Neutrinofysica
Short Description
Download Neutrinofysica...
Description
Neutrino’s and astronomie Maarten de Jong HOVO, Leiden – 2010
Wat is een neutrino?
Radioactief verval (~1920) elektron
magneet
2-‐deeltjes verval?
Einstein:
Ee
' Mc
2 detector
Radioactief verval (II) aantal gebeurtenissen
gemeten energie spectrum
Ee
' Mc 2
Energie niet behouden?
W. Pauli,
4 december 1930 Geachte radioactieve dames en heren, Ik heb misschien een oplossing gevonden om de wet van energie behoud te redden. … het bestaan van onzichtbare deeltjes –welke ik aldus neutronen noem– in de atoom kern. Het gemeten spectrum kan verklaard worden als zo’n onzichtbaar deeltje ontsnapt tegelijkertijd met het elektron zodat de totale energie klopt. Maar tot nu toe heb ik dit niet durven publiceren en vraag ik u – radioactieve mensen – of het mogelijk is om het bestaan van dit deeltje experimenteel aan te tonen. Ik geef toe dat dit idee onwaarschijnlijk is omdat de neutronen – als ze bestaan – al veel eerder gezien zouden moeten zijn… Dus, geliefde radioactieve mensen, denk hierover na en oordeel.
Pauli (1930):
n o p e Q?e
Fermi:
Theorie van de zwakke kracht e
n W–
?
Qe u d u
d d u np
e
p
Feynman diagram
neutrino
1950 – Reines & Cowan “Poltergeist”, Savannah River
Het bewijs van het bestaan van neutrino’s e
Qe kernreactor
e
n
neutrinodetectie
Neutrino astronomie
kosmische straling
Ionisatie kamer (~1910) geladen deeltje
e-
-‐250 V
V
elektrische geleidbaarheid van lucht
radioactiviteit van de Aarde?
V. Hess (1912) 0
druk [cm Hg]
10
radioactiviteit komt vanuit de ruimte!
20 30 40
kosmische straling
50
“The results of my observation 60 are best explained by the 70 assumption that a radiation of very great penetrating power enters our atmosphere from above.”
V Aarde
P. Auger (1938)
tijd
ontdekking van uitgebreide “deeltjes regens”
proton
Aarde gezien door kosmische straling N 20
1
18
proton 2
14 12
3
10 8
5
6 4 2
10
Aarde
vrije weglengte
hoogte [km]
16
pion
muon neutrino
Detectie van kosmische straling fluorescentie (ultraviolet ‘zichtbaar’)
grond oppervalk
multipixel camera’s (stereoscopisch zicht)
muon detectoren (aankomst tijden richting)
Energie spectrum flux [(m2 sr s GeV)-‐1]
plateau 1 per m2 per seconde
1.5 eV =
v E 2.7 N A 6 u1023 ?
1027
1m
1 per km2 per jaar 1010 1010
E [eV/deeltje]
1020
1 kg
impuls van het deeltje
R
straal v/e cirkel
p ZeB
lading van het deeltje
Magnetisch veld
p 1 GeV R a.u. Afstand aarde – zon (~150 x 106 km)
0.2
p 1P G GeV
B
1 Magnetisch veld zon (~10 PG)
Kosmische versnellers “CERN in the sky”
Fermi schokgolf versneller snelheid: V 20000 km / s SN1993J – M81
tijd radio beelden April 1993–Juni 1998
Fermi schokgolf versneller (II) Simpel model
V interstellaire materie
'E D E
versnelling overlevings kans
k stappen E geladen deeltje
N
P
E
E0 (1 D )k
N0 ( E )k
Fermi schokgolf versneller (III) ln( N N 0 ) ln( E E0 )
N N0
dN v dE
ln( E ) ln(1D ) ln( E ) · ln(1D )
§ E ¨E ¸ © 0¹
ln( E ) 1 ln(1 D ) E
Thermodynamica
E 2
Relativiteitsleer
gemeten spectrum
Welke geladen deeltjes? elektronen Synchrotron straling
inverse Compton verstrooiing
e
protonen p N p
S
e P
QP
muonen neutrino’s
astronomie
kosmische straling
Astronomie
constante van Planck
golflengte:
snelheid van het licht
O
hc EJ
Energie van ‘deeltje’
Krab nevel 1’
1’
1’
1’
radio 10-‐8 eV optisch 10 eV Röntgen 104 eV licht deeltjes 1012 eV
breedbandig spectrum
Astro-‐deeltjes fysica
leptons
krachtdragers
quarks
kosmische stralen (bestaan uit combinaties van u en d quarks)
generaties neutrino astronomie
traditionele astronomie
Zonne energie
4 p 2e o 4 He
Licht oprbrengst Neutrinos
L: NQ
e
3.92 u1026 W 2
L: 1.6 u1013 u 25 MeV
1.8 u1038 s 1
Homestake goud mijn (USA) ‘omgekeerd verval’
Q e 37Cl o
37
Ar e
130 ton Chloor
EQ t 0.814 MeV e
detectie principe
extractie van enkele Ar atomen (~15 / maand)
SNU = 10-‐36 s-‐1 / Atom
Neutrino’s van de zon verwacht
u1 2 gezien
~30 jaar!
Super Kamiokande (Japan) nucleon decay experiment
~50 kton puur water 12000 PMTs
Geen proton verval gezien Maar Kamiokande is ook een neutrino detector…
detectie principe Energie en impuls behoud:
gedetecteerd
e' e
Qe
Te
atomair elektron
Qe '
2sin
2 Te
2
me c 2 Ee ' (1 ) Ee ' EQ e me c 2 d Ee '
Te d 30o neutrino telescoop
e' Zon
Tzon
Qe
Aarde
aantal [(dag kton bin)-‐1]
atomair elektron
Neutrino’s wijzen naar de zon N gemeten
N verwacht
0.5 r 0.1
cos Tzon
we zien ½ neutrino’s uit de zon љ ¶ neutrino oscillaties
¶ B. Pontecorvo, 1957
Energie drempel Qe
Z NA
o Z N1 A e
u 100
EQ MeV e
u 1/ 2
EQ mP c 2 e
mP c 2 105.7 MeV me c 2 0.511 MeV
QP = ‘steriel’
Mengen van neutrino toestanden zwakke toestanden
massa toestanden
§Qe · ¨ ¸ ¨Q P ¸ ¨ ¸ © QW ¹
§ Q1 · ¨ ¸ U u ¨Q 2 ¸ ¨Q ¸ © 3¹ 3 x 3 matrix (unitair)
Mengen van 2 toestanden
§Q 1 · § cos T ¨¨ ¸¸ ¨ ©Q 2 ¹ © sin T
reizen door de ruimte
sin T · § Q e · ¸ u ¨Q ¸ cos T ¹ © P ¹
‘rotatie’
creatie
Reizen van neutrino’s door de ruimte cos T
amplitude
Q2
Q1
sin T
Qe
relatieve amplitudes veranderen met tijd of afstand
Neutrino oscillaties (II)
P(Q e o Q e )
Q e ( x) Q e ( x)
2
§ ( m 2 m 2 )c 4 2 1 2 2¨ 1 sin 2T sin ¨ 4 Ehc © amplitude 2
S { O
· x¸ ¸ ¹
golflengte:
Heisenberg:
Lorentz boost:
O
hc m2 m 1 c 2
E O' uO m E hc 4S E hc m2 m1 2 m m c 2 (m 2 m 2 )c 4 2 1 2 1 c 2
KamLAND
55 kernreactoren met totaal vermogen 70 GW (~7% v/d wereldproductie) Neutrino’s worden geproduceerd op 130–220 km afstand van de detector
KamLAND (II) KamLAND meting Neutrino oscillaties
CHOOZ meting
P(Qe Qe)
geen oscillaties
ideaal geval L/E [km/MeV]
23 Februari 1987
Tijd correlatie 99% energie is neutrino’s 1% energie is licht
Supernova
160,000 jaar
Aarde
Neutrino astronomie
Waarom? p
Q J kosmische stralen buigen af door magneet velden licht kan worden geabsorbeerd
QP
omringend licht
p n
'+
S+ S0
J
p
Neutrino telescoop: – oorsprong kosmische straling materie
– ontstaan & kompositie relativistische stralen – werking kosmische deeltjesversnellers roterend zwart gat
Hoe? 1960 Markov’s idee: Zeewater als interactie en detectie medium Lengte muon spoor Detectie Cherenkov licht Water is transparant
neutrino detectie
neutrino
muon
1 2 3 4 5
~100 m
interactie
~ km muon reist met de lichtsnelheid (300,000 km/s) detectie Cherenkov licht ns – km
Ts d
1.5D EQ > TeV @
neutrino
muon
strooihoek [graden]
Neutrino richting
101
102
103
104
neutrino energie [GeV]
Neutrino telescoop!
105
werkzame doorsnede [cm2]
Werkzame doorsnede Vrije weglengte:
10-‐33
1 O (E) { V N AU
10-‐34 10-‐35
108 km
10-‐36
E 103 GeV
102
103
104
105
106
107
neutrino energie [GeV]
“Size matters”
Architectuur meet-‐ gegevens
analyse
neutrino detector machine kamer data transmissie
start stop
data filter
besturing
Antares prototype neutrino telescoop
Antares 200 personen 6 landen 40 km uit de kust bij Toulon gereed 2008
12 lijnen
2.5 km 500 m
250 Atm. 200x200 m2
25 verdiepingen / lijn
12 x 25 = 300 detectie eenheden
Optisch baken tijd calibratie 10” PMT licht detectie
Electronica uitlezing
Hydrophoon acoustische positie meting
~1 m
titanium frame mechanisch drager
“All-data-to-shore” concept tijd
positie
1 GB/s
2 Ps 100 ms
data filter 1 MB/s offline reconstructie
astronomie bepaling van het muon spoor
Gamma Ray Burst GCN
“All-‐data-‐to-‐shore”
aantal GRBs
40 km
10,000 km
80% geregistreerd
data buffer
12/2006
1/2008
12/2008
datum
11/2009 -‐150
-‐100
-‐50
0
50
reactietijd [s]
100
150
aantal gebeurtenissen
Neutrino detectie Antares Atm. muons Atm. neutrino’s Atm. totaal
~1000 neutrinos! D = 2.5 km muon
T d(T)
cos(T)
Aarde
Neutrino “sky map”
Nog geen puntbronnen gevonden…
Aard & Zee onderzoek kortstondige gebeurtenissen domineren leven in diepzee
Frankrijk
permanent observatorium Temperatuur
Bioluminescentie
plotselinge Eddie stromen voedingsbodem
observatorium
tijdprofiel
Toekomst plannen KM3NeT: A KM3 Neutrino Telescope
Evolutie 1e generatie – pre-‐prototypes
2e generatie
3e generatie
Dumand Baikal Nestor Nemo Amanda Antares IceCube KM3NeT
1976-‐1995
1993
1996
1998
2000
2008
2011
heden
2015
toekomst
Samenvatting Neutrino’s bestaan, wisselwerken zwak met materie, en hebben een zeer kleine massa Zonneneutrino’s zijn gemeten, neutrino’s oscilleren spontaan Neutrino’s uit de SN1987A zijn gezien, neutrino flits Neutrino’s uit andere astrofysische bronnen?
Met het in gebruik nemen van de Antares detector als prototype en met KM3NeT als de toekomstige kubieke kilometer detector is neutrino–astronomie thans binnen handbereik…
Neutrinos, they are very small. They have no charge and have no mass And do not interact at all. The earth is just a silly ball To them, through which they simply pass, Like dustmaids through a drafty hall Or photons through a sheet of glass. They snub the most exquisite gas, Ignore the most substantial wall, Cold-‐shoulder steel and sounding brass, Insult the stallion in his stall, And scorning barriers of class, Infiltrate you and me! Like tall And painless guillotines, they fall Down through our heads into the grass. At night, they enter at Nepal And pierce the lover and his lass From underneath the bed -‐ you call It wonderful; I call it crass. John Updike
View more...
Comments