Czy neutrina mogą nam coś powiedzieć na temat asymetrii między materią i antymaterią we Wszechświecie


Czy neutrina
Czy neutrina
Czy neutrina
Czy neutrina
mogą nam coś powiedzieć
mogą nam coś powiedzieć
mogą nam coś powiedzieć
mogą nam coś powiedzieć
na temat asymetrii
na temat asymetrii
na temat asymetrii
na temat asymetrii
między materią i antymaterią
między materią i antymaterią
między materią i antymaterią
między materią i antymaterią
we Wszechświecie?
we Wszechświecie?
we Wszechświecie?
we Wszechświecie?
Tomasz Wąchała
Zakład Neutrin i Ciemnej Materii (NZ16)
Seminarium IFJ PAN, Kraków, 05.12.2013
Plan
Plan
Plan
Plan

Neutrina w Modelu Standardowym fizyki czÄ…stek.

Oscylacje neutrin.

Ostatni kÄ…t mieszania neutrin a symetria CP.

Eksperymenty T2K i Daya Bay.

Przyszłe pomiary dotyczące symetrii CP w oscylacjach
neutrin.

Asymetria między materią i antymaterią we
wszechświecie.

Bariogeneza, leptogeneza i symetria CP.

,,Ciężkie neutrina.
2
Neutrina w Modelu Standardowym
Neutrina w Modelu Standardowym
Neutrina w Modelu Standardowym
Neutrina w Modelu Standardowym
fizyki czÄ…stek
fizyki czÄ…stek
fizyki czÄ…stek
fizyki czÄ…stek

Neutrino w Modelu Standardowym
jest czÄ…stkÄ… elementarnÄ… o
następujących własnościach:
"'
Jest bezmasowe
"'
Występuje w trzech zapachach
(elektronowe: ½e, mionowe: ½ź,
taonowe: ½Ä)
"'
Spin ½
"'
Jest obojętne elektrycznie (ładunek
zerowy)
"'
Oddziałuje wyłącznie słabo
"'
Obserwowane są tylko lewoskrętne
neutrina (skrętność = rzut spinu na
kierunek pędu)
"'
Może być cząstką Majorany (w teorii
Majorany czÄ…stka = antyczÄ…stka)
3
Oscylacje neutrin
Oscylacje neutrin
Oscylacje neutrin
Oscylacje neutrin

Neutrina oscylują, czyli zmieniają swój zapach.
½ź
½e
yródło neutrin
Detektor
Oscylacje
½ź ½ź
o energii E
(neutrina
½ź ½Ä
(tylko neutrina
trzech zapachów)
mionowe)
L

Neutrina są produkowane i rejestrowane poprzez oddziaływania
słabe ale propagują się w przestrzeni jako kombinacje liniowe
stanów masowych (stany masowe `" stany zapachowe)
½e ½1 Stany
Stany
zapachowe ½ź =U PMNS ½2 masowe
[ ]
[ ]
½Ä ½3

PrawdopodobieÅ„stwo oscylacji P(½Ä… ½²) zależy od elementów macierzy
mieszania UPMNS oraz od sin2("mij2 L/E), gdzie "mij2 = mi2-mj2
4
Oscylacje neutrin  stan wiedzy
Oscylacje neutrin  stan wiedzy
Oscylacje neutrin  stan wiedzy
Oscylacje neutrin  stan wiedzy
eksperymentalnej
eksperymentalnej
eksperymentalnej
eksperymentalnej
c13 0 s13 e-i ´CP c12 s12 0
0 0
Parametryzacja 1
cij=cos¸ij
macierzy
U = Å" Å"
c23 s23
0 0 1 s12 c120
PMNS
0
mieszania sij=sin ¸ij
( )
( )( )
0-s23 c23 -s13e-i ´CP 0 c13 0 0
1
neutrin

Szereg eksperymentów w ciągu ostatnich 15 lat
potwierdziło istnienie zjawiska oscylacji neutrin

Wartości parametrów oscylacji neutrin takich jak
trzy kÄ…ty mieszania ¸ij i dwie różnice kwadratów
mas neutrin "m2 są różne od zera!
ij
Neutrina majÄ… masÄ™
Zdaniem wielu
(małą < eV
teoretyków fizyka
Neutrina
ale niezerowÄ…!
poza Modelem
oscylujÄ…
"mij2~10-3 -á10-5 eV2)
Standardowym!
5
Czego jeszcze nie wiemy i co
Czego jeszcze nie wiemy i co
Czego jeszcze nie wiemy i co
Czego jeszcze nie wiemy i co
możemy zmierzyć?
możemy zmierzyć?
możemy zmierzyć?
możemy zmierzyć?
Hierarchia mas neutrin

Co możemy zmierzyć poprzez oscylacje
neutrin:
"'
KÄ…t mieszania ¸23 < 45  czy ¸23 > 45 ?
"'
Jaka hierarchia mas neutrin (znak "m2 )?
23
"'
Jaka wartość fazy ´CP ?
Normalna? Odwrócona?
c13 0 s13 e-i ´CP c12 s12 0
0 0
1
U = Å" Å"
c23 s23
0 0 1 s12 c120
PMNS
0
( )
( )( )
0 1
-s23 c23
-s13e-i ´CP 0 c13 0 0
Faza Diraca ´CP = ?
elektron pozyton
Aamanie lub zachowanie
symetrii CP w oscylacjach neutrin
6
KÄ…t mieszania ¸13 oraz ´CP
KÄ…t mieszania ¸13 oraz ´CP
KÄ…t mieszania ¸13 oraz ´CP
KÄ…t mieszania ¸13 oraz ´CP

Można zmierzyć ´CP tylko jeÅ›li kÄ…t mieszania ¸13 jest
niezerowy. Najlepiej aby był duży!

Jak wyznaczyć kÄ…t ¸13?
"'
Pomiar ile neutrin elektronowych pojawiło się
w akceleratorowej wiÄ…zce neutrin
mionowych ½e
½e
½Ä ½ź
½Ä ½ź
+ czÅ‚ony zależne od ´CP
L
P(½ź ½e)H"sin22¸13sin2¸23sin2(1.27 "m2 )
23 + człony mocno zależne
E
od hierarchii mas neutrin
"'
Pomiar ile neutrin elektronowych z reaktora zanikło
(,,przeoscylowało w neutrina innego zapachu):
½ź
½ź
L
+ człony słabo zależne
½Ä
½e ½Ä
½e
P(½e½e)H"1-sin22¸13 sin2(1.27"m2 )
31
od hierarchii mas neutrin
E
7
Krótka historia kÄ…ta mieszania ¸13
Krótka historia kÄ…ta mieszania ¸13
Krótka historia kÄ…ta mieszania ¸13
Krótka historia kÄ…ta mieszania ¸13
Marzec 2011
J-PARC zaraz po
trzęsieniu ziemi Tohoku
"'
Czerwiec 2011: Pierwsze wyniki T2K (dane sprzed trzÄ™sienia ziemi Tohoku). KÄ…t ¸13 rózny
od zera na poziomie 2.5 odchylenia standardowego (Top Cite: 694 cytowań w Inspire),
"'
Marzec 2012: Eksperyment Daya Bay: sin22¸13 = 0.089'á0.010(stat)'á0.005(syst.)
"'
Lipiec 2013: Ulepszona analiza w T2K (28 zarejestrowanych neutrin elektronowych). KÄ…t
¸13 różny od zera na poziomie 7.3 odchyleÅ„ standardowych
8
"'
SierpieÅ„ 2013: Daya Bay i najdokÅ‚adniejszy pomiar ¸13 : sin22¸13 = 0.089'á0.009
Eksperyment T2K
Eksperyment T2K
Eksperyment T2K
Eksperyment T2K
Ośrodek akceleratorowy

11 krajów,
J-PARC
Tutaj produkuje

59 instutucji (w
siÄ™ neutrina mionowe
tym IFJ PAN)

~500 ludzi
Detektor bliski
Detektor daleki
Tutaj mierzy siÄ™
(Super-Kamiokande)
parametry neutrin
Tutaj ,,wyłapuje się neutrina,
zanim zaszły
które przeoscylowały.
oscylacje.
WiÄ…zka neutrin z akceleratora
WiÄ…zka neutrin z akceleratora
WiÄ…zka neutrin z akceleratora
WiÄ…zka neutrin z akceleratora
i detektor bliski
i detektor bliski
i detektor bliski
i detektor bliski
Tunel rozpadu
Detektor bliski
Protony
Do
detektora
Tarcza
piony
dalekiego
Detektor (monitor)
miony
(akcelerator)
mionowy
neutrina
Oddziaływanie neutrina w det. bliskim
Oddziaływanie neutrina w det. bliskim

Po co nam detektor bliski? Urządzenie do pomiaru parametrów wiązki neutrin
mionowych (widmo energetyczne) zanim zaszły oscylacje.
10
Największy garnek z wodą?
Największy garnek z wodą?
Największy garnek z wodą?
Największy garnek z wodą?
Elektron
Elektron

(neutrino
(neutrino
Detektor Super-Kamiokande, to obecnie największy
elektronowe)
elektronowe)
detektor neutrin na świecie:
"'
Zbiornik w kształcie walca o średnicy i
wysokości 40m,
"'
Umiejscowiony w kopalni Kamioka 1km pod
ziemią (aby uwolnić się od tła od promieni
kosmicznych),
"'
Zawiera 50 tysięcy ton bardzo czystej wody

11 tyÅ›. fotopowielaczy rejestruje promieniowanie
Czerenkowa wysyłane przez cząstki naładowane
powstające w oddziaływaniach neutrin.
Mion
Mion
(neutrino
(neutrino
mionowe)
mionowe)
WewnÄ…trz Super Kamiokande
WewnÄ…trz Super Kamiokande
11
Polacy w T2K
Polacy w T2K
Polacy w T2K
Polacy w T2K

Uniwersytet Warszawski, Narodowe Centrum Badań
JÄ…drowych, Politechnika Warszawska

Uniwersytet Wrocławski

Uniwersytet ÅšlÄ…ski

Instytut Fizyki JÄ…drowej PAN:
"'
Projekt i budowa system montażu detektora mionowego.
Montaż detektora mionowego.
"'
Rozwój oprogramowania (przewodnictwo grupie rekonstrukcji
Montaż elementów
Montaż elementów
zdarzeń w detektorze bliskim).
detektora bliskiego
detektora bliskiego
"'
Analiza danych  pomiary przekrojów czynnych w detektorze
bliskim (3 różne analizy w naszym zakładzie)
12
Neutrina z reaktorów -
Neutrina z reaktorów -
Neutrina z reaktorów -
Neutrina z reaktorów -
eksperyment Daya Bay
eksperyment Daya Bay
eksperyment Daya Bay
eksperyment Daya Bay
Chiny
Chiny

Neutrina produkowane są również
w reaktorach jÄ…drowych w procesach
rozszczepienia (rozpady ² neutronów)

W eksperymencie Daya Bay (Chiny) dwa detektory bliskie i
jeden daleki rejestrują neutrina z dwóch elektrowni: Daya
Bay i Ling Ao.

Wykorzystanie znanej od dawna techniki pomiaru opartej o tzw.
odwrotny rozpad ² oraz wychwyt neutronu.

Detektory, to zbiorniki wypełnione ciekłym scyntylatorem
dopowanym Gadolinem z fotopowielaczami na ściankach,
które rejestrują fotony.
13
T2K dostarcza pierwszych
T2K dostarcza pierwszych
T2K dostarcza pierwszych
T2K dostarcza pierwszych
wskazówek na temat ´CP
wskazówek na temat ´CP
wskazówek na temat ´CP
wskazówek na temat ´CP
19 listopad 2013
WykorzystujÄ…c ostatnie wyniki z eksperymentu T2K
(28 neutrin elektronowych w wiÄ…zce neutrin
mionowych) oraz wartość kÄ…ta ¸13 zmierzonÄ… przez
eksperymenty reaktorowe.

T2K wyklucza na poziomie ufnoÅ›ci 90% wartoÅ›ci ´CP :
Hierarchia normalna
( 0.35 Ä„ ,0 .63 Ä„ )
(-Ä„ ,-0.97 Ä„ )*"(-0.04 Ä„ , Ä„ )
Hierarchia odwrócona

Preferowana wartość ´CP to -Ä„/2
+ czÅ‚ony zależne od ´CP
L
P(½ź ½e)H"sin22¸13sin2¸23sin2(1.27 "m2 )
+ człony mocno zależne
23
E
od hierarchii mas neutrin
14
Perspektywa najbliższych 10 lat w
Perspektywa najbliższych 10 lat w
Perspektywa najbliższych 10 lat w
Perspektywa najbliższych 10 lat w
pomiarach ´CP
pomiarach ´CP
pomiarach ´CP
pomiarach ´CP

T2K w ciÄ…gu najbliższych 10 lat powinno wykluczyć 50% wartoÅ›ci ´CP z
poÅ‚owy przedziaÅ‚u wartoÅ›ci ´CP gdy hierarchia mas nie bÄ™dzie znana.

Jeśli uda się wcześniej zmierzyć hierarchię mas neutrin będziemy w stanie
wykluczyć 50% wartoÅ›ci ´CP z caÅ‚ego jej przedziaÅ‚u wartoÅ›ci

Eksperyment NOvA (USA):
"'
Wiązka neutrin mionowych z akceleratorowego ośrodka Fermilab
"'
Daleki detektor w odległości 735 km od
Fermilabu w kopalni Soudan

Połączenie wyników eksperymentów
T2K i NOvA powinno pozwolić na
wykluczenie 60% wartoÅ›ci ´CP z
pełnego jej przedziału wartości.
Eksperyment NOvA
Eksperyment NOvA
15
Precyzyjne pomiary ´CP - ,,super
Precyzyjne pomiary ´CP - ,,super
Precyzyjne pomiary ´CP - ,,super
Precyzyjne pomiary ´CP - ,,super
wiÄ…zki neutrin
wiÄ…zki neutrin
wiÄ…zki neutrin
wiÄ…zki neutrin

Hyper-Kamiokande (Japonia)
LBNE (USA)
"'
"'
Naturalne rozszerzenie eksperymentu
Flagowy projekt z fizyki czÄ…stek w
T2K
Stanach Zjednoczonych.
"'
"' Bardzo intensywnÄ… wiÄ…zkÄ… neutrin (1.7
Wiązka neutrin z ośrodka Fermilab
MW) z ośrodka J-PARC
(Chicago)
"'
Większym dalekim detektorem (wodny
"'
Detektor z 10 tyś. ton ciekłego argonu
detektor Czerenkowa o masie miliona
w stanie Południowa Dakota
ton!) w odległości 300 km od J-PARC.
oddalonego o 1300 km od Fermilabu.
"'
Wyznaczenie ´CP z dokÅ‚adnoÅ›ciÄ… do 18
"'
Wyznaczenie ´CP z dokÅ‚adnoÅ›ciÄ… do 20
stopni ale dokładność zależy od tego,
stopni (do 10 stopni po podniesieniu
czy znamy hierarchiÄ™ mas neutrin.
mocy wiÄ…zki).
16
Asymetria między materią i
Asymetria między materią i
Asymetria między materią i
Asymetria między materią i
antymaterią we Wszechświecie
antymaterią we Wszechświecie
antymaterią we Wszechświecie
antymaterią we Wszechświecie

Wszechświat zbudowany w większości z cząstek materii (protony, neutrony etc.) a
nie antymaterii (anty-protony, anty-neutrony, etc.).

Opis asymetrii materia i antymateria poprzez stosunek liczby barionów do liczby
fotonów:
nB
Mikrofalowe promieniowanie tła widziane przez
Mikrofalowe promieniowanie tła widziane przez
satelitÄ™ Planck
satelitÄ™ Planck
·=
nł

Dwa niezależne oszacowania parametru ·:
"'
Zawartości lekkich pierwiastków
we wszechÅ›wiecie: · = (5.1  6.5) x 10 -10
"'
Anizotropie kosmicznego promieniowania tła:
· = (6.04 'á 0.08) x 10 -10 (Planck)

Wszechświat po Wielkim Wybuchu
składał się z równych ilości materii i antymaterii.
"'
W symetrycznym WszechÅ›wiecie: · = 5 x 10 -19
17
Bariogeneza i symetria CP
Bariogeneza i symetria CP
Bariogeneza i symetria CP
Bariogeneza i symetria CP

Jak w dynamiczny sposób z symetrycznego Wszechświata
rozwinęła się asymetria między liczbą barionów i anty-
barionów? model bariogenezy

Warunki niezbędne do zajścia
bariogenezy (1967r. Sacharow):
"'
Aamanie liczby barionowej (B)
"'
Aamanie symetrii Å‚adunkowo-
przestrzennej (CP)
"'
Brak równowagi termodynamicznej

Co z Å‚amaniem CP w rozpadach
mezonów K i B?
M. C. Escher
M. C. Escher
"'
Obliczenia pokazują, że jest ono o wiele
rzędów wielkości za małe zjawisko
(~10-20) aby wyjaśnić zmierzoną wartość
asymetrii.
18
Leptogeneza
Leptogeneza
Leptogeneza
Leptogeneza

Procesy mogące prowadzić do łamania symetrii CP a w
rezultacie także do łamania liczby barionowej to rozpady
ciężkich cząstek sprzęgających się do neutrin np.
*

Ni LÄ… H
Ni LÄ… H

Gdzie kwantowe poprawki wyższego rzędu sprawiają, że
częstości rozpadu na lepton i anty-lepton są różne:
*

“ (Ni LH )`"“( Ni L H )

Jest to tzw. model leptogenezy, który w rezultacie
prowadzi do bariogenezy i może wyjaśniać asymetrię
między materią i antymaterią.
19
,,Ciężkie neutrina
,,Ciężkie neutrina
,,Ciężkie neutrina
,,Ciężkie neutrina
Lekkie neutrino
Lekkie neutrino
(które obserwujemy)
(które obserwujemy)
Mechanizm huśtawki (Minkowski,
Gell-Mann,...) tłumaczy dlaczego
masy lekkich neutrin są takie małe
w porównaniu z kwarkami i innymi
leptonami.
Ciężkie neutrino
Ciężkie neutrino
"'
1
Wiąże on lekkie neutrina ze swoimi
m½=-mD mT
D
M
ciężkimi odpowiednikami (,,ciężkimi
neutrinami ).
M<"mGUT (<"1014 GeV )
20
,,Ciężkie neutrina
,,Ciężkie neutrina
,,Ciężkie neutrina
,,Ciężkie neutrina

Model leptogenezy postuluje łamanie symetrii CP w rozpadach ciężkich
cząstek sprzęgających się do neutrin (,,lekkich neutrin).

Mechanizm huśtawki dostarcza nam tychże ciężkich cząstek  ciężkich
neutrin.

Odkrycie łamania symetrii CP w oscylacjach lekkich neutrin ważny
argument na korzyść modelu leptogenezy z uwagi na ich związek poprzez
mechanizm huśtawki z ciężkimi neutrinami.

Ponadto istnienie ciężkich neutrin to:
"'
,,Proste rozszerzenie Modelu Standardowego.
"'
Ciężkie neutrina  kandydaci na ciemną materię?
"'
Jeśli mechanizm huśtawki jest prawdziwy, to jesteśmy w stanie badać obiekty w
skali GUT poprzez badania lekkich neutrin o masach mniejszych niż elektronowolt!
Aamanie symetrii CP
Asymetria między
Leptogeneza i bariogeneza
dla ,,lekkich neutrin
materiÄ… i antymateriÄ…
21
Podsumowanie
Podsumowanie
Podsumowanie
Podsumowanie

Ostatnie lata, to bardzo ciekawy okres dla fizyki neutrin:
"'
Dzięki pomiarom w eksperymencie T2K oraz w eksperymentach reaktorowych poznaliśmy wartość
ostatniego z kątów mieszania neutrin i wiemy, że jest on niezerowy.
"'
,,Otwarła się furtka do pomiaru fazy odpowiedzialnej za łamanie lub zachowanie symetrii CP w
sektorze neutrin.
"'
W tym roku eksperyment T2K dostarczył pierwszych wskazówek eksperymentalnych na temat
wartoÅ›ci ´CP.

Najbliższe lata w tej dziedzinie badań także zapowiadają się bardzo obiecująco:
"'
Eksperymenty T2K (IFJ PAN) oraz NOvA będą w stanie dostarczyć dalszych informacji na temat
symetrii CP w ciągu najbliższych 10 lat.
"'
W planach sÄ… eksperymenty, w których zasiÄ™gu jest wyznaczenie ´CP z dużą dokÅ‚adnoÅ›ciÄ… i
ostateczne sprawdzenie czy symetria CP jest Å‚amana w sektorze neutrin.
"'
Z pewnością neutrina będą mogły dostarczyć wskazówek na temat asymetrii między materią i
antymaterią we Wszechświecie.

Szereg innych bardzo ciekawych eksperymentów z fizyki neutrin:
'
Poszukiwanie podwójnego bezneutrinowego rozpadu ² sprawdzenie, czy neutrina sÄ… czÄ…stkami Majorany i
Å‚amanie CP poprzez fazy Majorany,
'
Sprawdzenie hierarchii mas neutrin,
'
Pomiary ,,kosmologiczne : suma mas neutrin, neutrina kosmiczne.
22


Wyszukiwarka