Astrofysik med neutriner

Transkript

1 Astrofysik med neutriner Tommy Ohlsson Kungliga Tekniska Högskolan (KTH) Stockholm Docentföreläsning KTH, Stockholm 2 juni 2003 Tommy Ohlsson - Docentföreläsning p.1/12

2 Innehåll Introduktion Neutriner som astrofysikaliska förmedlare Hur många neutrinotyper finns det? Neutrinomassor Neutrinooscillationer Mörk materia bestående av neutriner Supernovaneutriner Neutrinoastronomi Sammanfattning Tommy Ohlsson - Docentföreläsning p.2/12

3 Introduktion Fysik: experiment teori observationer och mätningar Modifikation av modellerna Obs! Konsistens med tidigare resultat. En viktig ingrediens: upprepningsbarhet modeller konsensus (samstämmighet) Tommy Ohlsson - Docentföreläsning p.3/12

4 Introduktion Fysik: experiment teori observationer och mätningar Modifikation av modellerna Obs! Konsistens med tidigare resultat. En viktig ingrediens: upprepningsbarhet modeller konsensus (samstämmighet) Astrofysik och kosmologi: hela universum = ett fysikaliskt objekt Upprepningsbarheten kan inte förverkligas. Antagande: Fysiken är densamma i laboratorierna och i universum. Tommy Ohlsson - Docentföreläsning p.3/12

5 Introduktion Fysik: experiment teori observationer och mätningar Modifikation av modellerna Obs! Konsistens med tidigare resultat. En viktig ingrediens: upprepningsbarhet modeller konsensus (samstämmighet) Astrofysik och kosmologi: hela universum = ett fysikaliskt objekt Upprepningsbarheten kan inte förverkligas. Antagande: Fysiken är densamma i laboratorierna och i universum. Astrofysikaliska observationer: optisk observation (synliga delen av det elektromagnetiska spektrat), radioastronomi, mätning av röntgen- och gammastrålning med satelliter, neutrinoastronomi,... Tommy Ohlsson - Docentföreläsning p.3/12

6 Introduktion Neutriner är: elementarpartiklar (s.k. leptoner samma familj som elektronen) uppdelade i (troligtvis) tre olika s.k. aromer elektriskt oladdade (neutrala) och växelverkar endast via den svaga växelverkan nästan masslösa (dvs. de har mycket små massor) ytterst svårfångade (dvs. mycket små tvärsnitt) Tommy Ohlsson - Docentföreläsning p.3/12

7 Introduktion Neutriner är: Men: elementarpartiklar (s.k. leptoner samma familj som elektronen) uppdelade i (troligtvis) tre olika s.k. aromer elektriskt oladdade (neutrala) och växelverkar endast via den svaga växelverkan nästan masslösa (dvs. de har mycket små massor) ytterst svårfångade (dvs. mycket små tvärsnitt) Neutrinon är universums vanligaste partikel. Neutrinerna skulle kunna utgöra en del av den s.k. mörka materien. Tommy Ohlsson - Docentföreläsning p.3/12

8 Introduktion Olika typer av astrofysikaliska neutriner: Tommy Ohlsson - Docentföreläsning p.3/12

9 Introduktion Olika typer av astrofysikaliska neutriner: Solneutriner Tommy Ohlsson - Docentföreläsning p.3/12

10 Introduktion Olika typer av astrofysikaliska neutriner: Solneutriner Atmosfäriska neutriner (från kosmisk strålning) Tommy Ohlsson - Docentföreläsning p.3/12

11 Introduktion Olika typer av astrofysikaliska neutriner: Solneutriner Atmosfäriska neutriner (från kosmisk strålning) Supernovaneutriner Tommy Ohlsson - Docentföreläsning p.3/12

12 Introduktion Olika typer av astrofysikaliska neutriner: Solneutriner Atmosfäriska neutriner (från kosmisk strålning) Supernovaneutriner Neutriner från Big Bang, högenergetiska neutriner från kosmiska punktkällor,... Tommy Ohlsson - Docentföreläsning p.3/12

13 Neutriner som astrofysikaliska förmedlare Nobelpriset i fysik 2002 för banbrytande insatser inom astrofysiken, särskilt för detektion av kosmiska neutriner Raymond Davis Jr. Masatoshi Koshiba kosmiska neutriner solneutriner, atmosfäriska neutriner, supernovaneutriner Tommy Ohlsson - Docentföreläsning p.4/12

14 Neutriner som astrofysikaliska förmedlare Solneutrinoproblemet: Antalet observerade neutriner är mindre än det teoretiskt förväntade. Vart tar neutrinerna vägen? Teori: Standardsolmodellen (SSM) Tommy Ohlsson - Docentföreläsning p.4/12

15 Neutriner som astrofysikaliska förmedlare Experiment: Homestake (South Dakota, USA) ett solneutrinoexperiment som pågick i trettio år! De radioaktiva argonatomerna som produceras extraheras från detektortanken, vilken huvudsakligen är fylld med, med hjälp av radiokemiska metoder och räknas i proportionalräknare. Tommy Ohlsson - Docentföreläsning p.4/12

16 Neutriner som astrofysikaliska förmedlare Experiment: Homestake (South Dakota, USA) ett solneutrinoexperiment som pågick i trettio år! Resultat: Experiment Teori Lösning: Solneutrinooscillationer. Tommy Ohlsson - Docentföreläsning p.4/12

17 Neutriner som astrofysikaliska förmedlare SN1987A: 23 februari 1987 kl Stora Magellanska molnet Tarantulanebulosan SN1987A SN1987A vid ett senare tillfälle Tommy Ohlsson - Docentföreläsning p.4/12

18 Neutriner som astrofysikaliska förmedlare Experiment: Kamiokande supernovaneutriner Resultat: 12 neutriner detekterades i Kamiokande-detektorn (av de som utsändes från SN1987A). Tommy Ohlsson - Docentföreläsning p.4/12

19 Neutriner som astrofysikaliska förmedlare Neutrinosignaler från SN1987A: Kamiokande (Japan) vatten-cerenkov-detektor (12 neutriner) IMB (USA) vatten-cerenkov-detektor (8 neutriner) Baksan Scintillator Telescope (Sovjetunionen) (5 neutriner) Tommy Ohlsson - Docentföreläsning p.4/12

20 Neutriner som astrofysikaliska förmedlare Experiment: Super-Kamiokande efterföljaren till Kamiokande Mätningar av atmosfäriska neutriner och solneutriner. Reaktion: Elastisk spridning Tommy Ohlsson - Docentföreläsning p.4/12

21 ( Neutriner som astrofysikaliska förmedlare Atmosfäriska neutriner kosmisk strålning luft Man finner från reaktionskedjan att: Förhållandenas förhållande : #%$!" '& Tommy Ohlsson - Docentföreläsning p.4/12

22 Neutriner som astrofysikaliska förmedlare Atmosfäriska neutrinoproblemet: Teori: Experimentella resultat: Atmosfäriska neutrinoproblemet Lösning: Atmosfäriska neutrinooscillationer. Tommy Ohlsson - Docentföreläsning p.4/12

23 Neutriner som astrofysikaliska förmedlare Atmosfäriska neutriner Super-Kamiokande (1289 dagar) Neutrinoflöden Uppåtgående : Nedåtgående : (T. Toshito, 2001) Tommy Ohlsson - Docentföreläsning p.4/12

24 Neutriner som astrofysikaliska förmedlare Solneutriner Super-Kamiokande (1258 dagar) Vinkelfördelningen av solneutrinokandidater S. Fukuda et al., Phys. Rev. Lett. 86 (2001) 5651, Solen i neutrinoljus hep-ex/ Tommy Ohlsson - Docentföreläsning p.4/12

25 +. % * Neutriner som astrofysikaliska förmedlare Solneutriner SNO (Q.R. Ahmad et al., 2001, 2002) CC: NC ES: % #!$ "! % #,$ " +* )( &' & % #,$ " ( &' - % & CC NC ES ] #!$ " * / /& [ % # $ " +* 2 0/1 Tommy Ohlsson - Docentföreläsning p.4/12

26 Hur många neutrinotyper finns det? Experimentella studier av -sönderfall vid LEP: a Det finns tre stycken neutrinoaromer. a Particle Data Group, K. Hagiwara et al., Review of Particle Physics, Phys. Rev. D 66, (2002), pdg.lbl.gov Tommy Ohlsson - Docentföreläsning p.5/12

27 Hur många neutrinotyper finns det? Antal neutriner från astrofysikaliska data: (S. Hannestad, 2003) 1. WMAP + Wang + 2dFGRS + HST + SN-Ia: (@ 95 % C.L.) + BBN ( och ): (@ 95 % C.L.) 2. WMAP + 2dFGRS: + 3. WMAP: Tommy Ohlsson - Docentföreläsning p.5/12

28 Hur många neutrinotyper finns det? Antal neutriner från Big Bang -nukleosyntes: (S. Burles, K.M. Nollett och M.S. Turner, 1999) Det finns tre stycken neutrinoaromer. Tommy Ohlsson - Docentföreläsning p.5/12

29 Neutrinomassor Antag att neutrinomassegentillstånden, och är de primära komponenterna av neutrinoaromtillstånden,. Då är de nuvarande övre gränserna på neutrinomassorna: och Elektronneutrinon: Myonneutrinon: Tauneutrinon: ( ( ( * Men: Man borde istället bestämma de övre gränserna på massorna för neutrinomassegentillstånden, eftersom de är de enda tillstånden som har väldefinierade massor. ) ) ) Tommy Ohlsson - Docentföreläsning p.6/12

30 Neutrinomassor Summan av neutrinomassorna: där är massan för det :te massegentillståndet. Tommy Ohlsson - Docentföreläsning p.6/12

31 Neutrinomassor Summan av neutrinomassorna: där är massan för det :te massegentillståndet. WMAP- och 2dF Galaxy Redshift Survey-data: 95 % C.L.) (S. Hannestad, 2003; Ø. Elgarøy och O. Lahav, 2003) I framtiden: WMAP/Planck- och Sloan Digital Sky Survey-data: (W. Hu, D.J. Eisenstein och M. Tegmark, 1998) Tommy Ohlsson - Docentföreläsning p.6/12

32 Neutrinooscillationer Neutriner är massiva och blandade Neutrinooscillationer Neutrinoblandning: Leptoniska blandningsmatrisen: % # % # % % % # % # # # % % # # Solneutriner Reaktorneutriner Atmosfäriska neutriner. och där Tommy Ohlsson - Docentföreläsning p.7/12

33 Neutrinooscillationer Atmosfäriska neutriner: (Y. Fukuda et al., 1998; T. Toshito, 2001; M. Shiozawa, 2002) Solneutriner: LMA: (J.N. Bahcall, M.C. Gonzalez-Garcia & C. Peña-Garay, 2001, 2002) Reaktorneutriner (CHOOZ-experimentet): (Apollonio et al., 1999) Tommy Ohlsson - Docentföreläsning p.7/12

34 Neutrinooscillationer Atmosfäriska neutriner: (Y. Fukuda et al., 1998; T. Toshito, 2001; M. Shiozawa, 2002) Solneutriner: LMA: (J.N. Bahcall, M.C. Gonzalez-Garcia & C. Peña-Garay, 2001, 2002) Reaktorneutriner (CHOOZ-experimentet): (Apollonio et al., 1999) Trearommodeller särkopplas i två tvåarommodeller. Tommy Ohlsson - Docentföreläsning p.7/12

35 - - Neutrinooscillationer Definition (masskvadratdifferenser): där ( ) är massan för det :te neutrinomassegentillståndet. Masskvadratdifferenser är fundamentala neutrinoparametrar i neutrinooscillationsexperiment. Atmosfäriska neutrinooscillationer: -oscillationer (Y. Fukuda et al., 1998; T. Toshito, 2001; M. Shiozawa, 2002) Solneutrinooscillationer: -oscillationer Tommy Ohlsson - Docentföreläsning p.7/12

36 Neutrinooscillationer Fundamentala neutrinoparametrar: Parameter Bästa anpassningsvärde Intervall (99,73 % C.L.) * (90 % C.L.) (99,73 % C.L.) (90 % C.L.) - (90 % C.L.) % $# " -! Tommy Ohlsson - Docentföreläsning p.7/12

37 Neutrinooscillationer Fundamentala neutrinoparametrar: Parameter Bästa anpassningsvärde Intervall (99,73 % C.L.) * (90 % C.L.) (99,73 % C.L.) (90 % C.L.) - (90 % C.L.) % $# " -! och Nästan bimaximal leptonisk blandning, dvs. är liten. är stora och Tommy Ohlsson - Docentföreläsning p.7/12

38 % Neutrinooscillationer Neutrinooscillationer: Övergångssannolikheterna för neutrinooscillationer med tre aromer är mycket komplicerade uttryck! För enkelhetsskull tittar vi på två aromer. Pontecorvoformeln: amplitud frekvens där är blandningsvinkeln, är masskvadratdifferensen, neutrinoenergin och är baslinjelängden. Det gäller att: är % % % Tommy Ohlsson - Docentföreläsning p.7/12

39 Mörk materia bestående av neutriner Idag är det allmänt accepterat att universum har kritisk densitet och det är således platt, dvs.. (öppet, platt, slutet ) Tommy Ohlsson - Docentföreläsning p.8/12

40 Mörk materia bestående av neutriner Universum består av: neutriner baryonisk materia kall mörk materia oidentifierad fysikalisk form mörk energi kosmologiska konstanten negativ tryckkomponent i Einsteins fältekvationer Einsteins fältekvationer: = Tommy Ohlsson - Docentföreläsning p.8/12

41 Mörk materia bestående av neutriner Universum består av: neutriner baryonisk materia kall mörk materia oidentifierad fysikalisk form mörk energi kosmologiska konstanten negativ tryckkomponent i Einsteins fältekvationer Einsteins fältekvationer: = Tommy Ohlsson - Docentföreläsning p.8/12

42 Mörk materia bestående av neutriner Schematisk skiss över universums innehåll: (G.G. Raffelt) Vi har alltså: Tommy Ohlsson - Docentföreläsning p.8/12

43 Mörk materia bestående av neutriner WMAP-satelliten: Wilkinson Microwave Anisotropy Probe (WMAP) (D.N. Spergel et al., 2003) Tommy Ohlsson - Docentföreläsning p.8/12

44 $ # )(, + *. - ) ( + Mörk materia bestående av neutriner Den kosmiska antalstätheten av neutriner och antineutriner per arom är: där är antalstätheten av kosmiska mikrovågsfotoner och. "! ' & % Om neutriner är massiva, så erhåller vi Atmosfäriska neutrinooscillationer: C B 2 3 8? > = :2<; Mainz- och Troitsk-experimenten: C : 8? > = D8 Hubbleparametern: /10 Tommy Ohlsson - Docentföreläsning p.8/12

45 , + * %. - ) ( + % -, + + Mörk materia bestående av neutriner Gershtein och Zel dovich (1966): Om neutrinerna inte skall översluta universum, så måste för alla stabila aromer. Idé: WIMPs ( weakly interacting particles ) som mörk materia Cowsik och McClelland (1973): Massiva neutriner skulle kunna utgöra den mörka materien i kluster av galaxer. Men: Neutriner är inte längre en bra kandidat för den s.k. mörka materien. Tommy Ohlsson - Docentföreläsning p.8/12

46 ; ; Mörk materia bestående av neutriner Neutriner är inte en bra kandidat som mörk materia av två orsaker: 1. Det begränsade galaktiska fasrummet 2. Kosmisk strukturformation 1. Tremaine Gunn-gränsen: Det finns ett begränsat utrymme för att neutriner skall binda sig gravitationellt till en galax. En Fermigas har den maximala masstätheten: 6 6 ; Spiralgalaxer: Dvärggalaxer: (mest restriktivt) Tommy Ohlsson - Docentföreläsning p.8/12

47 Mörk materia bestående av neutriner Men: Den mest restriktiva övre gränsen för neutrinomassan från Mainz- och Troitsk-experimenten är: 95 % C.L.) Neutriner som galaktisk mörk materia är fullständigt uteslutet. 2. Kosmisk strukturformation: Neutriner flödar fritt så länge de är relativistiska. Suddar fullständigt ut täthetskontraster på små längdskalor. Totalt undertryckande av materiefluktuationer på små längdskalor. Tommy Ohlsson - Docentföreläsning p.8/12

48 Supernovaneutriner Explosionsmekanism: kärnkollapsande supernova (SN) [slutet för massiva stjärnor med massa ] dynamiskt dominerad av neutriner (H.-T. Janka & G.G. Raffelt) av den frigjorda gravitationella bindningsenergin,, förs bort av neutriner. : Tommy Ohlsson - Docentföreläsning p.9/12

49 $ ( 3 Supernovaneutriner Supernovaexplosion: Enkel uppskattning av den gravitationella bindningsenergin: 6 radie), (Chandrasekharmassan), # "! och (en neutronstjärnas "! ' % &% & 0 12!,-/. )+* Denna visar sig som: 99 % neutriner 1 % kinetisk energi ( 1 % kosmisk strålning) 0,01 % fotoner, som ger mer ljus än värdgalaxen Tommy Ohlsson - Docentföreläsning p.9/12

50 : B Supernovaneutriner En nukleons kinetiska energi på ytan av en neutronstjärna är: Det produceras omkring supernovaexplosion! neutriner i en Neutrinoluminositet: : En supernova lyser starkare än hela den synliga galaxen. Tommy Ohlsson - Docentföreläsning p.9/12

51 , ' ' - - Supernovaneutriner Flykttid ( Time-of-flight ) för massiva neutriner:!, Tommy Ohlsson - Docentföreläsning p.9/12

52 , ' ' ) - - Supernovaneutriner Flykttid ( Time-of-flight ) för massiva neutriner:!, SN1987A:, och,! Framtida galaktisk SN (Super-Kamiokande):, Tommy Ohlsson - Docentföreläsning p.9/12

53 B Supernovaneutriner Antalet möjliga detekterbara neutriner från framtida 10 kpc: Hyper-Kamiokande, UNO Super-Kamiokande 8500 SNO 800 LVD (Gran Sasso, Italien) 400 KamLAND 330 MiniBooNE 190 Borexino 80 Baksan Scintillator Telescope 70 ljusår Tommy Ohlsson - Docentföreläsning p.9/12

54 Neutrinoastronomi Neutriner är mycket svåra att detektera ( kräver stora detektorer) och de absorberas ytterst sällan på vägen mellan källa och detektor. neutrinoteleskop Neutrinoteleskop kan mäta: partikelslag rörelseriktning energi Cerenkovstrålning: När en laddad partikel rör sig fortare än ljuset i ett medium utsänder den ljus (fotoner). Ljuset kan t.ex. mätas med fotomultiplikatorer. Tommy Ohlsson - Docentföreläsning p.10/12

55 # Neutrinoastronomi Neutrinoteleskop: Amanda II (is-cerenkov-detektor vid Sydpolen) ( ; 800 fotomultiplikatorer) Tommy Ohlsson - Docentföreläsning p.10/12

56 # Neutrinoastronomi Nästa generations neutrinoteleskop: IceCube (is-cerenkov-detektor vid Sydpolen) ( ; 4800 fotomultiplikatorer) Tommy Ohlsson - Docentföreläsning p.10/12

57 % Sammanfattning Neutriner är ytterst svårfångade partiklar, men är universums mest förekommande partikel. Neutriner är massiva och blandade. Oscillationer sker mellan olika aromer. Det finns antagligen tre neutrinoaromer. Den absoluta neutrinomasskalan är inte känd. Neutriner utgör troligtvis inte den kalla mörka materien. Supernovor utsänder otroligt stora mängder neutriner. Tommy Ohlsson - Docentföreläsning p.11/12

58 Referenser L. Bergström and A. Goobar, Cosmology and Particle Astrophysics (Wiley, 1999). G. Börner, The Early Universe, 3rd ed. (Springer, 1993). P. Carlson och H. Snellman, Universum och partiklar (1996). G.G. Raffelt, Stars as Laboratories for Fundamental Physics (Chicago, 1996). G.G. Raffelt, hep-ph/ G.G. Raffelt, astro-ph/ Tommy Ohlsson - Docentföreläsning p.12/12