nadświetlne neutrina – wyniki eksperymentu opera
DESCRIPTION
Nadświetlne neutrina – wyniki eksperymentu OPERA. Ewa Rondio Narodowe Centrum Badań Jądrowych. RADA DO SPRAW ATOMISTYKI. Warszawa, 1 .12.2011. neutrina n - cząstki punktowe ... bez ładunku elektrycznego, (bez masy ?). - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
![Page 1: Nadświetlne neutrina – wyniki eksperymentu OPERA](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062809/56815783550346895dc5182c/html5/thumbnails/1.jpg)
Nadświetlne neutrina –wyniki eksperymentu
OPERA
Ewa Rondio
Narodowe Centrum Badań Jądrowych
Warszawa, 1 .12.2011RADA DO SPRAW ATOMISTYKI
![Page 2: Nadświetlne neutrina – wyniki eksperymentu OPERA](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062809/56815783550346895dc5182c/html5/thumbnails/2.jpg)
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
![Page 3: Nadświetlne neutrina – wyniki eksperymentu OPERA](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062809/56815783550346895dc5182c/html5/thumbnails/3.jpg)
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
![Page 4: Nadświetlne neutrina – wyniki eksperymentu OPERA](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062809/56815783550346895dc5182c/html5/thumbnails/4.jpg)
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
![Page 5: Nadświetlne neutrina – wyniki eksperymentu OPERA](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062809/56815783550346895dc5182c/html5/thumbnails/5.jpg)
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
![Page 6: Nadświetlne neutrina – wyniki eksperymentu OPERA](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062809/56815783550346895dc5182c/html5/thumbnails/6.jpg)
Oddziaływania elektro-słabe (semi-leptonowe) Rozpad b neutronu (postulat isntnienia „malej neutralnej czastki” - Pauli
Wychwyt elektronu
‘odwrotny rozpad beta’
![Page 7: Nadświetlne neutrina – wyniki eksperymentu OPERA](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062809/56815783550346895dc5182c/html5/thumbnails/7.jpg)
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 ?
![Page 8: Nadświetlne neutrina – wyniki eksperymentu OPERA](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062809/56815783550346895dc5182c/html5/thumbnails/8.jpg)
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
![Page 9: Nadświetlne neutrina – wyniki eksperymentu OPERA](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062809/56815783550346895dc5182c/html5/thumbnails/9.jpg)
detekcja oddziaływań neutrin
detektory scyntylacyjnedetektory Czerenkowa
(woda, lód, woda morska)detektory typu “przekładaniec”:
np. żelazo – scyntylatoremulsje jądrowekomora TPC wypełniona
ciekłym argonem
![Page 10: Nadświetlne neutrina – wyniki eksperymentu OPERA](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062809/56815783550346895dc5182c/html5/thumbnails/10.jpg)
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
![Page 11: Nadświetlne neutrina – wyniki eksperymentu OPERA](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062809/56815783550346895dc5182c/html5/thumbnails/11.jpg)
analiza czasu przelotu (ToF)
neutrina są produkowane w sposób sztuczny lecą pod ziemia do wielkiego detektoraprzygotowanego do ich detekcji i pomiaru czasu
![Page 12: Nadświetlne neutrina – wyniki eksperymentu OPERA](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062809/56815783550346895dc5182c/html5/thumbnails/12.jpg)
wiązka neutrin CNGS i eksperymenty OPERA i ICARUS
CERN
Gran Sasso
![Page 13: Nadświetlne neutrina – wyniki eksperymentu OPERA](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062809/56815783550346895dc5182c/html5/thumbnails/13.jpg)
OPERA – detektory warstwowe:
przekładaniec : - warstwa ciężkiego materiału - warstwa czuła (scyntylator)
![Page 14: Nadświetlne neutrina – wyniki eksperymentu OPERA](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062809/56815783550346895dc5182c/html5/thumbnails/14.jpg)
emulsje jądrowe
dotychczas opublikowany wynik: jedenkandydat na oddziaływanie
n t
celem eksperymentu jest poszukiwaniesygnału oddziaływania neutrina-tau
![Page 15: Nadświetlne neutrina – wyniki eksperymentu OPERA](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062809/56815783550346895dc5182c/html5/thumbnails/15.jpg)
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
![Page 16: Nadświetlne neutrina – wyniki eksperymentu OPERA](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062809/56815783550346895dc5182c/html5/thumbnails/16.jpg)
profil czasowy protonów padających na tarczę – 10.5 ms
jeśli obserwujemy oddziaływanie w LNGS wiemy tylko z którego impulsu
![Page 17: Nadświetlne neutrina – wyniki eksperymentu OPERA](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062809/56815783550346895dc5182c/html5/thumbnails/17.jpg)
laboratorium podziemne LNGS w Gran Sasso
![Page 18: Nadświetlne neutrina – wyniki eksperymentu OPERA](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062809/56815783550346895dc5182c/html5/thumbnails/18.jpg)
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
![Page 19: Nadświetlne neutrina – wyniki eksperymentu OPERA](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062809/56815783550346895dc5182c/html5/thumbnails/19.jpg)
![Page 20: Nadświetlne neutrina – wyniki eksperymentu OPERA](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062809/56815783550346895dc5182c/html5/thumbnails/20.jpg)
rozkład czasu dla wszystkich przypadków spełniających kryteria “oddziaływanie neutrina”
![Page 21: Nadświetlne neutrina – wyniki eksperymentu OPERA](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062809/56815783550346895dc5182c/html5/thumbnails/21.jpg)
![Page 22: Nadświetlne neutrina – wyniki eksperymentu OPERA](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062809/56815783550346895dc5182c/html5/thumbnails/22.jpg)
rozkłady przed i po dopasowaniu przesunięcia
przesunięcie
(1048.5+/-6.9)nsdopasowania
są dobre
chi2 ok. 1-1.2
![Page 23: Nadświetlne neutrina – wyniki eksperymentu OPERA](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062809/56815783550346895dc5182c/html5/thumbnails/23.jpg)
ocena niepewności systematycznych
odległość : GPS – 2 cm,
geodezyjny pomiar podziemny – kilkanascie cm
czas
![Page 24: Nadświetlne neutrina – wyniki eksperymentu OPERA](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062809/56815783550346895dc5182c/html5/thumbnails/24.jpg)
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
![Page 25: Nadświetlne neutrina – wyniki eksperymentu OPERA](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062809/56815783550346895dc5182c/html5/thumbnails/25.jpg)
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)
![Page 26: Nadświetlne neutrina – wyniki eksperymentu OPERA](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062809/56815783550346895dc5182c/html5/thumbnails/26.jpg)
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
![Page 27: Nadświetlne neutrina – wyniki eksperymentu OPERA](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062809/56815783550346895dc5182c/html5/thumbnails/27.jpg)
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
![Page 28: Nadświetlne neutrina – wyniki eksperymentu OPERA](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062809/56815783550346895dc5182c/html5/thumbnails/28.jpg)
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
![Page 29: Nadświetlne neutrina – wyniki eksperymentu OPERA](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062809/56815783550346895dc5182c/html5/thumbnails/29.jpg)
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 !!!
![Page 30: Nadświetlne neutrina – wyniki eksperymentu OPERA](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062809/56815783550346895dc5182c/html5/thumbnails/30.jpg)
MINOS przekładaniec : - warstwa ciężkiego materiału - warstwa czuła (scyntylator)
MINOS
MINOS
dwa detektory – bliski i daleki
![Page 31: Nadświetlne neutrina – wyniki eksperymentu OPERA](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062809/56815783550346895dc5182c/html5/thumbnails/31.jpg)
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 !!!!
![Page 32: Nadświetlne neutrina – wyniki eksperymentu OPERA](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062809/56815783550346895dc5182c/html5/thumbnails/32.jpg)
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
![Page 33: Nadświetlne neutrina – wyniki eksperymentu OPERA](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062809/56815783550346895dc5182c/html5/thumbnails/33.jpg)
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
![Page 34: Nadświetlne neutrina – wyniki eksperymentu OPERA](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062809/56815783550346895dc5182c/html5/thumbnails/34.jpg)
Borexinodetektor scyntylacyjny, zbiera dane od 2007bada neutrina Słoneczneakceptacja kilkarotnie większa niż Opery
![Page 35: Nadświetlne neutrina – wyniki eksperymentu OPERA](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062809/56815783550346895dc5182c/html5/thumbnails/35.jpg)
LVD
23x13x10 metrówdziała od 1992 rokumonitoruje Galaktyke, zadanie
rejestracja zapaści grawitacyjnej
masywnej gwiazdy
element “Supernova Early Worning System –
SNEWS”
![Page 36: Nadświetlne neutrina – wyniki eksperymentu OPERA](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062809/56815783550346895dc5182c/html5/thumbnails/36.jpg)
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
![Page 37: Nadświetlne neutrina – wyniki eksperymentu OPERA](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062809/56815783550346895dc5182c/html5/thumbnails/37.jpg)
wiązka w JaponiiT2K = Tokaj do Kamioki
mniejsza odległość, spodziewany efekt ~25 nswiązka będzie uruchomiona w styczniu 2012
![Page 38: Nadświetlne neutrina – wyniki eksperymentu OPERA](https://reader035.vdocuments.site/reader035/viewer/2022062809/56815783550346895dc5182c/html5/thumbnails/38.jpg)
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