Neutrino astronomie

Neutrino’s and astronomie
Maarten de Jong
HOVO–2014
1
Wat is een neutrino?
2
Radioactief verval (~1920)
elektron
magneet
2-deeltjes verval?
Einstein:
Ee   Mc
2
detector
3
Radioactief verval (II)
aantal gebeurtenissen
gemeten
energie spectrum
Ee
 Mc 2
Energie niet behouden?
4
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
5
na en oordeel.
Pauli (1930):
n  p  e  ?e
Fermi:
Theorie van de zwakke kracht
neutrino
e
n
W–
?
e
u
d
u
d
d
u
np
e
p
Feynman diagram
6
1950 – Reines & Cowan
“Poltergeist”, Savannah River
Het bewijs van het
bestaan van neutrino’s
e
e
kernreactor
e
neutrinodetectie
n
7
Neutrino
astronomie
8
kosmische straling
9
Ionisatie kamer (~1910)
geladen
deeltje
e-
-250 V
V
radioactiviteit van de Aarde?
elektrische
geleidbaarheid
van lucht
10
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
11
P. Auger (1938)
tijd
ontdekking van uitgebreide “deeltjes regens”
12
proton
Aarde gezien door kosmische straling
N
20
1
18
proton
2
14
12
3
10
8
5
vrije weglengte
hoogte [km]
16
pion
muon
neutrino
6
4
2
10
Aarde
13
Detectie van kosmische straling
fluorescentie
(ultraviolet
‘zichtbaar’)
multipixel camera’s
(stereoscopisch zicht)
grond oppervalk
muon detectoren
(aankomst tijden
richting)
14
Energie spectrum
plateau
flux [(m2 sr s GeV)-1]
1 per m2 per seconde
1.5 eV =
 E 2.7
1027
NA
6 1023 ?
1m
1 per km2 per jaar
1010
1010
E [eV/deeltje]
1020
1 kg
15
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 1G
GeV
B
1
Magnetisch veld zon
(~10 G)
16
Kosmische versnellers
“CERN in the sky”
17
Fermi schokgolf versneller
snelheid: V
20000 km / s
SN1993J – M81
tijd
radio beelden April 1993–Juni 1998
18
Fermi schokgolf versneller (II)
Simpel model
V
interstellaire
materie
E   E
versnelling
overlevings kans
k stappen
geladen
deeltje
P  
E  E0 (1   )k
N  N0 (  )k
19
Fermi schokgolf versneller (III)
ln( N N 0 )
ln(  )

ln( E E0 )
ln(1 )
ln(  )
 ln(1 )
N   E
E 
N0
 0
dN 
dE
ln(  )
1
ln(1


)
E
Thermodynamica
 E 2
Relativiteitsleer
gemeten spectrum
20
Welke geladen deeltjes?
elektronen
Synchrotron
straling
inverse
Compton
verstrooiing
e
protonen
p
N
p
p
e


muonen
neutrino’s
astronomie
kosmische straling
21
Astronomie
22
constante van Planck
golflengte:
snelheid van het licht
hc

E
Energie van ‘deeltje’
23
Krab nevel
1’
radio
1’
1’
1’
10-8 eV optisch
10 eV Röntgen
104 eV licht deeltjes
breedbandig spectrum
1012 eV
24
Astro-deeltjes fysica
leptons
krachtdragers
quarks
kosmische stralen
(bestaan uit combinaties van
u en d quarks)
traditionele
astronomie
generaties
neutrino astronomie
25
Zonne energie
4 p  2e  4 He 
Licht oprbrengst
Neutrinos
L  3.92 1026 W
N  2
e
L
1.6 1013  25 MeV
1.8 1038 s 1
26
Homestake goud mijn (USA)
‘omgekeerd verval’
 e  37Cl  37 Ar  e
130 ton Chloor
E  0.814 MeV
e
27
detectie principe
extractie van
Ar atomen
(~15 / maand!)
28
Neutrino’s uit de zon
SNU = 10-36 s-1 / Atom
verwacht
1
2
gezien
~30 jaar!
29
Super Kamiokande (Japan)
nucleon
decay
experiment
 ~50 kton puur water
 12,000 PMTs
30
Geen proton verval gezien
Maar Kamiokande is ook een
neutrino detector…
31
detectie principe
Energie en impuls behoud:
gedetecteerd
e'
e
e
e
atomair elektron
e '
2sin
2 e
me c 2
Ee '

(1 
)
2
Ee '
E e
me c 2

Ee '
e  30o
neutrino telescoop
32
e'
Zon
zon
e
Aarde
aantal [(dag kton bin)-1]
atomair elektron
Neutrino’s wijzen
naar de zon
N gemeten
N verwacht
 0.5  0.1
cos zon
33
we zien ½ neutrino’s uit de zon
neutrino
¶ B.
Pontecorvo, 1957
¶
oscillaties
34
Energie drempel
e 
Z
Z 1

A

A

e
N
N
 100
E
e
MeV
 1/ 2
E
e
m c 2
m c 2
105.7 MeV
me c2
0.511 MeV
 = ‘steriel’
35
Mengen van neutrino toestanden
zwakke
toestanden
massa
toestanden
e 
 
  
 
  
 1 
 
 U   2 
 
 3
3 x 3 matrix
(unitair)
36
Mengen van 2 toestanden
 1   cos 
   
 2    sin 
reizen
door de ruimte
sin     e 
   
cos     
‘rotatie’
creatie
37
Reizen van neutrino’s door de ruimte
cos
amplitude
2
1
 sin 
e
relatieve amplitudes veranderen met tijd of afstand
38
Neutrino oscillaties (II)
P( e   e )   e ( x)  e ( x)
2
 ( m 2  m 2 )c 4
2
1
2
2
1  sin 2 sin

4 Ehc

amplitude
2

x


p


39
golflengte:
Heisenberg:
Lorentz boost:

hc
m2  m 1 c 2
E
 '  
m
E
hc
m2  m1 2 m  m c 2
2
1
c
2
4p E hc
(m22  m 21 )c 4
40
Sudbury Neutrino Observatory
1 kton zwaar water (D2O)
9600 PMTs
41
Neutrino reacties
 e  e  e  e
x  D  x  p  n
 e  D  e  p  p
42
Resultaten
andere
neutrino’s
behouden
neutrino flux
geen
oscillaties
43
KamLAND
55 kernreactoren met totaal vermogen 70 GW (~7% v/d wereldproductie)
Neutrino’s worden geproduceerd op 130–220 km afstand van de detector
44
KamLAND (II)
KamLAND meting
Neutrino oscillaties
CHOOZ meting
P(e
e)
geen
oscillaties
ideaal geval
L/E [km/MeV]
45
23 Februari 1987
Tijd correlatie
 99% energie is neutrino’s
 1% energie is licht
Supernova
160,000 jaar
Aarde
46
Neutrino astronomie
47
Astro-deeltjes
p, He, ..
?!
Kosmische
stralen


–
–
–
–
Supernova Remnants
Active Galactic Nuclei
Gamma-Ray Bursts
...
neutrino’s
Gamma
stralen
48
Astro-deeltjes
e + 
e + 
p + p
p+, p‒, p0
p±
±, ,e
p0

Electro-Magnetisch
Hadronisch
p
?
deeltjes identificatie!


49
Hoe?
1960 Markov’s idee:
Zeewater als interactie en detectie medium
 Lengte muon spoor
 Detectie Cherenkov licht
 Water is transparant
50
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
51
Neutrino richting
1.5
E  TeV 
neutrino
muon
strooihoek [graden]
s 
101
102
103
104
105
neutrino energie [GeV]
Neutrino telescoop!
52
werkzame doorsnede [cm2]
Werkzame doorsnede
Vrije weglengte:
10-33
1
(E) 
 N A
10-34
108 km
10-35
10-36
102
E  103 GeV
103
104
105
106
107
neutrino energie [GeV]
“Size matters”
53
Werkzame doorsnede (II)
Atoom
1 fm
1 fm 100,000 x 
54
Architectuur
meetgegevens
analyse
neutrino detector
machine kamer
data
transmissie
start
data
filter
stop
besturing 55
Antares
prototype neutrino telescoop
56
Antares




200 personen
6 landen
40 km uit de kust bij Toulon, Frankrijk
gereed 2008
12 lijnen
2.5 km
500 m
250 Atm.
200x200 m2
25 verdiepingen / lijn 57
12 x 25 = 300 bouwstenen
Optisch baken
tijd calibratie
10” PMT
licht detectie
Electronica
uitlezing
Hydrophoon
acoustische positie meting
~1 m
titanium frame
mechanisch drager
58
“All-data-to-shore” concept
tijd
positie
1 GB/s
2 s
100 ms
data filter
1 MB/s
offline reconstructie
astronomie
bepaling van het muon spoor
59
aantal gebeurtenissen
Neutrino detectie
Antares
Atm. muons
Atm. neutrino’s
Atm. totaal
~3000 neutrinos!
D = 2.5 km
muon

d( )
cos()
Aarde
60
Neutrino “sky map”
Nog geen puntbronnen gevonden…
61
Aard & Zee onderzoek
kortstondige gebeurtenissen
domineren leven in diepzee
Frankrijk
permanent observatorium
Temperatuur
Bioluminescentie
plotselinge
Eddie stromen
voedingsbodem
observatorium
tijdprofiel
62
KM3NeT
KM3 Neutrino Telescoop
63
Ontwerp
Lanceer apparaat
Optisch moduul
~ 600 m
‒ snelle verankering
‒ uitrollen autonoom
‒ recyclebaar
‒
‒
‒
‒
‒
‒
31 x 3” PMTs
HV
LED & piëzo
FPGA uitlezing
White Rabbit
DWDM
64
plug
3D print
riem
koelblok
“paddenstoel”
bolder
PCB met FPGA
HV
PMT
glazen bol
spiegel
65
Prototype (I)
April 2013
Toulon, France
66
Atmosferische muonen
K40
toevallige coïncidenties
+ data
50
Telsnelheid [a.u.]
Telsnelheid [Hz]
Prototype (I)
40
Atmosferische muonen
+ data (M ≥ 7)
schaduw
30
20
10
0
Multipliciteit
PMT oriëntatie [graden]
67
Neutrino astronomie
Hoek resolutie
RXJ
1713
Vela
X
kans
oppervlak [m2]
Effectief oppervlak
muon
neutrino
E [GeV]
Hoek [graden]
‒ Terugvinden van kosmische stralen
3
‒ KM3NeT kan ontdekking doen binnen 5 jaar
68
aantal (988 dagen)
Nieuws
Energie [TeV]
69
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)!
70
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
71