Postawy fizyki cząstek III - if.uj.edu.pl · Zakres fizyki cząstek a eksperymenty...
Transcript of Postawy fizyki cząstek III - if.uj.edu.pl · Zakres fizyki cząstek a eksperymenty...
![Page 1: Postawy fizyki cząstek III - if.uj.edu.pl · Zakres fizyki cząstek a eksperymenty nieakceleratorowe • Z relacji nieoznaczoności przestrzenna zdolność rozdzielcza ∆r≈0.5fm](https://reader031.fdocuments.net/reader031/viewer/2022021723/5c782fdb09d3f2cd0e8c6f9b/html5/thumbnails/1.jpg)
Podstawy fizyki cząstek III
Eksperymenty nieakceleratorowe
Krzysztof Fiałkowski
![Page 2: Postawy fizyki cząstek III - if.uj.edu.pl · Zakres fizyki cząstek a eksperymenty nieakceleratorowe • Z relacji nieoznaczoności przestrzenna zdolność rozdzielcza ∆r≈0.5fm](https://reader031.fdocuments.net/reader031/viewer/2022021723/5c782fdb09d3f2cd0e8c6f9b/html5/thumbnails/2.jpg)
Zakres fizyki cząstek a eksperymenty nieakceleratorowe
• Z relacji nieoznaczoności przestrzenna zdolność
rozdzielcza ∆r≈0.5fm wymaga ∆E>ħ/∆r≈0.4 GeV.
• Wyjątek: o. słabe, krótki zasięg ≈ 1 am, zatem neutrina nawet z reaktorów i Słońca (MeV) oddziałują z pojedynczymi nukleonami, a nawet kwarkami.
• Inne nieakceleratorowe: promieniowanie kosmiczne.
• Szeroki zakres energii, różne cząstki!
![Page 3: Postawy fizyki cząstek III - if.uj.edu.pl · Zakres fizyki cząstek a eksperymenty nieakceleratorowe • Z relacji nieoznaczoności przestrzenna zdolność rozdzielcza ∆r≈0.5fm](https://reader031.fdocuments.net/reader031/viewer/2022021723/5c782fdb09d3f2cd0e8c6f9b/html5/thumbnails/3.jpg)
Przypomnienie o neutrinach: eksperyment Reinesa i Cowana
• Reaktor: ~5×1013 ν/s/cm2, rzędy wielkości > niż źródła. Tarcza wodna: 200 l, 2 zbiorniki, 3 warstwy scyntylatorów • , e+e- →γγ � γ – błysk ze scyntylatora, 110 fotopowielaczy • Dodatkowa informacja z 40 kg CdCl2 w wodzie: • . Fotony z Cd opóźnione o 5 µs. • Wstępny eksperyment: Hanford, za słaby sygnał.
Savannah River (Pd. Karolina), detektor 11 m od reaktora, 12 m pod ziemią, osłona przed prom. kosm.
• Wyniki: 3ν/h, sygnał znika po wyłączeniu reaktora. Oczekiwane σ ≈ 6∙10-44 cm2, zmierzone 6.3∙10-44 cm2.
Clyde Cowan †1974; Frederick Reines Nobel 1995, †1998.
![Page 4: Postawy fizyki cząstek III - if.uj.edu.pl · Zakres fizyki cząstek a eksperymenty nieakceleratorowe • Z relacji nieoznaczoności przestrzenna zdolność rozdzielcza ∆r≈0.5fm](https://reader031.fdocuments.net/reader031/viewer/2022021723/5c782fdb09d3f2cd0e8c6f9b/html5/thumbnails/4.jpg)
![Page 5: Postawy fizyki cząstek III - if.uj.edu.pl · Zakres fizyki cząstek a eksperymenty nieakceleratorowe • Z relacji nieoznaczoności przestrzenna zdolność rozdzielcza ∆r≈0.5fm](https://reader031.fdocuments.net/reader031/viewer/2022021723/5c782fdb09d3f2cd0e8c6f9b/html5/thumbnails/5.jpg)
![Page 6: Postawy fizyki cząstek III - if.uj.edu.pl · Zakres fizyki cząstek a eksperymenty nieakceleratorowe • Z relacji nieoznaczoności przestrzenna zdolność rozdzielcza ∆r≈0.5fm](https://reader031.fdocuments.net/reader031/viewer/2022021723/5c782fdb09d3f2cd0e8c6f9b/html5/thumbnails/6.jpg)
Neutrina słoneczne
• Reakcje fuzji w Słońcu: 2ν na cykl 4p→α. • Oczekiwany strumień na Ziemi 6∙1014/m2/s
![Page 7: Postawy fizyki cząstek III - if.uj.edu.pl · Zakres fizyki cząstek a eksperymenty nieakceleratorowe • Z relacji nieoznaczoności przestrzenna zdolność rozdzielcza ∆r≈0.5fm](https://reader031.fdocuments.net/reader031/viewer/2022021723/5c782fdb09d3f2cd0e8c6f9b/html5/thumbnails/7.jpg)
Eksperyment Davisa (Kopalnia Homestake w Pd. Dakocie, 380 t C2Cl4) ν37Cl→e37Ar Próg 814 keV
![Page 8: Postawy fizyki cząstek III - if.uj.edu.pl · Zakres fizyki cząstek a eksperymenty nieakceleratorowe • Z relacji nieoznaczoności przestrzenna zdolność rozdzielcza ∆r≈0.5fm](https://reader031.fdocuments.net/reader031/viewer/2022021723/5c782fdb09d3f2cd0e8c6f9b/html5/thumbnails/8.jpg)
Dalsze eksperymenty z neutrinami słonecznymi
• GALLEX, SAGE: też radiochemiczne, ale ν+71Ga→e+71Ge: niższy próg energii (233 keV), główna część widma ze Słońca.
• Potwierdzenie głównego wyniku: deficyt, rejestracja 30 – 50% oczekiwanych ν!
• Nowe eksperymenty w czasie rzeczywistym: Superamiokande: 50 kt wody, walec otoczony fotopowielaczami, Czerenkow: e z νn→ep.
• Użyty także do ν „atmosferycznych” – na potem • SNO – wyjaśnienie zagadki. Przyszłość:
BOREXINO – czas rzeczywisty, próg jak SAGE.
![Page 9: Postawy fizyki cząstek III - if.uj.edu.pl · Zakres fizyki cząstek a eksperymenty nieakceleratorowe • Z relacji nieoznaczoności przestrzenna zdolność rozdzielcza ∆r≈0.5fm](https://reader031.fdocuments.net/reader031/viewer/2022021723/5c782fdb09d3f2cd0e8c6f9b/html5/thumbnails/9.jpg)
Eksperyment Superkamiokande
![Page 10: Postawy fizyki cząstek III - if.uj.edu.pl · Zakres fizyki cząstek a eksperymenty nieakceleratorowe • Z relacji nieoznaczoności przestrzenna zdolność rozdzielcza ∆r≈0.5fm](https://reader031.fdocuments.net/reader031/viewer/2022021723/5c782fdb09d3f2cd0e8c6f9b/html5/thumbnails/10.jpg)
Superkamiokande
![Page 11: Postawy fizyki cząstek III - if.uj.edu.pl · Zakres fizyki cząstek a eksperymenty nieakceleratorowe • Z relacji nieoznaczoności przestrzenna zdolność rozdzielcza ∆r≈0.5fm](https://reader031.fdocuments.net/reader031/viewer/2022021723/5c782fdb09d3f2cd0e8c6f9b/html5/thumbnails/11.jpg)
Promieniowanie kosmiczne
• Odkrycie: Hess 1912 wzrost jonizacji (rozładowanie elektroskopu) z wysokością
• Skład na poziomie morza: γ, e-, potem e+, µ, π, K, Λ, Σ... (odkrywane w p.k.)
• To cząstki produkowane w oddziaływaniach z atmosferą pierwotnego promieniowania kosmicznego i produkty rozpadów tych cząstek
• Skład p.p.k.: 95% p, 4.5% α, 0.5% cięższe jądra • Widmo energii E-2.7 do 1015 eV, E-3 do 1020 eV • Obcięcie GZK energii p.p.k. – na potem
![Page 12: Postawy fizyki cząstek III - if.uj.edu.pl · Zakres fizyki cząstek a eksperymenty nieakceleratorowe • Z relacji nieoznaczoności przestrzenna zdolność rozdzielcza ∆r≈0.5fm](https://reader031.fdocuments.net/reader031/viewer/2022021723/5c782fdb09d3f2cd0e8c6f9b/html5/thumbnails/12.jpg)
Strumień pierwotnego promieniowania kosmicznego
![Page 13: Postawy fizyki cząstek III - if.uj.edu.pl · Zakres fizyki cząstek a eksperymenty nieakceleratorowe • Z relacji nieoznaczoności przestrzenna zdolność rozdzielcza ∆r≈0.5fm](https://reader031.fdocuments.net/reader031/viewer/2022021723/5c782fdb09d3f2cd0e8c6f9b/html5/thumbnails/13.jpg)
Techniki detekcji promieniowania kosmicznego
• Detekcja zwykle albo cząstek jonizujących na Ziemi (w górach?), albo światła Czerenkowa lub fluorescencji N2 z kaskady w atmosferze.
• Pierwszy „uniwersalny”: Auger w Argentynie • 1600 detektorów w siatce o powierzchni około
3000 km2, (10 wielkich miast) ułożonych regularnie w odstępach 1.5 km, każdy ze zbiornikiem 12 ton wody obudowanym fotopowielaczami (Czerenkow), radiotransmisja.
• 4 teleskopy fluorescencji powietrza z kaskady.
![Page 14: Postawy fizyki cząstek III - if.uj.edu.pl · Zakres fizyki cząstek a eksperymenty nieakceleratorowe • Z relacji nieoznaczoności przestrzenna zdolność rozdzielcza ∆r≈0.5fm](https://reader031.fdocuments.net/reader031/viewer/2022021723/5c782fdb09d3f2cd0e8c6f9b/html5/thumbnails/14.jpg)
Mapa eksperymentu Auger - Sud
![Page 15: Postawy fizyki cząstek III - if.uj.edu.pl · Zakres fizyki cząstek a eksperymenty nieakceleratorowe • Z relacji nieoznaczoności przestrzenna zdolność rozdzielcza ∆r≈0.5fm](https://reader031.fdocuments.net/reader031/viewer/2022021723/5c782fdb09d3f2cd0e8c6f9b/html5/thumbnails/15.jpg)
Schemat przypadków Auger
![Page 16: Postawy fizyki cząstek III - if.uj.edu.pl · Zakres fizyki cząstek a eksperymenty nieakceleratorowe • Z relacji nieoznaczoności przestrzenna zdolność rozdzielcza ∆r≈0.5fm](https://reader031.fdocuments.net/reader031/viewer/2022021723/5c782fdb09d3f2cd0e8c6f9b/html5/thumbnails/16.jpg)
Nowe wyniki eksperymentu Auger
• Potwierdzenie obcięcia energii wynikającego z progu na produkcję π w zderzeniach z fotonami promieniowania reliktowego (Greisen – Zacepin – Kuzmin):
(E + Eγ)2−(p-pγ)2c2 ≥ (mp+mπ)2c4 → E≥1021eV • Korelacja cząstek o E>50 EeV z AGN • Zmiana profilu kaskady dla E>50 EeV ;
dominacja ciężkich jonów?? • Plany: Auger Nord w Teksasie
![Page 17: Postawy fizyki cząstek III - if.uj.edu.pl · Zakres fizyki cząstek a eksperymenty nieakceleratorowe • Z relacji nieoznaczoności przestrzenna zdolność rozdzielcza ∆r≈0.5fm](https://reader031.fdocuments.net/reader031/viewer/2022021723/5c782fdb09d3f2cd0e8c6f9b/html5/thumbnails/17.jpg)
Neutrina atmosferyczne
Główne produkty zderzeń protonów p.p.k. z jądrami tlenu i azotu atmosfery: mezony π.
Główne rozpady π+/-→µ+/-νµ; µ→eνµνe Zatem dla energii π poniżej kilku GeV strumień
neutrin/antyneutrin mionowych dwukrotnie większy niż elektronowych.
Przy wyższych energiach część mionów nie rozpada się, stosunek strumieni wyższy.
Nazwa „neutrina atmosferyczne”.
![Page 18: Postawy fizyki cząstek III - if.uj.edu.pl · Zakres fizyki cząstek a eksperymenty nieakceleratorowe • Z relacji nieoznaczoności przestrzenna zdolność rozdzielcza ∆r≈0.5fm](https://reader031.fdocuments.net/reader031/viewer/2022021723/5c782fdb09d3f2cd0e8c6f9b/html5/thumbnails/18.jpg)
Odkrycie oscylacji neutrin w Superkamiokande
• Elektrony i miony produkowane przez neutrina w zbiorniku Superkamiokande dają pierścienie Czerenkowa łatwo rozróżnialne (ostre dla mionów, rozmyte dla elektronów)
• Łatwe wyznaczenie stosunku R strumieni νµ/νe. • Atmosfera nad- i pod zbiornikiem symetryczna;
stosunek strumieni nie! Deficyt mionów „z dołu”. • Tłumaczenie: neutrina mionowe na drodze przez
Ziemię zmieniają się w taonowe (niewidzialne w Superkamiokande, bo taony rozpadają się).
![Page 19: Postawy fizyki cząstek III - if.uj.edu.pl · Zakres fizyki cząstek a eksperymenty nieakceleratorowe • Z relacji nieoznaczoności przestrzenna zdolność rozdzielcza ∆r≈0.5fm](https://reader031.fdocuments.net/reader031/viewer/2022021723/5c782fdb09d3f2cd0e8c6f9b/html5/thumbnails/19.jpg)
Oscylacje neutrin - ogólnie • Jeśli masa neutrin różna od zera, stany o określonej
masie νi to na ogół nie stany o określonym „zapachu” (np. νµ/e z π→µ/e +νµ/e).
• Macierz mieszania PMNS (Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata): νi = Σ UPMNS
iανα. • Propagacja stanów zależna od masy; dla E»mc2
Ei≈mic2+p2/(2mic2); czynnik exp(iEt/c) daje oscylacje różnych wkładów, a więc „zapach” oscyluje: np. P(νµ→ντ) = |ΣUµi*Uτiexp(-imi
2L/2E)|2
• Pierwotnie proponowane do wyjaśnienia deficytu neutrin słonecznych; bezpośrednia ewidencja – atmosferyczne.
![Page 20: Postawy fizyki cząstek III - if.uj.edu.pl · Zakres fizyki cząstek a eksperymenty nieakceleratorowe • Z relacji nieoznaczoności przestrzenna zdolność rozdzielcza ∆r≈0.5fm](https://reader031.fdocuments.net/reader031/viewer/2022021723/5c782fdb09d3f2cd0e8c6f9b/html5/thumbnails/20.jpg)
Oscylacje neutrin: zastosowania, wyniki
• W ogólnym wzorze naprawdę istotne tylko różnice kwadratów mas. Dla 3 stanów 2 różnice, jeśli jedna znacznie mniejsza, to dla niezbyt dużych L tylko druga ważna.
• Tak jest dla neutrin atmosferycznych: P(νµ→ντ)≈sin22θ sin2(1.27∆m2L/E), gdzie m w eV, L w km, E w GeV. Θ≈π/4; ∆m23
2≈10-3 eV2, więc P wyraźnie różne od 0 dla E rzędu GeV, L rzędu RZ. Potwierdzone eksperymentami akceleratorowymi!
![Page 21: Postawy fizyki cząstek III - if.uj.edu.pl · Zakres fizyki cząstek a eksperymenty nieakceleratorowe • Z relacji nieoznaczoności przestrzenna zdolność rozdzielcza ∆r≈0.5fm](https://reader031.fdocuments.net/reader031/viewer/2022021723/5c782fdb09d3f2cd0e8c6f9b/html5/thumbnails/21.jpg)
Akceleratorowy eksperyment neutrinowy CNGS (CERN – Gran Sasso)
![Page 22: Postawy fizyki cząstek III - if.uj.edu.pl · Zakres fizyki cząstek a eksperymenty nieakceleratorowe • Z relacji nieoznaczoności przestrzenna zdolność rozdzielcza ∆r≈0.5fm](https://reader031.fdocuments.net/reader031/viewer/2022021723/5c782fdb09d3f2cd0e8c6f9b/html5/thumbnails/22.jpg)
Potwierdzenie oscylacji neutrin w danych słonecznych
• Eksperyment Superkamiokande + SNO: Pomiar liczby e w SK mierzy głównie strumień νe i potwierdza deficyt w porównaniu z modelami Słońca, jak Homestake, GALLEX, SAGE.
• SNO: 1 kt ciężkiej wody; wszystkie ν aktywne w rozszczepianiu d rejestrowanym przez emisję γ przy wychwycie n. Porównując częstość zdarzeń w ciężkiej i zwykłej wodzie można rozróżnić e z νe+n→e+p oraz ν+e→ν+e (gdzie też wszystkie ν aktywne) i sprawdzić, że strumień wszystkich ν jest zgodny z modelami Słońca. Deficyt tylko νe!
![Page 23: Postawy fizyki cząstek III - if.uj.edu.pl · Zakres fizyki cząstek a eksperymenty nieakceleratorowe • Z relacji nieoznaczoności przestrzenna zdolność rozdzielcza ∆r≈0.5fm](https://reader031.fdocuments.net/reader031/viewer/2022021723/5c782fdb09d3f2cd0e8c6f9b/html5/thumbnails/23.jpg)
Detektor SNO
![Page 24: Postawy fizyki cząstek III - if.uj.edu.pl · Zakres fizyki cząstek a eksperymenty nieakceleratorowe • Z relacji nieoznaczoności przestrzenna zdolność rozdzielcza ∆r≈0.5fm](https://reader031.fdocuments.net/reader031/viewer/2022021723/5c782fdb09d3f2cd0e8c6f9b/html5/thumbnails/24.jpg)
Podsumowanie • Mimo wspaniałego rozwoju technik
akceleratorowych, konstrukcji wiązek wtórnych, budowy pierścieni zderzających e+e-, pp, ep, p¯p, perspektyw zderzaczy mionów…
• Eksperymenty nieakceleratorowe, które przyniosły już wiele cennych odkryć, pozostają równie ważne, a niekiedy niezastąpione!
• Reaktorowe strumienie neutrin porównywalne z akceleratorowymi, lub intensywniejsze!
• Energia protonów kosmicznych rzędu setek EeV oznacza ECM rzędu PeV, wciąż nieosiągalne w akceleratorach!