Neutrínótömeg: a részecskefizikamegoldatlan rejtélye

Ortvay kollokvium, ELTE, 2014.02.20.

Horváth Dezső

Horvath.Dezso@wigner.mta.hu

MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont

Részecske- és Magfizikai Intézet, Budapest

és MTA Atomki, Debrecen

Horváth Dezső: Rejtélyes neutrínótömeg Ortvay, ELTE, 2014 – p. 1/39

Vázlat

Motiváció

Neutrínó-keletkezés

Rejtélyek: hiány

Neutrínó-oszcilláció

Hányféle neutrinó van?

További rejtélyek: tömeg, keveredés

Mérjünk ν-tömeget?

Kísérleti javaslat

Horváth Dezső: Rejtélyes neutrínótömeg Ortvay, ELTE, 2014 – p. 2/39

Motiváció

Előadás OPERA-kísérletről

Áttekintés Trócsányiékkal

Mérési ötlet sebességre

Fizikai Szemle

Jentschura: sebesség → tömeg

arXiv ⇒ Patkós ⇒ Ortvay

Horváth Dezső: Rejtélyes neutrínótömeg Ortvay, ELTE, 2014 – p. 3/39

Ultragyors neutrínók? Tömegmérés?

Horváth Dezső, Nagy Sándor, Nándori Istvánés Trócsányi Zoltán:

A fénynél gyorsabb neutrínók tündöklése és bukása: Egytéves felfedezés anatómiájaFizikai Szemle, 2012 május

U. D. Jentschura, D. Horváth, S. Nagy, I. Nándori,Z. Trócsányi and B. Ujvári

Weighing the NeutrinoInt. J. Mod. Phys. E (elfogadva); arXiv:1312.3932

Horváth Dezső: Rejtélyes neutrínótömeg Ortvay, ELTE, 2014 – p. 4/39

Neutrínóforrások

Horváth Dezső: Rejtélyes neutrínótömeg Ortvay, ELTE, 2014 – p. 5/39

Neutrínóforrások

Kozmikus sugarak (szupernova, ősrobbanás, ...)

Nap: magfúzió 4 H → He + 2 e+ + 2 νe108 km, csak νeAtomreaktor, bomba: ∼ 1km, csak νeLégkör: kozmikus sugarak másodlagos részecskéiπ±→µ±νµ; µ

±→e±νµνe30 km, νe, 2 νµ ν és ν

Gyorsító: analóg légkörrel ∼ 1km

Föld belseje: geoneutrínókAntineutrínók természetes rádioaktívitásbólU, Th β-bomlása: n→p + e + νe

Horváth Dezső: Rejtélyes neutrínótömeg Ortvay, ELTE, 2014 – p. 6/39

Standard modell: 3könnyű neutrínó

Töltéskiegyenlítés miatt N (kvarkíz)=N (lepton)

Több neutrínó ⇒ adott σtot mellett kisebb σhad(nehezebb pót-kvarkok és -leptonok)

Horváth Dezső: Rejtélyes neutrínótömeg Ortvay, ELTE, 2014 – p. 7/39

A Nap neutrínói41H→4He + 2e+ + 2νe

Észlelési egység:Solar Neutrino Unit

1 SNU =10

−36 ν− kölcsönhatásatom · sec

≈ 1 ν-kh/nap/1030 atom(10 – 100 t anyag)

Mérés: νe +37 Cl→37Ar + e−

(R. Davis, Nobel-díj 2002)

Várt: 8, 2± 1, 8 SNU;mért: 2, 56± 0, 23 SNU

Elvesztek??

Kihűl a Nap?? Mi rossz: Napmodell vagy mérés?

Mindkettő megerősítve...

Horváth Dezső: Rejtélyes neutrínótömeg Ortvay, ELTE, 2014 – p. 8/39

Légköri neutrínók

π+→µ+νµµ+→e+νµνe

π−→µ−νµµ−→e−νeνµ

Várt: Nµ/Ne ∼ 2Mért: Nµ/Ne ≪ 2

Hova lesznek?

Horváth Dezső: Rejtélyes neutrínótömeg Ortvay, ELTE, 2014 – p. 9/39

Rengeteg a neutrínó-kísérlet!

Bányában, alagútban, víz és jég alatt17 lezárt, 34 működő, 9 épülő, 7 tervezett

Horváth Dezső: Rejtélyes neutrínótömeg Ortvay, ELTE, 2014 – p. 10/39

Neutrínó nélküli β-bomlás

Ha ν Majorana-részecske

νL = νR

lehetségesνL↔νR

ββ-bomlásν nélkül

Horváth Dezső: Rejtélyes neutrínótömeg Ortvay, ELTE, 2014 – p. 11/39

Észlelés vízben

νen→e−p νep→e

+n

νµn→µ−p νµp→µ

+n

Bennszülött, nagyenergiájú e±, µ±

Cserenkov-sugárzás: ellipszisalak, időzítés ⇒ irány

Horváth Dezső: Rejtélyes neutrínótömeg Ortvay, ELTE, 2014 – p. 12/39

Szuper-Kamiokande (SKK)Kamioka Nucleon Decay Experiment (Eredetileg protonbomlásra)

1000 m mély Kamioka bányában (M. Koshiba, Nobel-díj 2002)

Belső detektor (1996-2001):Ø39 m × 42 m tartálycca. 50000 t tiszta H2O11146 PMT (Ø50 cm !!)pµ > 100 MeV/c ⇒ ǫ ∼ 100%2001-ben öngyilkos lett,6600 PMT (à 3000 $) berobbantátrendezve: 2001-2005helyreállítás: 2005-06

Külső detektor:vétó: átfutó e, µ n, γ falból2 m vastag H2O (fény is!)1857 PMT (Ø20 cm) kifelé

Horváth Dezső: Rejtélyes neutrínótömeg Ortvay, ELTE, 2014 – p. 13/39

Szuper-Kamiokande belülről

Horváth Dezső: Rejtélyes neutrínótömeg Ortvay, ELTE, 2014 – p. 14/39

Szuper-Kamiokande: nap-neutrínók

Azonosított forrás:irány, energia, fajta

Standard Solar Model 40%-a

SKK adatSSM MC = 0, 406± 0, 004

+0, 014

−0, 013

(mért érték ± stat. ± sziszt. szórás)

Korábbi mérések rendben

de hova tűnnek?

A Nap-neutrínók rekonstruáltforrása

Horváth Dezső: Rejtélyes neutrínótömeg Ortvay, ELTE, 2014 – p. 15/39

Szuper-Kamiokande: müonok

Légköri neutrínók (Eν < 1 GeV):

Müonok azonosítása: lassulás, bomlás(Nµ/Ne)data(Nµ/Ne)MC

= 0, 688± 0, 016± 0, 050 Hova lesznek?

Horváth Dezső: Rejtélyes neutrínótömeg Ortvay, ELTE, 2014 – p. 16/39

Neutrínó-oszcillációBruno Pontecorvo, 1963

Neutrínó-állapotokatgyenge kölcsönhatás

keveri

Tömegállapot:(νe, νµ)

gyenge kh. sajátáll.:(ν1, ν2)

Egymásba alakulnak(Θ: keveredési szög)

Oszcilláció két állapotközött: νe⇔νµ

Horváth Dezső: Rejtélyes neutrínótömeg Ortvay, ELTE, 2014 – p. 17/39

Szuper-Kamiokande: oszcilláció!

Légköri neutrínók

MC ν-oszc. nélkülMC νµ⇔ντ oszc.

νe és νµ fentről megvan

Lentről jövő νµ elfogy

(Θ: zenitszög)

Oszc. Föld átmérőjében

M. Koshiba, Nobel-díj,2002

νe νµ νµ

Horváth Dezső: Rejtélyes neutrínótömeg Ortvay, ELTE, 2014 – p. 18/39

Neutrínó-oszcilláció: elv

Oszcilláció különböző tömegállapotok között

Szabad részecskére nem lehetséges (?)

Ha megmarad a lendület:E2 − E1 =

√

p2 +m22 −√

p2 +m21 ≈

p[

1 + m22

2p2 −(

1 + m21

2p2

)]

= m22−m

21

2p ≡δm2

2p

Ha megmarad az E energia:

p2 − p1 =√

E2 −m22 −√

E2 −m21 =m22−m

21

2E ≡δm2

2E

A neutrínó relatívisztikus, a nyugalmi tömege nagyon kicsi:Eν ≈ pν

Horváth Dezső: Rejtélyes neutrínótömeg Ortvay, ELTE, 2014 – p. 19/39

Neutrínó-oszcilláció: frekvencia

Szabad neutrínó tere: e−ip·x síkhullámTömeg változása ⇒ fázis

A fázisváltozás az E energiájú neutrínó keltése éselnyelődése közötti

t idő alatt, L ≈ ct távolságon:δ(p · x) = δ(Et− px) ≈ δm

2t2E ≈

δm2L2E

Oszcillációhoz kölcsönhatás vagy határozatlansági reláció

Légkörben pion- és müonbomlás:δpν ≈ 10

−12 eV ≪ Γπ ≈ 10−8 eV vagy Γµ ≈ 10−10 eVHatározatlanság belefér

Napban, Földben kölcsönhatás is lehetséges

Horváth Dezső: Rejtélyes neutrínótömeg Ortvay, ELTE, 2014 – p. 20/39

SKK: légköri neutrínók

Sok-GeV-esmüon-neutrínókra

νµ⇔ντ oszcilláció

Föld átmérőjén

Fluxus föl/Fluxus le = N(−1,0

A SNO detektorrendszere

Horváth Dezső: Rejtélyes neutrínótömeg Ortvay, ELTE, 2014 – p. 22/39

SNO: a nap-neutrínók

Teljes fluxus ≈ elmélet

νe eloszcillál

∆M2 = 8× 10−5 eV2

Θ = 30◦

Losc[km] = 2πE[GeV]

1,27∆M2[eV2]

Légköri neutrínók: νµ⇔ ντ oszcilláció Föld átmérőjén

Nap-neutrínók: νe⇔ νX oszcilláció Nap-Föld távolságon

Legalább két neutrínóra mν > 0!

Horváth Dezső: Rejtélyes neutrínótömeg Ortvay, ELTE, 2014 – p. 23/39

A jelenlegi szituáció

Tömeg-sajátállapotok

Állapotfrakciók:xxxx νe/////// νµ\\\\\ ντ

Gyengesajátállapotok

Légkör: ∆M2 ≈ 2.4× 10−3 eV2

Nap: ∆M2 ≈ 7.6× 10−5 eV2

Megoldottuk problémákat? Tömeges a neutrínó...

Még több lett a neutrínó-rejtély!

Horváth Dezső: Rejtélyes neutrínótömeg Ortvay, ELTE, 2014 – p. 24/39

Honnan van a neutrínók tömege??A neutrínó oszcillációja rejtélyes, hiszen csak egyféle

kölcsönhatása ismeretes, nem szabadna kevert állapotának lennie.

A neutrínótömegek kilógnak a standard modellből, sértenünk kell

vagy hozzáadnunk, hogy magyarázzuk.

νR és νL hipertöltése Y = 0, steril (nincs párban töltött

leptonnal)? Olyant nem látunk (LSND-kísérlet?)

Majorana-részecske, ν = ν?

Több Higgs-tér van, hogy tömeget adna neki?

Ötödik erő keveri?

Miért olyan kicsi? Seesaw mechanizmus: Könnyű Dirac +

nehéz steril?

Oszcilláció csak ∆M2ν -et ad Mν < 2 eV (trícium-bomlás)

Horváth Dezső: Rejtélyes neutrínótömeg Ortvay, ELTE, 2014 – p. 25/39

Gyorsítós neutrínó-kísérletekneutrínók egymásba alakulásának (neutrínó-oszcilláció)

vizsgálatára

Kozmikus protonok a légkörben piont keltenek:pA→π±X π±→µ±νµ; µ

±→e±νµνe

L ∼ 1 . . . 1000 km, νe + 2νµ; ν és ν

Gyorsító analóg légkörrel L ∼ 30km

Nagy energián π±→µ±νµ előre megy.

Müon lelassul bomlás előtt ⇒ termékei szerteszéjjelrepülnek.

Irányítva: ∼ tiszta νµ nyaláb .

Horváth Dezső: Rejtélyes neutrínótömeg Ortvay, ELTE, 2014 – p. 26/39

LSND: 4. (steril) ν? ⇒ MiniBooNE

Nagyobb energia:E ≈ 500 MeV

LSND: 30 MeV

Hosszabb repülési táv:L ≈ 500 m

LSND: 30 mDe L/E és oszcilláció azonos

2007: MiniBooNE-kísérlet cáfolja LSND-t2009: talán mégsem, egyelőre csak nem látja

2012: mégis megerősíti? 3, 8σ többlet!!

Horváth Dezső: Rejtélyes neutrínótömeg Ortvay, ELTE, 2014 – p. 27/39

Nagy távolságú gyorsítós kísérletek

CNGS: CERN → Gran Sasso:OPERA, 732 km

K2K: KEK → Kamioka: 250 km

Fermilab → MINOS: 735 km

T2K (Tokai → Kamioka): 295 km

Horváth Dezső: Rejtélyes neutrínótömeg Ortvay, ELTE, 2014 – p. 28/39

KArlsruhe TRItium Neutrino: M(νe)

Horváth Dezső: Rejtélyes neutrínótömeg Ortvay, ELTE, 2014 – p. 29/39

KATRIN szállítása: 400⇒ 9000 km

Horváth Dezső: Rejtélyes neutrínótömeg Ortvay, ELTE, 2014 – p. 30/39

Mérjük meg a νµ tömegét!

De mi az, hogy νµ-tömeg??

m2(νf ) =

3∑

i=1

Ufi m2(νi)

ahol νf : íz-, νi: tömeg-sajátállapot,Ufi: Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata (PMNS)

keveredési mátrix

Legjobb közvetlen kísérlet: m(νµ) < 2.2 MeV/c2 (90% konf.)1 eseményből (OBELIX, LEAR, 1996)

N. Angelov et al., Nucl. Phys. A 780 (2006) 78

Kozmológia:∑3

i=1m(νi) < 1 eV, modellfüggő

Horváth Dezső: Rejtélyes neutrínótömeg Ortvay, ELTE, 2014 – p. 31/39

Mérjük meg a νµ tömegét!

MINOS és OPERA repülési időt mértek730 km távolságon, GPS-sel: ∆t = 10 ns felbontás

Detektorok ∆t = 10 ps-ot tudnak1 – 10 km-en nem kell GPS, a sebesség közvetlenül

fénnyel egybevethető.

Sebesség érdektelenné vált, de tömeg!

νµ röptethető vákuumban is ⇒ anyaghatás

U. D. Jentschura, D. Horváth, S. Nagy, I. Nándori,

Z. Trócsányi and B. Ujvári: Weighing the NeutrinoInt. J. Mod. Phys. E (elfogadva); arXiv:1312.3932

Horváth Dezső: Rejtélyes neutrínótömeg Ortvay, ELTE, 2014 – p. 32/39

Javasolt mér̋oberendezés

Röptetés fényjellel együtt, L = 10 kmRengeteg proton kell: lézeres gyorsító (ELI?)

Detektor: folyadékszcinti (Borexino)

Horváth Dezső: Rejtélyes neutrínótömeg Ortvay, ELTE, 2014 – p. 33/39

Kísérleti körülmények

Időmérés, t=0: proton kicker vagy lézerindítás

Vékony (2 mm) grafit target: p+N → π±+X

π→µ+ νµ (γ ≈ 2), röptetés: 10 cm.

B = 8 T kitereli π±, µ±-t (∆t ≈ 10−10 s)

Elbomló pionok: 0.57%, kezelhető

Neutrínó-röptetés, νµ és νµ (vákuumban vagyanyagban) együtt fénnyel (vákuumban): s0 = 10 km(nem kell külön idő és távolságmérés)

Detektor: foly-szcinti (Borexino): kis energiára is,Eν > 0.2 MeV (Cserenkov gyorsabb, deEν > mµ = 105 MeV) Körülötte vétó kozmikus háttérellen.

Horváth Dezső: Rejtélyes neutrínótömeg Ortvay, ELTE, 2014 – p. 34/39

Monte Carlo szimuláció

Az időfelbontás erősen függ a neutrínónyaláb pontosbeállításától. 10× 10 m folyadékszcintillátor detektor, aneutrínónyaláb a detektor közepére állítva: δt ≈ 3 ps.

Horváth Dezső: Rejtélyes neutrínótömeg Ortvay, ELTE, 2014 – p. 35/39

Várható pontosság

10× 10 m folyadékszcintillátor detektor, a neutrínónyalábközepére állítva: δt ≈ 3 ps.

1011 proton, Ep = 450 GeV, target: 2 mm grafit;E(π±) = 100± 1 GeV, S0 = 10 km νµ-röptetés:

δc =c2 δt

s0≈ 30m/s

E(νµ) = 1 MeV: δm(νµ) ≈ 420 eV ≪ 2, 2 MeV

CPT-ellenőrzés (Lorentz-sértés) is javul, bizonyosesetekben nagyságrendet.

Horváth Dezső: Rejtélyes neutrínótömeg Ortvay, ELTE, 2014 – p. 36/39

Összegzés

A neutrínókat nem értjük, mérni kell

Eldöntendő kérdések ⇒ új fizika:Honnan a tömeg?Bővítendő-e a Higgs-szektor?Majorana, Dirac vagy mindkettő?Van-e steril ν?Valami új erő keveri őket?

Új gyorsítós kísérlet m(νµ) mérésére:Rövidebb távolságEgyszerűbb megoldásNagyobb pontosság

Horváth Dezső: Rejtélyes neutrínótömeg Ortvay, ELTE, 2014 – p. 37/39

Köszönöm a figyelmet!

Horváth Dezső: Rejtélyes neutrínótömeg Ortvay, ELTE, 2014 – p. 38/39

Tartalék: a tömegmérés pontossága

Időmérés pontossága: TOF: 0.01 ∗∆t ≈ 1 ps, detektor:∆t ≈ 3 ps.

vν = s0/t0 = (1− δ)c, δ = c∆t/s0

s0 = 10 km: δc = c2∆t/s0 = 30 m/s ⇒ δ ≈ 10−7

m(νµ) = 1 MeV, ∆m(νµ) ≈ 420 eV.

Horváth Dezső: Rejtélyes neutrínótömeg Ortvay, ELTE, 2014 – p. 39/39

VázlatMotivációUltragyors neutrínók? Tömegmérés?NeutrínóforrásokNeutrínóforrásokStandard modell: 3 {em könnyû} neutrínóA Nap neutrínóiLégköri neutrínókRengeteg a neutrínó-kísérlet!Neutrínó nélküli $�eta $-bomlásÉszlelés vízbenSzuper-Kamiokande (SKK)Szuper-Kamiokande belülrõlSzuper-Kamiokande: nap-neutrínókSzuper-Kamiokande: müonokNeutrínó-oszcillációSzuper-Kamiokande: oszcilláció!Neutrínó-oszcilláció: elvNeutrínó-oszcilláció: frekvenciaSKK: légköri neutrínókA SNO detektorrendszereSNO: a nap-neutrínókA jelenlegi szituációHonnan van a neutrínók tömege??Gyorsítós neutrínó-kísérletekLSND: 4. (steril)$u $? Ra MiniBooNENagy távolságú gyorsítós kísérletekKArlsruhe TRItium Neutrino: $M(u _mrm {e})$KATRIN szállítása: 400 Ra 9000 kmMérjük meg a $u _mu $ tömegét!Mérjük meg a $u _mu $ tömegét!Javasolt mérõberendezésKísérleti körülményekMonte Carlo szimulációVárható pontosságÖsszegzésKöszönöm a figyelmet!Tartalék: a tömegmérés pontossága