masy neutrin – metody...
TRANSCRIPT
-
Masy neutrin – metody nieoscylacyjne
Wyznaczanie skali wartości mas z badań rozpadów beta: v pojedynczych rozpadów beta: precyzyjne pomiary widma elektronów v poszukiwanie bezneutrinowych podwójnych rozpadów beta Ich obserwacja świadczyłaby o tym, że:
- neutrina są cząstkami Majorany - całkowita liczba leptonowa nie jest zachowana, co z kolei wskazywałoby na źródło asymetrii materii i antymaterii
we Wszechświecie
2β0ν
1 Fizyka cząstek II, D.Kiełczewska, wykład 11
Z oscylacji neutrin wyznaczamy jedynie różnice mas :
Δmij2 = mi
2 −mj2
-
Różne metody wyznaczania mas neutrin
Kosmologia (następny wykład) Oscylacje
Pojedyncze rozpady beta
Σ = m1 + m2 + m3 δmij2 = mi2 − mj2
2 Fizyka cząstek II, D.Kiełczewska, wykład 11
2β0ν
mβ = Uei2 mi
2
i=1
3
∑ mββ = Uei2 ⋅mii=1
3
∑
-
Three roads to neutrino mass scale
3 Fizyka cząstek II, D.Kiełczewska, wykład 11
-
Direct measurements of neutrino masses
νe : 3H → 3He+e- +νe me < 2.2eV
νµ : π+ → µ+ +νµ mµ
-
dNdE
= Cpe E +me( ) E0 − E( ) E0 − E( )2 −mβ2
experimental observable is mν2
Model independent neutrino mass from ß-decay kinematics
ß-source requirements :
- high ß-decay rate (short t1/2)
- low ß-endpoint energy E0 - superallowed ß-transition - few inelastic scatters of ß‘s
ß-detection requirements :
- high resolution (ΔE< few eV) - large solid angle - low background
E0 = 18.6 keV T1/2 = 12.3 y
3H → 3He+e- +νe
β-decay and neutrino mass
6
ΔΩ 2π
E – electron energy
Fizyka cząstek II, D.Kiełczewska, wykład 11
-
Electrostatic filter with magnetic adiabatic collimation
Fizyka cząstek II, D.Kiełczewska, wykład 11
6
-
7 Fizyka cząstek II, D.Kiełczewska, wykład 11
System pomiarowy Katrin
-
Fizyka cząstek II, D.Kiełczewska, wykład 11
8
-
Transport of KATRIN
Complicated transport of the spectrometer in Dec. 2006 9 Fizyka cząstek II,
D.Kiełczewska, wykład 11
-
Status of previous tritium measurements
Fizyka cząstek II, D.Kiełczewska, wykład 11
10
Troitsk Mainz
windowless gaseous T2 source quench condensed solid T2 source
Mainz & Troitsk have reached their intrinsic limit of sensitivity
analysis 1994 to 1999, 2001 analysis 1998/99, 2001/02
-
KATRIN sensitivity
Fizyka cząstek II, D.Kiełczewska, wykład 11
11
200 meV
-
D. Kiełczewska, wykład 5 12
Skrętność neutrin (m=0) s pHs p⋅=⋅
r rZgodnie z r-niem Diraca dla cząstek bezmasowych (albo ultrarelatywistycznych) 1H = ±
Działanie transformacji P, C i CP:
RνLν
RνLν
P
CPC
Z doświadczenia: obserwowano tylko lewoskrętne neutrina
i prawoskrętne antyneutrina
-
Neutrina Diraca lub Majorany (m>0)
Fizyka cząstek II, D.Kiełczewska, wykład 11
13
Liczba leptonowa L
zachowana
Liczba leptonowa L
niezachowana. Każdy z 2 stanów ma domieszkę stanu o przeciwnej L
-
Double beta decays
14 Fizyka cząstek II, D.Kiełczewska, wykład 11
Majorana neutrino helicity flip
-
Phenomenology of 0νββ and 2νββ
15
odd-odd
even-even
Fizyka cząstek II, D.Kiełczewska, wykład 11
β−
β +
1T1/20ν = G0ν (Qββ
5 ,Z ) i M 0νGT 2 i
mββme
⎛
⎝⎜
⎞
⎠⎟
2
1T1/22ν = G2ν (Qββ
11 ,Z ) i M 2νGT 2
Phase space Nuclear matrix element (known with large uncertainties)
-
mββ- efektywna masa mierzona w rozpadach 0ν
16 Fizyka cząstek II, D.Kiełczewska, wykład 11
-
Electron spectrum from double β decays
17 Fizyka cząstek II, D.Kiełczewska, wykład 11
-
ββ history q 1935 - ββ(2ν) rate first calculated by Maria Goeppert-Mayer q 1937 - Majorana proposes his theory of two-component neutrino q 1987 – Direct laboratory evidence for 2νββ:
S. Elliot et al., Phys. Rev. Lett. 59, 2020, 1987 Direct evidence for two-neutrino double-beta decay in 82Se
q Why it took so long? Background
t1/2(U, Th) ~ 1010 years
while signal: t1/2(2νββ) ~ 1020 years
q But next we want to look for a process with:
t1/2(0νββ) ~ 1025-27 years
18 Fizyka cząstek II, D.Kiełczewska, wykład 11
�
ν ≡ ν
-
ββ history
q 2004 – controversial claim of observation of 0νββ:
19 Fizyka cząstek II, D.Kiełczewska, wykład 11
-
Experiments with active targets
Fizyka cząstek II, D.Kiełczewska, wykład 11
20
-
21 Fizyka cząstek II, D.Kiełczewska, wykład 11
76Ge spectrum
-
76Ge spectrum with a possible 0νββ peak
22 Fizyka cząstek II, D.Kiełczewska, wykład 11 Clearly this needs to be verified...
-
New experiment with Ge: GERDA To check the questionable result – new experiment with Ge is prepared GERDA (with contribution from Jagiellonian Uniw.), the background reduction will be better …
23 Fizyka cząstek II, D.Kiełczewska, wykład 11
-
Experimental techniques
24
Background, isotope choice
Tracking and calorimeter Source ≠ detector
TPC (Xe)
Efficiency, Mass
Calorimeter Source=detector
Resolution, efficiency
0νββ
Main features: High energy resolution Modest background rejection
Main features: High background rejection Modest energy resolution
0νββ
Fizyka cząstek II, D.Kiełczewska, wykład 11
-
Fizyka cząstek II, D.Kiełczewska, wykład 11
25
construction started
data taking
-
3 m
4 m B (25 G)
20 sectors Source: 10 kg of ββ isotopic foils area = 20 m2, thickness ~ 60 mg/cm2
Tracking detector: drift wire chamber operating (9 layers) in Geiger mode (6180 cells) Gas: He + 4% ethyl alcohol + 1% Ar + 0.1% H2O Calorimeter: 1940 plastic scintillators coupled to low radioactivity PMTs
Magnetic field: 25 Gauss Gamma shield: pure iron (d = 18cm) Neutron shield: 30 cm water (ext. wall)
40 cm wood (top and bottom) (since March 2004: water + boron)
Fréjus Underground Laboratory : 4800 m.w.e. NEMO-3 detector
26 Particle ID: e-, e+, γ and α
Fizyka cząstek II, D.Kiełczewska, wykład 11
-
Typical ββ2ν event observed from 100Mo
Top view
Side view
ββ events in NEMO-3 experiment
Fizyka cząstek II, D.Kiełczewska, wykład 11
27
e-
e-
-
100Mo ββ2ν results (Data Feb. 2003 – Dec. 2004)
7.37 kg.y
Angular Distribution
219 000 events 6914 g
389 days S/B = 40
NEMO-3
100Mo
Sum Energy Spectrum
219 000 events 6914 g
389 days S/B = 40
NEMO-3
100Mo
Background subtracted
• Data ββ2ν Monte Carlo
• Data ββ2ν Monte Carlo Background subtracted
Fizyka cząstek II, D.Kiełczewska, wykład 11
28
T1/2 = 7.11 ± 0.02 (stat) ± 0.54 (syst) x 1018 y
Natomiast w wyniku poszukiwania bezneutrinowych:
-
E1 + E2 (MeV)
133 events S/B 6.76
948 days 7g
48Ca
150Nd 925 days S/B 1.01 9.41g
932 g, 389 days
2750 events S/B = 4
82Se NEMO-3 454 g,
534 days 109 events
S/B = 0.25 130Te NEMO-3
96Zr
2.8 ± 0.1 (stat) ± 0.3 (sys) 1019 y
E1 + E2 (MeV)
7.6 ± 1.5 (stat) ± 0.8 (sys) 1020 y
2.3 ± 0.2 (stat) ± 0.3 (sys) 1019 y 9.11 +0.25-0.22(stat) ± 0.63 (sys) 1018 y 4.4 +0.5-0.4 (stat)± 0.4 (sys) 1019 y
9.6 ± 0.3 (stat) ± 1.0 (sys) 1019 y
Other results from NEMO-3: 2νββ
29
-
SuperNEMO
Fizyka cząstek II, D.Kiełczewska, wykład 11
30
Ø Construction started Ø Data taking in 2014
mν < 0.2 − 0.4 eV
-
Neutrino mass and mass ordering
31
�
Δmsol2 ≈ 7.7 ×10−5eV 2�
Δmatm2 ≈ 2.4 ×10−5eV 2
�
}�
}
�
m12
�
m22
�
m32
�
0?
�
m12
�
m22
�
m32
?
Normal Inverted Degenerate
m(“νe”) < 2.2 eV Mainz-Troitsk 3H decay
m(“νµ”) < 190 keV m(“ντ”) < 18.2 MeV
Σmν < 0.14 - 1.3 eV Cosmological models
? >> Δmatm2
Fizyka cząstek II, D.Kiełczewska, wykład 11
-
Efektywna mee na podstawie parametrów oscylacji
32
A. Strumia and F. Vissani, ``Neutrino masses and mixings.’’ arXiv:hep-ph/0606054.
F. Feruglio, C. Hagedorn, Y. Lin and L. Merlo, ``Theory of the Neutrino Mass,’’ arXiv:0808.0812 [hep-ph].
mee may be very tiny in case of cancellations due to phases Fizyka cząstek II,
D.Kiełczewska, wykład 11
- w funkcji najmniejszej masy - dla hierarchii normalnej i
odwróconej
-
Fizyka cząstek II, D.Kiełczewska, wykład 11
33
-
HM Claim NEMO 3
CUORICINO, EXO-200
GERDA(PII) SuperNEMO
CUORE,EXO
>2020, 1t experiments ( ≥ 2)
>>2020, >10t experiment
34 Co
smol
ogic
ally
dis
favo
ured
reg
ion
(WM
AP)
Projections – ββ0ν
34 Fizyka cząstek II, D.Kiełczewska, wykład 11
-
Poszukiwanie rozpadów: - bardzo dużo eksperymentów różnymi technikami ze względu na wagę problemu: sprawdzenie czy liczba leptonowa zachowana i czy neutrina są cząstkami Majorany.
W obydwu wypadkach eksperymenty czułe na: stany masowe z dużym udziałem νe szanse pomiaru mas tylko w przypadku odwróconej
hierarchii mas lub w przypadku „kwazi-zdegenerowanym”, (gdy z jakiegoś powodu najmniejsza masa jest duża).
Przy normalnej hierarchii mas konieczne są bardzo trudno osiągalne czułości eksp.