na 2 przedziały nie widać różnicy

(D= 13.4+/-26.3 ns)

Od czasu ogłoszenia wyniku wykonano kolejne sprawdzenia :

dokładna ocena zmian odległości związana z pływami wywołanymi przyciąganiem księżyca- 2cm/rok

wiązka porusza sie zgodnie z kierunkiem obrotu Ziemi – 2.2 ns, powiększa efekt v>c

efekty relatywistyczne i grawitacyjne – wpływ na odległość – max. 2cm

rozszerzanie termiczne tarczy – zmiana gęstości – max. 3 promile

dokładność pozycji proton neutrino - 50 mm

nowe dane: 22.X-6.XI, 4*1016 pot

zbieranie danych z bardzo krótki impulsem protonów

2 ns impuls, 524 ns przerwa nie trzeba robić fitu wiemy kiedy był impuls z którego widzimy

oddziaływanie

– zaobserwowano 20 oddziływań– czas wysłania neutrina znany z dokładnością do 2 ns

przesunięcie d = ToFn - ToFc

każde oddziaływanie można przypisać do krótkiego impulsu

nie ma dopasowania dt jest liczona dla

każdego oddziaływania już niewielka próbka

pozwala sprawdzić czy jest przesunięcie

d=(62.1+/-3.7) ns

zgodne z poprzednim wynikiem

Troche historii - bo to nie pierwszy taki pomiarwcześniej wynikiem były tylko ograniczenia na różnicę prędkości

FNAL – neutrina na krótkiej bazie, En>30GeV,

limit (v-c)/c < 4*10-5 (publ. Phys.Rev.Lett, 1979)

MINOS – publikacja z 2007 roku, podobne L,

maksimum energii 3 GeV,

limit (v-c)/c<(5.1+/-2.9)*10-5 1.8 sSN1987A , En ~10 MeV,

baza naprawdę długa – 163 000 ly

limit (v-c)/c<2*10-9 <<< wynik OPERY !!!

MINOS przekładaniec : - warstwa ciężkiego materiału - warstwa czuła (scyntylator)

MINOS

MINOS

dwa detektory – bliski i daleki

neutrina z wybuchu SN1987A przyleciały 3 godziny wcześniej niż sygnał świetlny

3 detektory zarejestrowały sygnał z supernowej: Kamiokande (Japonia) – 11 przypadków IMB (USA) – 8 przypadków Baksan (Rosja) – 5 przypadków

Tego typu sygnał pojawił się w detektorach neutrin i to on był oznaką wybuchy supernowej.

gdyby różnica prędkości była taka jaką widzi OPERAprzyleciałyby 4 lata przed światłem !!!!

plany na przyszłość:

w przyszłym roku dłuższy okres z wiązką impulsową (2 ns – 100 ns)

udział 4 eksperymentów z Gran Sasso– OPERA– ICARUS– BOREXINO– LVD

niezależne zegary, kalibracjawspólna infrastruktura w LNGS

różne techniki detekcji, czułość na efekty systematyczne, niezależna analiza

ICARUS

» Detektor ciekłoargonowy (LAr)

» Poszukiwanie oscylacji νμ =>ντ

» Rejestracja produktów oddziaływań neutrin -> jonizacja ośrodka, rejestracja ładunku

e-, 15 GeV, pT=1.16 GeV/c

Vertex: 10,2p,3n,2 ,1e-

CNGS e interaction, E=16.6 GeV120

cm

290 cm

CNGS interaction, E=21.3 GeV

Vertex: 3,5p,9n,3,1

80 c

m

300 cm

Borexinodetektor scyntylacyjny, zbiera dane od 2007bada neutrina Słoneczneakceptacja kilkarotnie większa niż Opery

LVD

23x13x10 metrówdziała od 1992 rokumonitoruje Galaktyke, zadanie

rejestracja zapaści grawitacyjnej

masywnej gwiazdy

element “Supernova Early Worning System –

SNEWS”

plany na przyszłość:

pomiary planowane też na pozostałych wiązkach neutrin (USA, Japonia)

pomiar dla anty-neutrin

czekamy na dalsze sprawdzenia, wynik tak zaskakujący, że wymaga całkowicie niezależnego potwierdzenia wszystkich elementów

wiązka w JaponiiT2K = Tokaj do Kamioki

mniejsza odległość, spodziewany efekt ~25 nswiązka będzie uruchomiona w styczniu 2012

Podsumowanieneutrina są trudne do detekcji, ale mamy coraz

więcej informacji o nich pomiar prędkości neutrina dostarczył

zaskakującego wyniku, trwa sprawdzaniepierwszy test (głównie metody analizy)

potwierdził orginalny zaskakujący wynikpublikacja została wysłana do recenzentówbogate plany na przyszły rok

dziedzina w której wiele się dziejespodziewamy się nowych wyników w najbliższym czasie