Neutrino’s and astronomie
description
Transcript of Neutrino’s and astronomie
1
Neutrino’s and astronomie
Maarten de JongHOVO–2014
2
Wat is een neutrino?
3
Radioactief verval (~1920)
2E Mce
2-deeltjes verval?
detector
elektron
Einstein:
magneet
4
Radioactief verval (II)
Ee
aant
al g
ebeu
rten
issen
Energie niet behouden?
gemeten energie spectrum
2Mc
5
Geachte radioactieve dames en heren,
Ik heb misschien een oplossing gevonden om dewet van energie behoud te redden.
Het gemeten spectrum kan verklaard worden als zo’n onzichtbaar deeltje ontsnapt tegelijkertijd met het elektron zodat de totale energie klopt.
… het bestaan van onzichtbare deeltjes –welke ik aldus neutronen noem– in de atoom kern.
Maar tot nu toe heb ik dit niet durven publicerenen 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 hieroverna en oordeel.
W. Pauli, 4 december 1930
6
?n p e Pauli (1930):
Theorie van de zwakke kracht
n
p e
?
n p
ddu u
du
e
eW–
Feynman diagram
Fermi:
en p e
neutrino
7
ee
1950 – Reines & Cowan“Poltergeist”, Savannah River
kernreactor neutrinodetectie
Het bewijs van het bestaan van neutrino’s
n
e
8
Neutrinoastronomie
9
kosmische straling
10
V
-250 V
geladendeeltje
e-
Ionisatie kamer (~1910)
elektrischegeleidbaarheid
van lucht
radioactiviteit van de Aarde?
11
druk
[cm
Hg]
V
Aarde
0
70
60
50
40
30
20
10
V. Hess (1912)
radioactiviteit komtvanuit de ruimte!
kosmische straling
“The results of my observation are best explained by the assumption that a radiation of very great penetrating power enters our atmosphere from above.”
12
P. Auger (1938)
ontdekking van uitgebreide “deeltjes regens”
tijd
13
hoog
te [k
m]
20
10
2
4
6
8
18
16
14
12vrije w
eglengte
1
2
3
5
10
N
pionproton
neutrino
muon
proton
Aarde gezien door kosmische straling
Aarde
14
Detectie van kosmische straling
fluorescentie(ultraviolet ‘zichtbaar’)
multipixel camera’s(stereoscopisch zicht)
muon detectoren(aankomst tijden richting)
grond oppervalk
15
Energie spectrum
E [eV/deeltje]
flux
[(m2 s
r s G
eV)-1
]
1010
1027
1 per km2 per jaar
1 per m2 per seconde
plateau
2.7E
1.5 eV =
1010 1020 1 kg
1 m
236 10 ?NA
16
pR
ZeB
impuls van het deeltje
lading van het deeltje Magnetisch veld
straal v/e cirkel
10.2 1
. .
R p G
a u GeV B
Afstand aarde – zon(~150 x 106 km)
Magnetisch veld zon(~10 G)
1p GeV
17
Kosmische versnellers
“CERN in the sky”
18
Fermi schokgolf versneller
radio beelden April 1993–Juni 1998
snelheid:
SN1993J – M81
20000 /V km stijd
19
E E versnelling
P overlevings kans
k stappen 0 (1 )kE E
0 ( )kN N
Simpel model
geladendeeltje
V
interstellairematerie
Fermi schokgolf versneller (II)
20
0
0
ln( ) ln( )ln( ) ln(1 )
N NE E
ln( )ln(1 )
0 0
N EN E
ln( )ln(1 ) 1 2dN E E
dE
Thermodynamica
Relativiteitsleer
gemeten spectrum
Fermi schokgolf versneller (III)
21
Welke geladen deeltjes?
elektronen protonen
Np
p
p
neutrino’s
muonen
astronomie kosmische straling
Synchrotronstraling
inverseCompton
verstrooiing
e
e
22
Astronomie
23
hcE
constante van Planck snelheid van het licht
Energie van ‘deeltje’
golflengte:
24
1’ 1’1’ 1’
radio 10-8 eV optisch 10 eV Röntgen 104 eV licht deeltjes 1012 eV
breedbandig spectrum
Krab nevel
25
traditioneleastronomie
neutrino astronomie
kosmische stralen (bestaan uit combinaties van
u en d quarks)
Astro-deeltjes fysica
lept
ons
quar
ks
generatieskr
acht
drag
ers
26
44 2p e He 2
e
~25 MeV
Zonne energie
263.92 10L W Licht oprbrengst
Neutrinos 38 113
2 1.8 101.6 10 25e
LN s
MeV
27
Homestake goud mijn (USA)
37 37e Cl Ar e
0.814e
E MeV
130 ton Chloor
‘omgekeerd verval’
28
extractie vanAr atomen
(~15 / maand!)
detectie principe
29
verwacht
gezien
Neutrino’s uit de zon
~30 jaar!
SNU
= 1
0-36 s
-1 /
Atom
12
30
Super Kamiokande (Japan)
nucleon decay experiment
~50 kton puur water
12,000 PMTs
31
Geen proton verval gezien
Maar Kamiokande is ook een neutrino detector…
32
'e
'e
e
ee
detectie principe
2'
'
2
'
22sin (1 )2e e e
e e
e
e
m c EE E
m cE
30eo
Energie en impuls behoud:
atomair elektron
neutrino telescoop
gedetecteerd
33
zonZon
e
atomair elektron
Aarde
0.5 0.1gemeten
verwacht
N
N
Neutrino’s wijzennaar de zon
aant
al [(
dag
kton
bin
)-1]
cos zon
'e
34
we zien ½ neutrino’s uit de zon
neutrino oscillaties¶
¶ B. Pontecorvo, 1957
35
1Z Ze N NA A e
Energie drempel
eE MeV
2 0.511em c MeV
2e
E m c = ‘steriel’
100
2 105.7m c MeV
1/ 2
36
Mengen van neutrino toestanden
1
2
3
eU
massatoestanden
zwakketoestanden
3 x 3 matrix(unitair)
37
Mengen van 2 toestanden
1
2
cos sinsin cos
e
creatiereizen door de ruimte
‘rotatie’
38
2
1
Reizen van neutrino’s door de ruimte
cos
sin
relatieve amplitudes veranderen met tijd of afstand
e
ampl
itude
39
2
2 2 42 12 2
( ) ( ) ( )
( )1 sin 2 sin
4
e e e eP x x
m m cx
Ehc
Neutrino oscillaties (II)
p
amplitude 2
40
22 1
hc
m m c
Heisenberg:
2 1 2 2 2 42 2 1 2 1
'
4
( )2
Em
E hc E hcm m m m c m m cc
p
Lorentz boost:
golflengte:
41
Sudbury Neutrino Observatory
1 kton zwaar water (D2O)
9600 PMTs
42
Neutrino reacties
e ee e
e D e p p
x xD p n
43
Resultaten
geenoscillaties
behoudenneutrino flux
andereneutrino’s
44
KamLAND
55 kernreactoren met totaal vermogen 70 GW (~7% v/d wereldproductie) Neutrino’s worden geproduceerd op 130–220 km afstand van de detector
45
L/E [km/MeV]
P( e
e)KamLAND (II)
ideaal geval
Neutrino oscillatiesKamLAND meting CHOOZ meting
geen oscillaties
46
23 Februari 1987
Supernova Aarde160,000 jaar
Tijd correlatie 99% energie is neutrino’s
1% energie is licht
47
Neutrino astronomie
48
p, He, ..
?
Kosmische stralen
Gamma stralen
neutrino’s– Supernova Remnants– Active Galactic Nuclei– Gamma-Ray Bursts– ...
!
Astro-deeltjes
49
Astro-deeltjes
p
p + p p+, p‒, p0
p± ±, ,e
p0
?deeltjes identificatie!
e + e + Electro-Magnetisch
Hadronisch
50
1960 Markov’s idee:
Lengte muon spoor
Detectie Cherenkov licht
Water is transparant
Zeewater als interactie en detectie medium
Hoe?
51
Neutrino detectie
muon
golffront
1 2 3 4 5
~ km
~100 m
muon reist met de lichtsnelheid (300,000 km/s)
detectie Cherenkov licht ns – km
neutrino
interactie
52
stro
oiho
ek [g
rade
n]
neutrino energie [GeV]
s1.5
TeVE
Neutrino richting
neutrino
muon
Neutrino telescoop!
101 102 103 104 105
53
neutrino energie [GeV]
wer
kzam
e do
orsn
ede
[cm
2 ]
1( )A
EN
Vrije weglengte:
Werkzame doorsnede
810 km
“Size matters”
102 103 104 105 106 107
10-36
10-35
10-34
10-33
310 GeVE
54
Werkzame doorsnede (II)
1 fm
Atoom
1 fm 100,000 x
55
Architectuur
lichtdetectie
datatransmissie
datafilter
meet-gegevens
neutrino detector
machine kamer
analyse
besturing
start stop
56
Antares
prototype neutrino telescoop
57
2.5 km500 m
250 Atm.
200x200 m2
200 personen 6 landen 40 km uit de kust bij Toulon, Frankrijk gereed 2008
12 lijnen
25 verdiepingen / lijn
Antares
58Hydrophoon
acoustische positie meting
10” PMTlicht detectie
Electronicauitlezing
titanium framemechanisch drager
Optisch bakentijd calibratie
12 x 25 = 300 bouwstenen
~1 m
59
“All-data-to-shore” conceptpo
sitie
tijd
100 ms
data filter
2 s
offline reconstructie
1 MB/s
bepaling van het muon spoor
1 GB/s
astronomie
60
cos()
aant
al g
ebeu
rten
issen
Neutrino detectie
muon
d( )
Aarde
~3000 neutrinos!
D = 2.5 km
Atm. totaalAtm. neutrino’s
Atm. muonsAntares
61
Neutrino “sky map”
Nog geen puntbronnen gevonden…
62
plotselingeEddie stromen
Temperatuur
Aard & Zee onderzoek
Frankrijk
observatoriumvoedingsbodem
Bioluminescentie
kortstondige gebeurtenissendomineren leven in diepzee
permanent observatorium
tijdprofiel
63
KM3NeT
KM3 Neutrino Telescoop
64
Ontwerp~ 600 m
Optisch moduulLanceer apparaat
‒ 31 x 3” PMTs‒ HV‒ LED & piëzo‒ FPGA uitlezing‒ White Rabbit‒ DWDM
‒ snelle verankering‒ uitrollen autonoom ‒ recyclebaar
65
3D print
PMT
spiegelglazen bol
koelblok“paddenstoel”
plug
PCB met FPGA
bolder
riem
HV
66
Prototype (I)
April 2013 Toulon, France
67
Multipliciteit
Telsn
elhe
id [H
z]
PMT oriëntatie [graden]
Atmosferische muonen K40 toevallige coïncidenties+ data
Prototype (I)
Atmosferische muonen+ data (M ≥ 7)
schaduw
Telsn
elhe
id [a
.u.]
0
10
20
30
40
50
68
Neutrino astronomie
RXJ 1713
‒ Terugvinden van kosmische stralen
‒ KM3NeT kan ontdekking doen binnen 5 jaar
E [GeV]
kans
Hoek [graden]
oppe
rvla
k [m
2 ]
Effectief oppervlak Hoek resolutie
muonneutrino
3
Vela X
69
Nieuws
Energie [TeV]
aant
al (9
88 d
agen
)
70
Samenvatting
Neutrino’s bestaan, wisselwerken zwak met materie, en hebben een
zeer kleine massa
Zonneneutrino’s zijn gemeten
Neutrino’s oscilleren spontaan
SN1987A was een neutrino flits
Eerste zeer energetische neutrino’s uit kosmos gezien
Neutrino’s uit andere astrofysische bronnen?
Neutrino–astronomie is binnen handbereik (met KM3NeT)!
71
Neutrinos, they are very small.They have no charge and have no massAnd do not interact at all.The earth is just a silly ballTo them, through which they simply pass,Like dustmaids through a drafty hallOr 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 tallAnd painless guillotines, they fallDown through our heads into the grass.At night, they enter at NepalAnd pierce the lover and his lassFrom underneath the bed - you callIt wonderful; I call it crass.
John Updike