ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ ΜΕΛΕΤΗΣ

ΥΠΕΡΕΝΕΡΓΕΙΑΚΩΝ ΝΕΤΡΙΝΩΝ

Πρωτόπαπα Φωτεινή

ΣΕΜΙΝΑΡΙΟ ΦΥΣΙΚΗΣ 2008

ΝΕΤΡΙΝΟ• Τα νετρίνα είναι στοιχειώδη σωματίδια που παράγονται

στις πυρηνικές συντήξεις μέσα στα αστέρια και στις εκρήξεις των σουπερνόβα.

• Θεωρούσαμε ότι παρουσιάζονται σε  τρεις πλήρως διακριτές γεύσεις-τύπους (το ηλεκτρόνιο, το μιόνιο και το σωματίδιο ταυ) και ότι έχουν μηδενική μάζα.

• Έχει μηδενικό ηλεκτρικό φορτίο και spin ½.

• Δεν “αισθάνεται” την ηλεκτρομαγνητική και την ισχυρή αλληλεπίδραση.

ΥΠΕΡΕΝΕΡΓΕΙAΚΑ ΝΕΤΡΙΝΟ• Yψηλής ενέργειας.

• Προέρχονται από τα βιαιότερα γεγονότα στον Κόσμο.

• Δύσκολο να ανιχνευτούν!!!

• Οι ανιχνευτές πρέπει να είναι πολύ μεγάλοι για να μπορέσουν να τα ανιχνεύσουν.

Κάθε κυβικό εκατοστό του χώρου περιέχει περίπου 100 νετρίνα, που έχουν απομείνει από τη Μεγάλη Έκρηξη κατά τη γέννηση του Σύμπαντος.

Κάθε δευτερόλεπτο, 60.000.000.000 νετρίνα από τον ήλιο διέρχονται από κάθε τετραγωνικό εκατοστό της επιφάνειας της γης, όπως και από το σώμα μας.

ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ # 1932 ο Pauli προτείνει σαν μια

"απεγνωσμένη δικαιολόγηση" των προβλημάτων που ανέκυψαν στις διασπάσεις- β,την ύπαρξη ενός νέουνέου ουδετέρου σωματιδίου που εξηγεί την μη-διατήρηση ενέργειας.

#1933 ο Enrico Fermi προτείνει το όνομα "νετρίνο" (υποκοριστικό του νετρονίου στα ιταλικά)

#1956 πρώτη απόδειξη ύπαρξης του νετρίνο από τους Frederick Reines και Clyde Cowan (Χρησιμοποιούν ένα αντιδραστήρα διάσπασης σαν πηγή των νετρίνων και ένα καλά προστατευτικό σπινθηριστή, ανιχνευτή πλησίον του για να τα ανιχνέυσει.)

#1957 o Bruno Pontecorvo,σχηματίζει μια θεωρία για τις "ταλαντώσεις" του νετρίνο.

#1958 Απόδειξη ότι το νέο νετρίνο έχει αριστερόστροφη περιστοφή.

#1968 Σε ένα πείραμα το οποίο έγινε σε ένα ορυχείο στην Νότια Ντακότα, γίνεται η πρώτη παρατήρηση των ηλιακών νετρίνων.

#1980 Σε πειράματα, που έγιναν σε υπόγειες στοές, άρχισαν να ψάχνουν για νετρίνα, όπου παρατήρησαν αυτό που ονομάστηκε "ανωμαλία ατμοσφαιρικών νετρίνο".

# 1985 Μια ομάδα Ρώσων Φυσικών υπαινίσσεται ότι το νετρίνο έχει μάζα.

# 1987 Μεγάλοι υπόγειοι ανιχνευτές σε δεξαμενές με νερό στο ορυχείο Kamioka της Ιαπωνίας καθώς και στο αλατωρυχείο  Morton των ΗΠΑ, ανιχνεύουν τα πρώτα νετρίνα από το supernova, SN1987A.

#Από τότε μέχρι σήμερα οι ανακαλύψεις σχετικά με τα νετρίνα έχουν ξεπεράσει κάθε προσδοκία μας.

Κατάλοιπα Supernova Μικρό Κβάζαρ(SS433 etc.)

Crab nebula

Μαύρη τρύπα μάζα ηλίου

1 LJ

ΓΑΛΑΞΙΑΚΑ

Active Galaxy(optically dense, e.g. FRII)

Μαύρη τρύπα108 x μάζα ηλίου

106 LJ

ΥΠΕΡ-ΓΑΛΑΞΙΑΚΟ

ΠΗΓΕΣ ΝΕΤΡΙΝΩΝ…

ΠΕΙΡΑΜΑΤΑ ΕΥΡΕΣΗΣ ΥΠΕΡΕΝΕΡΓΕΙΑΚΩΝ ΝΕΤΡΙΝΩΝ

ΚΑΤΗΓΟΡΙΕΣ ΠΕΙΡΑΜΑΤΩΝ:

• Ηλιακών νετρίνων• Διπλής β-διάσπασης• Από πυρηνικούς αντιδραστήρες• Ατμοσφαιρικών νετρίνων• Τηλεσκόπια νετρίνων• Άμεσης μέτρησης της μάζας των

νετρίνων• Βραχείας εμβέλειας πειράματα

επιταχυντών• Μακράς εμβέλειας πειράματα

επιταχυντών

ΠΕΙΡΑΜΑΤΑ ΠΟΥ ΘΑ ΑΝΑΦΕΡΘΟΥΜΕ:

# SNO# ΙΜΒ# KAMIOKANDE# NESTOR# ΝΕΜΟ# ANTARES# BAIKAL# ΑΜΑΝΤΑ# ICE CUBE# SUPER-KAMIOKANDE

SNO:Sudbury Neutrino Observatory

• Ορυχείο Creighton σε βάθος 6800 ποδών.• Aνιχνευτής Cherenkov που περιέχει βαρύ

ύδωρ D2O.

3 ΚΥΡΙΕΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΙΣ:

• νx+e−→νx+e− (quasi-elastic σκέδαση)• νe+d→p+p+e− (διάσπαση δευτερίου)• νx+d→p+n+ν (ελαστική σκέδαση με

ηλεκτρόνιο)

# Το SNO έδωσε λύση στο «πρόβλημα των ηλιακών νετρίνων» (1/3 των αναμενόμενων νe)

Το νετρίνο ανταλλάζει ένα W μποζόνιο με το νετρόνιο του δευτερίου και το μετατρέπει σε πρωτόνιο, ενώ το ίδιο το νετρίνο δίνει τη θέση του σε ηλεκτρόνιο. Το ηλεκτρόνιο, ως ελαφρότερο, λαμβάνει σχεδόν όλη την ενέργεια που αρχικά είχε το νετρίνο. Λόγω της υψηλής ενέργειας που αρχικά έχει το νετρίνο, το ηλεκτρόνιο αρχικά κινείται με ταχύτητα σχεδόν ίση με c, οπότε εκπέμπει Cherenkov ακτινοβολία, εφόσον η ταχύτητα του φωτός στο D2O είναι μικρότερη από c.

•νx+e−→νx+e− (quasi-elastic σκέδαση)

•νx+d→p+n+ν (ελαστική σκέδαση με ηλεκτρόνιο)

Με την ανταλλαγή ενός Ζ μποζονίου το δευτέριο διασπάται και το νετρόνιο σκεδάζεται από πυρήνα σε πυρήνα. Όταν απορροφηθεί από κάποιον πυρήνα, κατά την αποδιέγερση του παραγόμενου πυρήνα εκπέμπεται ακτινοβολία γ που στη συνέχεια σκεδάζει ηλεκτρόνια, τα οποία με τη σειρά τους εκπέμπουν ακτινοβολία Cherenkov. Το πόσο αποτελεσματική είναι αυτή η διαδικασία ανίχνευσης του νετρίνου εξαρτάται από το πόσο πιθανή είναι η απορρόφηση του νετρονίου από τους γύρω πυρήνες.

•νe+d→p+p+e− (διάσπαση δευτερίου)

Στο περιβάλλον του βαρέως ύδατος αυτή η απορρόφηση είναι μεν δυνατή, αλλά όχι πολύ πιθανή. Γι’ αυτό έγινε αναβάθμιση του ανιχνευτή διαλύοντας στο βαρύ ύδωρ 2 τόνους αλάτι (NaCl). Έτσι, αυξάνεται η πιθανότητα απορρόφησης του νετρονίου από τους πυρήνες 35Cl.

Όταν ένα νετρίνο χτυπάει κάποιο μόριο βαρέος ύδατος μέσα στο σφαιρικό δοχείο του ανιχνευτή, ένας κώνος φωτός, διαχέεται προς τους ανιχνευτές που περιβάλλουν τη συσκευή.

.

IMB και KAMIOKANDE• Παρατήρησαν για πρώτη

φορά νετρίνα που προέρχονταν από έκρηξη supernova(SN1987A)

• Η πιθανότητα ταλάντωσης υπερενεργειακών νετρίνων εξαρτάται από τη ζενίθια γωνία απ’την οποία έρχονται.

«Αρχή λειτουργίας ενός υποβρυχίου τηλεσκοπίου

νετρίνων» Νετρίνα πολύ υψηλών ενεργειών

αλληλεπιδρούν με την ύλη που περιβάλει τον ανιχνευτή και παράγουν μιόνια πολύ υψηλής ενέργειας.

Τα μιόνια κατά τη διέλευση τους από την ευρύτερη περιοχή του ανιχνευτή παράγουν ακτινοβολία Cherenkov εκπεμπόμενη σε χαρακτηριστική γωνία.

Η ενεργοποίηση των Οπτικών

Στοιχείων του τηλεσκοπίου σε διαδοχικές χρονικές στιγμές θα οδηγήσει τελικά στην ανακατασκευή της τροχιάς του μιονίου.

NESTOR

ΠΡΟΥΠΟΘΕΣΕΙΣ ΓΙΑ ΤΟΝ ΑΝΙΧΝΕΥΤΗ:

#Καθαρό νερό (δηλαδή μικρός συντελεστής απορρόφησης)

#Βαθιά θάλασσα (για την απορρόφηση της Κοσμικής Ακτινοβολίας)

#Μικρή απόσταση από την ξηρά (για να έχουμε μικρό μήκος ηλεκτρο-οπτικού καλωδίου για ηλεκτρική ισχύ και μεταφορά δεδομένων)

#Χαμηλή ταχύτητα υποθαλάσσιων ρευμάτων (για μικρές μηχανικές καταπονήσεις του τηλεσκοπίου)

#Επίπεδη και πλατιά επιφάνεια (για μελλοντική ανάπτυξη με άλλων πύργων)

#Σταθερές γεωλογικές και περιβαλλοντολογικές συνθήκες (για μεγάλη διάρκεια ζωής του ανιχνευτή)

ΝΕΜΟ -Neutrino Mediteranean Observatory-1989

ANTARES*Γαλλία,Τουλόν

*12 ανιχνευτικές γραμμές*καθεμία έχει 75 αισθητήρες

*Το ΝΤ-200 απέχει 3.6 χλμ από την ακτή και είναι σε βάθος 1.1 χλμ

* Έχει 192 «οπτικές μονάδες», που ανιχνεύουν το φως που παράγεται από τις αλληλεπιδράσεις των "αόρατων" νετρίνων.

* Οι σφαίρες είναι κατασκευασμένες από γυαλί και σχεδιασμένες να αντέχουν την πίεση σε βάθος μερικών χιλιομέτρων.

LAKE OF BAIKAL

•Απρίλιο του 1998.

* Λίμνη γλυκού νερού με βάθος 1.6 χλμ σε όλον τον κόσμο

South Pole

AMANDA

Ο πάγος έχει χαμηλότερα επίπεδα ακτινοβολίας υποβάθρου + πιο μεγάλο μήκος εξασθένισης, αλλά σκεδάζεται εύκολα!

ΑΜΑΝΤΑ Ι• 308 οπτικοί αισθητήρες• Μέτρηση της κατεύθυνσης των νετρίνων, εντός 3.5

μοιρών• 1,5km κάτω από το νότιο πόλο

AMANTA II• 677 οπτικοί αισθητήρες σε 19 καλώδια-κύλινδρος ύψους

500m διαμέτρου 120m

Οπτικός αισθητήρας

Simulation μιας στιγμιαίας λάμψης φωτός και η σύλληψή της από τους οπτικούς αισθητήρες(DOM)

ΧΑΡΤΗΣ ΑΜΑΝΤΑ Ι

ΧΑΡΤΗΣ ΑΜΑΝΤΑ ΙΙ

ICE CUBE• Απόγονος του Amanda

• 100GeV και άνω

• Χρήση χιλιάδων σφαιρικών οπτικών αισθητήρων

• Ανιχνεύονται 1000 την ημέρα

• Μετατρέπονται σε μιόνια λόγω της μεγάλης πυκνότητας του πάγου

• Διαχωρισμός σε αστρικά και ατμοσφαιρικά ανάλογα με την κατεύθυνση και τη γωνία του εισερχόμενου νετρίνου (υπολογισμός μέσω της σύγκρουσης)

(e)

Κοσμική ακτινοβολία

Ατμοσφαιρικά μυόνια

SUPER-KAMIOKANDE• Ιαπωνία,περιoχή Gifu στα ορυχεία της

Kamioka Mine Company /1Κm κάτω• 50.000 τόνοι νερού• 13.000 φωτοανιχνευτές

«Πρόβλημα των ατμοσφαιρικών νετρίνων»

>>Το πείραμα του Super-Kamiokande δεν μέτρησε την αναμενομένη 2 προς 1 σχέση

των νετρίνων του μιονίου προς τα νετρίνο του ηλεκτρονίου, και αυτό ήταν ένα σπουδαίο

στοιχείο της απόδειξη για την ταλάντωση του νετρίνο το έτος 1998.

ΤΕΛΟΣ!

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ…• Νeutrons,Nuclei and matter-J. Byrne

• Neutrino Physics-Klaus Winter

• Ταλαντώσεις νετρίνων στο πείραμα MINOS-Διπλωματική εργασία του Γ.Χαλουδάκη

• IceCube: A Kilometer-Scale Neutrino Observatory at the South Pole-Francis Halzen

• http://www.lapp.in2p3.fr/neutrinos

• http://focus.aps.org

• http://www.sns.ias.edu

• http://www.geocities.com

• http://www.physics4u.gr

• http:// icecube.wisc.edu

• http:// antares.in2p3.fr

• http:// www.nestor.noa.gr

• http:// nemoweb.lns.infn.it

• http:// nuastro-zeuthen.desy.de

• http:// www.hep.anl.gov/ndk/hypertext

• http://www.methoni.gr