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 cząstek fizyki cząstek fizyki cząstek fizyki cząstek
Neutrino w Modelu Standardowym jest czÄ…stkÄ… elementarnÄ… o nastÄ™pujÄ…cych wÅ‚asnoÅ›ciach: "' Jest bezmasowe "' WystÄ™puje w trzech zapachach (elektronowe: ½e, mionowe: ½Åº, taonowe: ½Ä) "' Spin ½ "' Jest obojÄ™tne elektrycznie (Å‚adunek zerowy) "' OddziaÅ‚uje wyÅ‚Ä…cznie sÅ‚abo "' Obserwowane sÄ… tylko lewoskrÄ™tne neutrina (skrÄ™tność = rzut spinu na kierunek pÄ™du) "' Może być czÄ…stkÄ… Majorany (w teorii Majorany czÄ…stka = antyczÄ…stka) 3 Oscylacje neutrin Oscylacje neutrin Oscylacje neutrin Oscylacje neutrin
Neutrina oscylujÄ…, czyli zmieniajÄ… swój zapach. ½Åº ½e yródÅ‚o neutrin Detektor Oscylacje ½Åº ½Åº o energii E (neutrina ½Åº ½Ä (tylko neutrina trzech zapachów) mionowe) L
Neutrina sÄ… produkowane i rejestrowane poprzez oddziaÅ‚ywania sÅ‚abe ale propagujÄ… siÄ™ w przestrzeni jako kombinacje liniowe stanów masowych (stany masowe `" stany zapachowe) ½e ½1 Stany Stany zapachowe ½Åº =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
WartoÅ›ci parametrów oscylacji neutrin takich jak trzy kÄ…ty mieszania ¸ij i dwie różnice kwadratów mas neutrin "m2 sÄ… różne od zera! ij Neutrina majÄ… masÄ™ Zdaniem wielu (maÅ‚Ä… < 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 byÅ‚ duży!
Jak wyznaczyć kÄ…t ¸13? "' Pomiar ile neutrin elektronowych pojawiÅ‚o siÄ™ w akceleratorowej wiÄ…zce neutrin mionowych ½e ½e ½Ä ½Åº ½Ä ½Åº + czÅ‚ony zależne od ´CP L P(½Åº ½e)H"sin22¸13sin2¸23sin2(1.27 "m2 ) 23 + czÅ‚ony mocno zależne E od hierarchii mas neutrin "' Pomiar ile neutrin elektronowych z reaktora zanikÅ‚o (,,przeoscylowaÅ‚o w neutrina innego zapachu): ½Åº ½Åº L + czÅ‚ony sÅ‚abo 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 trzÄ™sieniu 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 cytowaÅ„ 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 OÅ›rodek akceleratorowy
11 krajów, J-PARC Tutaj produkuje
59 instutucji (w siÄ™ 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 ÅšlÄ…ski
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 sÄ… 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 wypeÅ‚nione ciekÅ‚ym scyntylatorem dopowanym Gadolinem z fotopowielaczami na Å›ciankach, które rejestrujÄ… 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.
Preferowana wartość ´CP to -Ä„/2 + czÅ‚ony zależne od ´CP L P(½Åº ½e)H"sin22¸13sin2¸23sin2(1.27 "m2 ) + czÅ‚ony 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.
JeÅ›li uda siÄ™ wczeÅ›niej zmierzyć hierarchiÄ™ mas neutrin bÄ™dziemy 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
PoÅ‚Ä…czenie wyników eksperymentów T2K i NOvA powinno pozwolić na wykluczenie 60% wartoÅ›ci ´CP z peÅ‚nego jej przedziaÅ‚u wartoÅ›ci. 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 WiÄ…zka neutrin z oÅ›rodka Fermilab MW) z oÅ›rodka J-PARC (Chicago) "' WiÄ™kszym dalekim detektorem (wodny "' Detektor z 10 tyÅ›. ton ciekÅ‚ego argonu detektor Czerenkowa o masie miliona w stanie PoÅ‚udniowa Dakota ton!) w odlegÅ‚oÅ›ci 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 dokÅ‚adność zależy od tego, stopni (do 10 stopni po podniesieniu czy znamy hierarchiÄ™ mas neutrin. mocy wiÄ…zki). 16 Asymetria miÄ™dzy materiÄ… i Asymetria miÄ™dzy materiÄ… i Asymetria miÄ™dzy materiÄ… i Asymetria miÄ™dzy materiÄ… i antymateriÄ… we WszechÅ›wiecie antymateriÄ… we WszechÅ›wiecie antymateriÄ… we WszechÅ›wiecie antymateriÄ… we WszechÅ›wiecie
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 tÅ‚a widziane przez Mikrofalowe promieniowanie tÅ‚a widziane przez satelitÄ™ Planck satelitÄ™ Planck ·= nÅ‚
Dwa niezależne oszacowania parametru ·: "' ZawartoÅ›ci lekkich pierwiastków we wszechÅ›wiecie: · = (5.1 6.5) x 10 -10 "' Anizotropie kosmicznego promieniowania tÅ‚a: · = (6.04 'á 0.08) x 10 -10 (Planck)
WszechÅ›wiat po Wielkim Wybuchu skÅ‚adaÅ‚ siÄ™ z równych iloÅ›ci 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 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 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 wyjaÅ›niać asymetriÄ™ miÄ™dzy materiÄ… i antymateriÄ…. 19 ,,Ciężkie neutrina ,,Ciężkie neutrina ,,Ciężkie neutrina ,,Ciężkie neutrina Lekkie neutrino Lekkie neutrino (które obserwujemy) (które obserwujemy) Mechanizm huÅ›tawki (Minkowski, Gell-Mann,...) tÅ‚umaczy dlaczego masy lekkich neutrin sÄ… takie maÅ‚e 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 materią i antymaterią 21 Podsumowanie Podsumowanie Podsumowanie Podsumowanie
Ostatnie lata, to bardzo ciekawy okres dla fizyki neutrin: "' DziÄ™ki pomiarom w eksperymencie T2K oraz w eksperymentach reaktorowych poznaliÅ›my wartość ostatniego z kÄ…tów mieszania neutrin i wiemy, że jest on niezerowy. "' ,,OtwarÅ‚a siÄ™ furtka do pomiaru fazy odpowiedzialnej za Å‚amanie lub zachowanie symetrii CP w sektorze neutrin. "' W tym roku eksperyment T2K dostarczyÅ‚ pierwszych wskazówek eksperymentalnych na temat wartoÅ›ci ´CP.
Najbliższe lata w tej dziedzinie badaÅ„ także zapowiadajÄ… siÄ™ bardzo obiecujÄ…co: "' Eksperymenty T2K (IFJ PAN) oraz NOvA bÄ™dÄ… w stanie dostarczyć dalszych informacji na temat symetrii CP w ciÄ…gu 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 pewnoÅ›ciÄ… neutrina bÄ™dÄ… mogÅ‚y dostarczyć wskazówek na temat asymetrii miÄ™dzy materiÄ… i antymateriÄ… we WszechÅ›wiecie.
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