Neutrinofysica

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 ƒ ~50 kton puur water ƒ 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 ƒ 99% energie is neutrino’s ƒ 1% energie is licht Supernova 160,000 jaar Aarde Neutrino astronomie Waarom? p
Q
J
ƒ kosmische stralen buigen af door magneet velden ƒ 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
ƒ Lengte muon spoor
ƒ Detectie Cherenkov licht
ƒ 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 ƒ 200 personen ƒ 6 landen ƒ 40 km uit de kust bij Toulon ƒ 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
ƒ Neutrino’s bestaan, wisselwerken zwak met materie, en
hebben een zeer kleine massa
ƒ Zonneneutrino’s zijn gemeten, neutrino’s oscilleren spontaan
ƒ Neutrino’s uit de SN1987A zijn gezien, neutrino flits
ƒ 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