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 cząstek.
Oscylacje neutrin.
Ostatni kąt 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 cząstek fizyki cząstek fizyki cząstek fizyki cząstek
Neutrino w Modelu Standardowym jest cząstką elementarną o następujących własnościach: "' Jest bezmasowe "' Występuje w trzech zapachach (elektronowe: �e, mionowe: �ź, taonowe: ��) "' Spin � "' 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 cząstka = antycząstka) 3 Oscylacje neutrin Oscylacje neutrin Oscylacje neutrin Oscylacje neutrin
Neutrina oscylują, czyli zmieniają swój zapach. �ź �e yródło neutrin Detektor Oscylacje �ź �ź o energii E (neutrina �ź �� (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) �e �1 Stany Stany zapachowe �ź =U PMNS �2 masowe [ ] [ ] �� �3
Prawdopodobieństwo oscylacji P(�ą ��) 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 = �" �" 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 kąty mieszania �ij i dwie różnice kwadratów mas neutrin "m2 są różne od zera! ij Neutrina mają masę Zdaniem wielu (małą < eV teoretyków fizyka Neutrina ale niezerową! poza Modelem oscylują "mij2~10-3 -�10-5 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: "' Kąt 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 = �" �" 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 Kąt mieszania �13 oraz �CP Kąt mieszania �13 oraz �CP Kąt mieszania �13 oraz �CP Kąt mieszania �13 oraz �CP
Można zmierzyć �CP tylko jeśli kąt mieszania �13 jest niezerowy. Najlepiej aby był duży!
Jak wyznaczyć kąt �13? "' Pomiar ile neutrin elektronowych pojawiło się w akceleratorowej wiązce neutrin mionowych �e �e �� �ź �� �ź + człony zależne od �CP L P(�ź �e)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): �ź �ź L + człony słabo zależne �� �e �� �e P(�e�e)H"1-sin22�13 sin2(1.27"m2 ) 31 od hierarchii mas neutrin E 7 Krótka historia kąta mieszania �13 Krótka historia kąta mieszania �13 Krótka historia kąta mieszania �13 Krótka historia kąta mieszania �13 Marzec 2011 J-PARC zaraz po trzęsieniu ziemi Tohoku "' Czerwiec 2011: Pierwsze wyniki T2K (dane sprzed trzęsienia ziemi Tohoku). Kąt �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'�0.010(stat)'�0.005(syst.) "' Lipiec 2013: Ulepszona analiza w T2K (28 zarejestrowanych neutrin elektronowych). Kąt �13 różny od zera na poziomie 7.3 odchyleń standardowych 8 "' Sierpień 2013: Daya Bay i najdokładniejszy pomiar �13 : sin22�13 = 0.089'�0.009 Eksperyment T2K Eksperyment T2K Eksperyment T2K Eksperyment T2K Ośrodek akceleratorowy
11 krajów, J-PARC Tutaj produkuje
59 instutucji (w się neutrina mionowe tym IFJ PAN)
~500 ludzi Detektor bliski Detektor daleki Tutaj mierzy się (Super-Kamiokande) parametry neutrin Tutaj ,,wyłapuje się neutrina, zanim zaszły które przeoscylowały. oscylacje. Wiązka neutrin z akceleratora Wiązka neutrin z akceleratora Wiązka neutrin z akceleratora Wiązka 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 tyś. fotopowielaczy rejestruje promieniowanie Czerenkowa wysyłane przez cząstki naładowane powstające w oddziaływaniach neutrin. Mion Mion (neutrino (neutrino mionowe) mionowe) Wewnątrz Super Kamiokande Wewnątrz Super Kamiokande 11 Polacy w T2K Polacy w T2K Polacy w T2K Polacy w T2K
Uniwersytet Warszawski, Narodowe Centrum Badań Jądrowych, Politechnika Warszawska
Uniwersytet Wrocławski
Uniwersytet Śląski
Instytut Fizyki Jądrowej 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 jądrowych w procesach rozszczepienia (rozpady � 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 � 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 Wykorzystując ostatnie wyniki z eksperymentu T2K (28 neutrin elektronowych w wiązce neutrin mionowych) oraz wartość kąta �13 zmierzoną przez eksperymenty reaktorowe.
T2K wyklucza na poziomie ufności 90% wartości �CP : Hierarchia normalna ( 0.35 Ą ,0 .63 Ą ) (-Ą ,-0.97 Ą )*"(-0.04 Ą , Ą ) Hierarchia odwrócona
Preferowana wartość �CP to -Ą/2 + człony zależne od �CP L P(�ź �e)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 ciągu najbliższych 10 lat powinno wykluczyć 50% wartości �CP z połowy przedziału wartości �CP gdy hierarchia mas nie będzie znana.
Jeśli uda się wcześniej zmierzyć hierarchię mas neutrin będziemy w stanie wykluczyć 50% wartości �CP z całego jej przedziału wartości
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% wartości �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 wiązki neutrin wiązki neutrin wiązki neutrin wiązki neutrin
Hyper-Kamiokande (Japonia) LBNE (USA) "' "' Naturalne rozszerzenie eksperymentu Flagowy projekt z fizyki cząstek w T2K Stanach Zjednoczonych. "' "' Bardzo intensywną wiązką 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 dokładnością do 18 "' Wyznaczenie �CP z dokładnością do 20 stopni ale dokładność zależy od tego, stopni (do 10 stopni po podniesieniu czy znamy hierarchię mas neutrin. mocy wiązki). 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 satelitę Planck satelitę Planck �= nł
Dwa niezależne oszacowania parametru �: "' Zawartości lekkich pierwiastków we wszechświecie: � = (5.1 6.5) x 10 -10 "' Anizotropie kosmicznego promieniowania tła: � = (6.04 '� 0.08) x 10 -10 (Planck)
Wszechświat po Wielkim Wybuchu składał się z równych ilości materii i antymaterii. "' W symetrycznym Wszechświecie: � = 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 ładunkowo- przestrzennej (CP) "' Brak równowagi termodynamicznej
Co z łamaniem 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 Lą H Ni Lą 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 m�=-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 materią i antymaterią 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 wartości �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 są eksperymenty, w których zasięgu jest wyznaczenie �CP z dużą dokładnością i ostateczne sprawdzenie czy symetria CP jest łamana 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 � sprawdzenie, czy neutrina są cząstkami Majorany i łamanie CP poprzez fazy Majorany, ' Sprawdzenie hierarchii mas neutrin, ' Pomiary ,,kosmologiczne : suma mas neutrin, neutrina kosmiczne. 22