Majorana Neutrino’s en Donkere Materie · 2013-06-07 · Materie en Antimaterie Materie bestaat...
Transcript of Majorana Neutrino’s en Donkere Materie · 2013-06-07 · Materie en Antimaterie Materie bestaat...
Majorana Neutrino’s en Donkere Materie
Patrick [email protected]
⌫ = ⌫?
Majorana mini-symposium bij de KNAW op 31 mei 2012
Patrick Decowski - UvA/Nikhef
Elementaire Deeltjes
• Elementaire deeltjes en geen quasi-deeltjes! ;-)
• Waarom ben ik in elementaire Majorana deeltjes geïnteresseerd?
• Majorana neutrino’s kunnen verklaren waarom het heelal uit materie en niet uit antimaterie bestaat
• Majorana donkere materie deeltjes zouden 85% van de materie in het heelal kunnen zijn
Patrick Decowski - UvA/Nikhef
Standaard Model van Deeltjesfysica
u
d
c
s
t
b
νe
e
νμ
μ
ντ
τ
ɣ
g
Z
W
H
Krachtdragers
Higgsquarks
neutrino’s
Materie deeltjes
elektron
atoom kern proton
elektron
Patrick Decowski - UvA/Nikhef
Standaard Model van Deeltjesfysica
Standaard Model heeft 30 jaar heel goed gewerkt
u
d
c
s
t
b
νe
e
νμ
μ
ντ
τ
ɣ
g
Z
W
H
Krachtdragers
Higgsquarks
neutrino’s
Materie deeltjes
elektron
atoom kern proton
elektron
Patrick Decowski - UvA/Nikhef
Standaard Model van Deeltjesfysica
Standaard Model heeft 30 jaar heel goed gewerktSinds ~10 jaar: neutrino’s hebben (kleine) massa
u
d
c
s
t
b
νe
e
νμ
μ
ντ
τ
ɣ
g
Z
W
H
Krachtdragers
Higgsquarks
neutrino’s
Materie deeltjes
elektron
atoom kern proton
elektron
Patrick Decowski - UvA/Nikhef
Massa’s van Elementaire Deeltjes
μeV meV eV keV MeV GeV TeV
ν1 ν2 ν3 e
u
d s b
c t
μ τ
prot
on
goud
10-1
2 pro
ton
Is er iets speciaals met neutrino’s? Kunnen wij verklaren waarom neutrino massa’s zo klein zijn?
Patrick Decowski - UvA/Nikhef
Zwakke Wisselwerking
Zwakke wisselwerking - één van de kernkrachten
neutron proton elektron neutrino
n ! p + e� + ⌫
Verantwoordelijk voor beta-verval
Patrick Decowski - UvA/Nikhef
Zwakke Wisselwerking
Zwakke wisselwerking - één van de kernkrachten
neutron proton elektron neutrino
n ! p + e� + ⌫
Verantwoordelijk voor beta-verval
bewegingsrichting
Zwakke wisselwerking vertelt ons ook iets over “Spin” - draairichting van neutrinos
Patrick Decowski - UvA/Nikhef
Zwakke Wisselwerking
Zwakke wisselwerking - één van de kernkrachten
neutron proton elektron neutrino
n ! p + e� + ⌫
Verantwoordelijk voor beta-verval
“Linkshandig” ⌫L
bewegingsrichting
Zwakke wisselwerking vertelt ons ook iets over “Spin” - draairichting van neutrinos
Patrick Decowski - UvA/Nikhef
Materie en Antimaterie
Materie bestaat uit deeltjes Antimaterie bestaat uit antideeltjes
Twee verschillende deeltjes omdat zeverschillende lading hebben
e- e+
Patrick Decowski - UvA/Nikhef
Materie en Antimaterie
Materie bestaat uit deeltjes Antimaterie bestaat uit antideeltjes
Twee verschillende deeltjes omdat zeverschillende lading hebben
⌫ ⌫Maar hoe is dat voor neutrale deeltjes, zoals het neutrino?
neutrino antineutrino
e- e+
Patrick Decowski - UvA/Nikhef
Materie en Antimaterie
Materie bestaat uit deeltjes Antimaterie bestaat uit antideeltjes
Twee verschillende deeltjes omdat zeverschillende lading hebben
⌫ ⌫Maar hoe is dat voor neutrale deeltjes, zoals het neutrino?
neutrino antineutrino
“Linkshandig”⌫L
Spin bewegingsrichting⌫
e- e+
Patrick Decowski - UvA/Nikhef
Materie en Antimaterie
Materie bestaat uit deeltjes Antimaterie bestaat uit antideeltjes
Twee verschillende deeltjes omdat zeverschillende lading hebben
⌫ ⌫Maar hoe is dat voor neutrale deeltjes, zoals het neutrino?
neutrino antineutrino
“Linkshandig”⌫L
Spin bewegingsrichting⌫
“Rechtshandig” ⌫R
⌫
e- e+
Patrick Decowski - UvA/Nikhef
Waarom net iets meer materie?
Materie Antimaterie
pe-
Oerknal
p
1.000.000.001 1.000.000.000
e+
Patrick Decowski - UvA/Nikhef
Waarom net iets meer materie?
Materie Antimaterie
pe-
Oerknal
p
1.000.000.001 1.000.000.000
e+
1
Fotonen (lichtdeeltjes)
Nu
Alléén Materie
p
pe+
e-
Patrick Decowski - UvA/Nikhef
Waarom net iets meer materie?
Materie Antimaterie
pe-
Oerknal
p
1.000.000.001 1.000.000.000
Waarom asymmetrisch?
e+
1
Fotonen (lichtdeeltjes)
Nu
Alléén Materie
p
pe+
e-
Patrick Decowski - UvA/Nikhef
Neutrino massa
linkshandig rechtshandig
deeltje
antideeltje
⌫L
⌫R
bekend
bekend
Hoe kunnen neutrino’s in het Standaard Model massa krijgen?
Patrick Decowski - UvA/Nikhef
Neutrino massa
linkshandig rechtshandig
deeltje
antideeltje
⌫L
⌫R
bekend
bekend
⌫ 6= ⌫Dirac Neutrino
⌫R ⌫Lzelfde massa
⌫Ronbekend
⌫Lonbekend
Hoe kunnen neutrino’s in het Standaard Model massa krijgen?
Patrick Decowski - UvA/Nikhef
Neutrino massa
linkshandig rechtshandig
deeltje
antideeltje
⌫L
⌫R
bekend
bekend
⌫ 6= ⌫Dirac Neutrino
⌫R ⌫Lzelfde massa
⌫ = ⌫Majorana Neutrino
zwaar neutrinoNLNR
Hoe kunnen neutrino’s in het Standaard Model massa krijgen?
NRzeer zwaar
niet zichtbaar
NLzeer zwaar
niet zichtbaar
Patrick Decowski - UvA/Nikhef
Neutrino massa
linkshandig rechtshandig
deeltje
antideeltje
⌫L
⌫R
bekend
bekend
⌫ 6= ⌫Dirac Neutrino
⌫R ⌫Lzelfde massa
⌫ = ⌫Majorana Neutrino
zwaar neutrinoNLNR
Hoe kunnen neutrino’s in het Standaard Model massa krijgen?
NRzeer zwaar
niet zichtbaar
NLzeer zwaar
niet zichtbaar
Neutrinos als Majorana fermionen:
⌫ = ⌫Voor lichte neutrino’s:
N = NMaar ook zware neutrino’s:
Patrick Decowski - UvA/Nikhef
Neutrino massa
linkshandig rechtshandig
deeltje
antideeltje
⌫L
⌫R
bekend
bekend
⌫ 6= ⌫Dirac Neutrino
⌫R ⌫Lzelfde massa
⌫ = ⌫Majorana Neutrino
zwaar neutrinoNLNR
Hoe kunnen neutrino’s in het Standaard Model massa krijgen?
NRzeer zwaar
niet zichtbaar
NLzeer zwaar
niet zichtbaar
Neutrinos als Majorana fermionen:
⌫ = ⌫Voor lichte neutrino’s:
N = NMaar ook zware neutrino’s:! m⌫ ⇠ m2
DMR
Verklaring voor lichte neutrino’s!
licht zwaar
Patrick Decowski - UvA/Nikhef
Maar er is meer…
Patrick Decowski - UvA/Nikhef
Maar er is meer…
• Majorana neutrino’s kunnen het Standaard Model elegant aanvullen en neutrino massa verklaren
Patrick Decowski - UvA/Nikhef
Maar er is meer…
• Majorana neutrino’s kunnen het Standaard Model elegant aanvullen en neutrino massa verklaren
μeV meV eV keV MeV GeV TeV
ν1 ν2 ν3 e
u
d s b
c t
μ τ
Lichte neutrino’s
Patrick Decowski - UvA/Nikhef
Maar er is meer…
• Majorana neutrino’s kunnen het Standaard Model elegant aanvullen en neutrino massa verklaren
• Waar zijn die zeer zware neutrino’s?
μeV meV eV keV MeV GeV TeV
ν1 ν2 ν3 e
u
d s b
c t
μ τ
Lichte neutrino’s
Patrick Decowski - UvA/Nikhef
Maar er is meer…
• Majorana neutrino’s kunnen het Standaard Model elegant aanvullen en neutrino massa verklaren
• Waar zijn die zeer zware neutrino’s?
μeV meV eV keV MeV GeV TeV
ν1 ν2 ν3 e
u
d s b
c t
μ τ
Lichte neutrino’s
→ Die zijn net na de oerknal vervallen!
Patrick Decowski - UvA/Nikhef
Maar er is meer…
• Majorana neutrino’s kunnen het Standaard Model elegant aanvullen en neutrino massa verklaren
• Waar zijn die zeer zware neutrino’s?
• Maar ook:
• Majorana neutrino’s schenden lepton-getal en “B-L”
• Indien er ook “CP-schending” is: verval van zware neutrino’s maakt een asymmetrie tussen materie en antimaterie
μeV meV eV keV MeV GeV TeV
ν1 ν2 ν3 e
u
d s b
c t
μ τ
Lichte neutrino’s
→ Die zijn net na de oerknal vervallen!
Patrick Decowski - UvA/Nikhef
Maar er is meer…
• Majorana neutrino’s kunnen het Standaard Model elegant aanvullen en neutrino massa verklaren
• Waar zijn die zeer zware neutrino’s?
• Maar ook:
• Majorana neutrino’s schenden lepton-getal en “B-L”
• Indien er ook “CP-schending” is: verval van zware neutrino’s maakt een asymmetrie tussen materie en antimaterie
Patrick Decowski - UvA/Nikhef
Neutrino massa
linkshandig rechtshandig
deeltje
antideeltje
⌫L
⌫R
bekend
bekend
⌫ 6= ⌫Dirac Neutrino
⌫R ⌫Lzelfde massa
⌫Ronbekend
⌫Lonbekend
⌫ = ⌫Majorana Neutrino
zwaar neutrinoNLNR
Hoe kunnen neutrino’s in het Standaard Model massa krijgen?
NRzeer zwaar
niet zichtbaar
NLzeer zwaar
niet zichtbaar
Neutrinos als Majorana fermionen:
⌫ = ⌫Voor lichte neutrino’s:
N = NMaar ook zware neutrino’s:! m⌫ ⇠ m2
DMR
Verklaring voor lichte neutrino’s!
licht zwaar
Materie boven antimaterie
μeV meV eV keV MeV GeV TeV
ν1 ν2 ν3 e
u
d s b
c t
μ τ
Lichte neutrino’s
→ Die zijn net na de oerknal vervallen!
Patrick Decowski - UvA/Nikhef
Hoe ontdek je Majorana Neutrino’s?
n n
e-
⌫ ⌫e-
Dubbel beta-vervalatoomkern
136Xe
136Ba
136Cs
beta-verval
dubbelbeta-verval
Patrick Decowski - UvA/Nikhef
Hoe ontdek je Majorana Neutrino’s?
n n
e-
⌫ ⌫e-
Dubbel beta-vervalatoomkern
e-
e-
n n
⌫ = ⌫Indien
136Xe
136Ba
136Cs
beta-verval
dubbelbeta-verval
Neutrinoloosdubbel
beta-verval
Patrick Decowski - UvA/Nikhef
Hoe ontdek je Majorana Neutrino’s?
n n
e-
⌫ ⌫e-
Dubbel beta-vervalatoomkern
e-
e-
n n
⌫ = ⌫Indien
136Xe
136Ba
136Cs
beta-verval
dubbelbeta-verval
Neutrinoloosdubbel
beta-verval
met neutrino’s
neutrinoloos
Patrick Decowski - UvA/Nikhef
Hoe ontdek je Majorana Neutrino’s?
n n
e-
⌫ ⌫e-
Dubbel beta-vervalatoomkern
e-
e-
n n
⌫ = ⌫Indien
136Xe
136Ba
136Cs
beta-verval
dubbelbeta-verval
KamLAND-Zen
400kg 136Xe
Neutrinoloosdubbel
beta-verval
Patrick Decowski - UvA/Nikhef
Beweging van sterren
Grote structuren
Verbuiging van licht
Kosmische Achtergrondstraling
Sterke aanwijzingen voor donkere materie
Clusters van sterrenstelsels
Patrick Decowski - UvA/Nikhef
Beweging van sterren
Grote structuren
Verbuiging van licht
Kosmische Achtergrondstraling
Sterke aanwijzingen voor donkere materie
Clusters van sterrenstelsels
Op alle afstandsschalen in het Heelal
Patrick Decowski - UvA/Nikhef
15%
85%
Donkere materie
“Gewone” Materie
Materie in het heelal
Uit astronomische waarnemingen:
Patrick Decowski - UvA/Nikhef
15%
85%
Donkere materie
“Gewone” Materie
Materie in het heelal
Uit astronomische waarnemingen:
Maar waaruit bestaat die donkere materie?
Patrick Decowski - UvA/Nikhef
Wat is het donkere materie deeltje?
• Eigenschappen van DM:
• Kan niet geladen zijn, anders zou het zichtbaar zijn
• Moet massa hebben, maar niet te licht
• Moet stabiel zijn, niet vervallen
• Wisselwerkingen met andere deeltjes klein
• …
Patrick Decowski - UvA/Nikhef
Wat is het donkere materie deeltje?
u
d
c
s
t
b
νe
e
νμ
μ
ντ
τ
• Eigenschappen van DM:
• Kan niet geladen zijn, anders zou het zichtbaar zijn
• Moet massa hebben, maar niet te licht
• Moet stabiel zijn, niet vervallen
• Wisselwerkingen met andere deeltjes klein
• …
Patrick Decowski - UvA/Nikhef
Wat is het donkere materie deeltje?
u
d
c
s
t
b
νe
e
νμ
μ
ντ
τ
• Eigenschappen van DM:
• Kan niet geladen zijn, anders zou het zichtbaar zijn
• Moet massa hebben, maar niet te licht
• Moet stabiel zijn, niet vervallen
• Wisselwerkingen met andere deeltjes klein
• …
Géén van de deeltjes in het Standaard Model voldoen!
Patrick Decowski - UvA/Nikhef
Wat is het donkere materie deeltje?
u
d
c
s
t
b
νe
e
νμ
μ
ντ
τ
• Eigenschappen van DM:
• Kan niet geladen zijn, anders zou het zichtbaar zijn
• Moet massa hebben, maar niet te licht
• Moet stabiel zijn, niet vervallen
• Wisselwerkingen met andere deeltjes klein
• …
Géén van de deeltjes in het Standaard Model voldoen!
Nieuw hypothetisch deeltje: de WIMPWeakly Interacting Massive Particle
Patrick Decowski - UvA/Nikhef
Supersymmetrie
u
d
c
s
t
b
νe
e
νμ
μ
ντ
τ
quarks
leptonen
fermionen
Standaard Model deeltjes
Patrick Decowski - UvA/Nikhef
Supersymmetrie
u
d
c
s
t
b
νe
e
νμ
μ
ντ
τ
quarks
leptonen
fermionen
Standaard Model deeltjes
squarks
sleptonen
bosonen
u
d
c
s
t
b
νe
e
νμ
μ
ντ
τ
~ ~ ~
~ ~ ~
~ ~ ~
~ ~ ~
“Superpartners”
Patrick Decowski - UvA/Nikhef
Supersymmetrie
u
d
c
s
t
b
νe
e
νμ
μ
ντ
τ
quarks
leptonen
fermionen
Standaard Model deeltjes
squarks
sleptonen
bosonen
u
d
c
s
t
b
νe
e
νμ
μ
ντ
τ
~ ~ ~
~ ~ ~
~ ~ ~
~ ~ ~
“Superpartners”
Neutralino:Majorana fermionχ ~
Patrick Decowski - UvA/Nikhef
Supersymmetrie
u
d
c
s
t
b
νe
e
νμ
μ
ντ
τ
quarks
leptonen
fermionen
Standaard Model deeltjes
squarks
sleptonen
bosonen
u
d
c
s
t
b
νe
e
νμ
μ
ντ
τ
~ ~ ~
~ ~ ~
~ ~ ~
~ ~ ~
“Superpartners”
Supersymmetrie geeft een heel aannemelijk WIMP deeltje
Neutralino:Majorana fermionχ ~
Patrick Decowski - UvA/Nikhef
WIMP
Xenon
Elastische botsing
Donkere Materiezit om ons heen
MelkwegstelselZon
WIMPs staan bijna stil in het melkwegstelsel, wij gaan 220km/s
Verwachten ~1 miljard WIMPs/m2/sec
Patrick Decowski - UvA/Nikhef
WIMP
Xenon
Elastische botsing
Donkere Materiezit om ons heen
MelkwegstelselZon
WIMPs staan bijna stil in het melkwegstelsel, wij gaan 220km/s
Verwachten ~1 miljard WIMPs/m2/sec
De bostingen zijn heel zeldzaam!
Patrick Decowski - UvA/Nikhef
2.5 ton vloeibaar xenon
XENON1T
Patrick Decowski - UvA/Nikhef
Conclusie
• Elementaire Majorana fermionen zijn nog niet gezien, maar kunnen een aantal belangrijke natuurkunde problemen oplossen
• Majorana neutrino’s kunnen:
• kleine massa van het neutrino verklaren
• asymmetrie materie en antimaterie verklaren
• Majorana donkere materie deeltjes
• Meest aannemelijke verklaring voor donkere materie - 85% van alles!
• Experimenten om beide te vinden!
Meer weten? http://www.nikhef.nl/~decowski