Neutrinon masslös eller massiv?

Transkript

1 Tommy Ohlsson - Lunchseminarium på F&F, 2013 p.1/16 Neutrinon masslös eller massiv? Tommy Ohlsson tohlsson@kth.se Kungliga Tekniska högskolan (KTH), Stockholm Lunchseminarium på Farkost & Flyg 7 november 2013

2 Tommy Ohlsson - Lunchseminarium på F&F, 2013 p.2/16 Skalor i fysiken..., celler, molekyler, atomer, kärnor, hadroner, elementarpartiklar (kvarkar och leptoner),..., supersträngar (?)

3 Tommy Ohlsson - Lunchseminarium på F&F, 2013 p.2/16 Vad består en atom av? Skalor i fysiken

4 Partiklar Tommy Ohlsson - Lunchseminarium på F&F, 2013 p.3/16

5 Tommy Ohlsson - Lunchseminarium på F&F, 2013 p.3/16 Partiklar Kvarkar: u (upp), d (ner), c (charm), s (sär), t (topp) och b (botten) Leptoner: e (elektron), ν e (elektronneutrino),µ (myon), ν µ (myonneutrino), τ (tauon) och ν τ (tauneutrino)

6 Tommy Ohlsson - Lunchseminarium på F&F, 2013 p.3/16 Fermioner: Kvarkar: Leptoner: u d e ν e Partiklar c s µ ν µ t b τ ν τ laddade leptoner neutriner kvarkar och leptoner = partiklar som materia består av

7 Tommy Ohlsson - Lunchseminarium på F&F, 2013 p.3/16 Fermioner: Kvarkar: Leptoner: u d e ν e Partiklar c s µ ν µ t b τ ν τ laddade leptoner neutriner kvarkar och leptoner = partiklar som materia består av Bosoner: Gaugebosoner: γ (foton) W ±, Z 0 elektromagnetiska kraften svaga kraften g (8 gluoner - klisterpartiklar ) starka kraften gaugebosoner = förmedlare av växelverkan (eller kraft) Higgsbosonen: H 0 Higgsbosonen ger de andra partiklarna massa!

8 Tommy Ohlsson - Lunchseminarium på F&F, 2013 p.4/16 Paulis brev Dear Radioactive Ladies and Gentlemen, 4th of December 1930 As the bearer of these lines, to whom I graciously ask you to listen, will explain to you in more detail, how because of the wrong statistics of the N and 6 Li nuclei and the continuous beta spectrum, I have hit upon a desperate remedy to save the exchange theorem of statistics and the law of conservation of energy. Namely, the possibility that there could exist in the nuclei electrically neutral particles, that I wish to call neutrons, which have spin 1/2 and obey the exclusion principle and which further differ from light quanta in that they do not travel with the velocity of light. The mass of the neutrons should be of the same order of magnitude as the electron mass and in any event not larger than 0.01 proton masses. The continuous beta spectrum would then become understandable by the assumption that in beta decay a neutron is emitted in addition to the electron such that the sum of the energies of the neutron and the electron is constant...

9 Tommy Ohlsson - Lunchseminarium på F&F, 2013 p.4/16 Paulis brev I agree that my remedy could seem incredible because one should have seen these neutrons much earlier if they really exist. But only the one who dare can win and the difficult situation, due to the continuous structure of the beta spectrum, is lighted by a remark of my honoured predecessor, Mr Debye, who told me recently in Bruxelles: Oh, It s well better not to think about this at all, like new taxes. From now on, every solution to the issue must be discussed. Thus, dear radioactive people, look and judge. Unfortunately, I cannot appear in Tubingen personally since I am indispensable here in Zurich because of a ball on the night of 6/7 December. With my best regards to you, and also to Mr Back. Your humble servant, W. Pauli

10 Tommy Ohlsson - Lunchseminarium på F&F, 2013 p.4/16 Paulis brev Wolfgang Ernst Pauli (25 april december 1958) Österrikisk fysiker som postulerade neutrinon.

11 Tommy Ohlsson - Lunchseminarium på F&F, 2013 p.5/16 Neutriner är: Neutriner elementarpartiklar (s.k. leptoner samma familj som elektronen) uppdelade i (troligtvis) tre olika s.k. smaker eller aromer elektriskt oladdade (neutrala) och växelverkar endast via den svaga växelverkan nästan masslösa (dvs. de har mycket små massor) ytterst svårfångade (dvs. de har mycket små tvärsnitt) Men: Neutrinon är universums näst mest förekommande partikel efter fotonen.

12 Tommy Ohlsson - Lunchseminarium på F&F, 2013 p.6/16 Olika neutriner och laddade leptoner Generation Neutrino ν e ν µ ν τ Laddad lepton e µ τ

13 Tommy Ohlsson - Lunchseminarium på F&F, 2013 p.6/16 Olika neutriner och laddade leptoner Generation Neutrino ν e ν µ ν τ Laddad lepton e µ τ Det är oklart om neutrinerna är sina egna antipartiklar, dvs. om de är s.k. Majoranapartiklar, eller inte.

14 Tommy Ohlsson - Lunchseminarium på F&F, 2013 p.6/16 Olika neutriner och laddade leptoner Generation Neutrino ν e ν µ ν τ Laddad lepton e µ τ Det är oklart om neutrinerna är sina egna antipartiklar, dvs. om de är s.k. Majoranapartiklar, eller inte. Neutrino Upptäcktsår Upptäckare ν e 1956 C.L. Cowan, Jr. & F. Reines ν µ 1962 L.M. Lederman, M. Schwartz & J. Steinberger ν τ 2000 DONUT collaboration at Fermilab, USA

15 Tommy Ohlsson - Lunchseminarium på F&F, 2013 p.7/16 Neutrinokällor solen ( neutriner per sekund) atmosfären (från kosmisk strålning) acceleratorer kärnkraftverk ( neutriner per sekund) naturlig radioaktivitet supernovaexplosioner ( neutrinoer per sekund) Big Bang, kosmiska punktkällor etc.

16 Tommy Ohlsson - Lunchseminarium på F&F, 2013 p.8/16 Solneutriner Solen: Standard solmodellen (SSM) förutsäger att solen brinner på grund av fusionsreaktioner i solens kärna. SSM: neutriner per sekund Avståndet mellan solen och jorden: 1, m

17 Tommy Ohlsson - Lunchseminarium på F&F, 2013 p.8/16 Solneutriner Solen: Standard solmodellen (SSM) förutsäger att solen brinner på grund av fusionsreaktioner i solens kärna. SSM: neutriner per sekund Avståndet mellan solen och jorden: 1, m Φ ν = N ν 4πR π(1, ) 2 cm 2 s cm 2 s 1

18 Tommy Ohlsson - Lunchseminarium på F&F, 2013 p.8/16 Solneutriner Solen: Standard solmodellen (SSM) förutsäger att solen brinner på grund av fusionsreaktioner i solens kärna. SSM: neutriner per sekund Avståndet mellan solen och jorden: 1, m Φ ν = N ν 4πR π(1, ) 2 cm 2 s cm 2 s 1 Ca 70 miljarder solneutriner går varje sekund genom din tumnagel på ca 1 cm 2!

19 Tommy Ohlsson - Lunchseminarium på F&F, 2013 p.9/16 Solen i neutrinoljus Solen sedd från Super-Kamiokande-detektorn som befinner sig i en gammal gruva några kilometer under jordytan. Solljus kommer aldrig att kunna nå detektorn, men det gör solneutriner!

20 Tommy Ohlsson - Lunchseminarium på F&F, 2013 p.10/16 Hur många olika typer av neutriner finns det? Experimentella studier av Z 0 -sönderfall vid LEP: a N ν = 2,984±0,008 Det finns tre stycken neutrinosmaker. a Particle Data Group, J. Beringer et al., Review of Particle Physics, Phys. Rev. D86, 1 (2012), pdg.lbl.gov

21 Tommy Ohlsson - Lunchseminarium på F&F, 2013 p.11/16 Neutrinooscillationer Kvantmekanik: Neutriner är massiva och blandade Neutrinoblandning: ν e ν µ = U ν τ Neutrinooscillationer ν 1 ν 2. ν 3 Den leptoniska blandningsmatrisen: U = c 13 0 e iδ CPs 13 c 12 s c 23 s s 12 c 12 0, 0 s 23 c 23 e iδ CPs 13 0 c }{{}}{{}}{{} atmosfäriska neutriner reaktorneutriner solneutriner där c ab cosθ ab och s ab sinθ ab.

22 Tommy Ohlsson - Lunchseminarium på F&F, 2013 p.11/16 Neutrinooscillationer En grafisk representation av neutrinoblandning:

23 Tommy Ohlsson - Lunchseminarium på F&F, 2013 p.11/16 Neutrinooscillationer Övergångssannolikheterna för neutrinooscillationer med tre aromer är mycket komplicerade uttryck! För enkelhetsskull tittar vi på två aromer. Pontecorvoformeln: P(ν α ν β ) = δ αβ (2δ αβ 1) sin 2 2θ }{{} amplitud sin 2 m2 L, 4E }{{ ν } frekvens där θ är blandningsvinkeln, m 2 är masskvadratdifferensen, E ν är neutrinoenergin och L är baslinjelängden. Det gäller att: P(ν e ν e ) = 1 P(ν e ν µ ) = 1 P(ν µ ν e ) = P(ν µ ν µ )

24 Tommy Ohlsson - Lunchseminarium på F&F, 2013 p.11/16 Neutrinooscillationer En grafisk representation av neutrinooscillationer i en tvåsmaksapproximation:

25 Neutrinooscillationsexperiment Tommy Ohlsson - Lunchseminarium på F&F, 2013 p.12/16

26 Tommy Ohlsson - Lunchseminarium på F&F, 2013 p.13/16 Blandningsvinklar och masskvadratdifferenser Definition (leptonisk blandning och blandningsvinklar): C 13 C 12 S 12 C 13 S 13 e iδ CP S 12 C 23 S 23 S 13 C 12 e iδ CP C 23 C 12 S 23 S 13 S 12 e iδ CP S 23 C 13 S 23 S 12 S 13 C 23 C 12 e iδ CP S 23 C 12 S 13 S 12 C 23 e iδ CP C 23 C 13 där S ab sinθ ab och C ab cosθ ab. Definition (neutrinomasskvadratdifferenser): m 2 ab = m 2 a m 2 b, där m a (a = 1,2,3) är massan för det a:te neutrinomassegentillståndet. Blandningsvinklar och masskvadratdifferenser är fundamentala neutrinoparametrar i neutrinooscillationsexperiment.

27 Tommy Ohlsson - Lunchseminarium på F&F, 2013 p.13/16 Blandningsvinklar och masskvadratdifferenser Aktuella värden (september 2013) på de fundamentala neutrinoparametrarna: Parameter Bästa anpassningsvärde Intervall (3σ) m , ev 2 (6,98 8,05) 10 5 ev 2 m , ev 2 (2,247 2,623) 10 3 ev 2 θ 12 33,57 31,38 36,01 θ 13 8,71 7,50 9,78 θ 23 41,9 37,2 54,5 δ CP - [0,2π)

28 Tommy Ohlsson - Lunchseminarium på F&F, 2013 p.13/16 Blandningsvinklar och masskvadratdifferenser Aktuella värden (september 2013) på de fundamentala neutrinoparametrarna: Parameter Bästa anpassningsvärde Intervall (3σ) m , ev 2 (6,98 8,05) 10 5 ev 2 m , ev 2 (2,247 2,623) 10 3 ev 2 θ 12 33,57 31,38 36,01 θ 13 8,71 7,50 9,78 θ 23 41,9 37,2 54,5 δ CP - [0,2π) Nästan bimaximal leptonisk blandning, i.e., θ 12 och θ 23 är stora och θ 13 är liten.

29 Tommy Ohlsson - Lunchseminarium på F&F, 2013 p.14/16 Jämförelse: kvarkar och leptoner Kvarkarnas blandning kan representeras av en likadan blandningsmatris som den för leptonisk blandning. Denna blandningsmatris brukar kallas CKM-matrisen. Blandningsvinklarna har värdena: θ CKM 12 = 13,04 ±0,05 θ CKM 13 = 0,201 ±0,011 θ CKM 23 = 2,38 ±0,06 δ CKM CP = 1,20±0,08

30 Tommy Ohlsson - Lunchseminarium på F&F, 2013 p.14/16 Jämförelse: kvarkar och leptoner Kvarkarnas blandning kan representeras av en likadan blandningsmatris som den för leptonisk blandning. Denna blandningsmatris brukar kallas CKM-matrisen. Blandningsvinklarna har värdena: θ CKM 12 = 13,04 ±0,05 θ CKM 13 = 0,201 ±0,011 θ CKM 23 = 2,38 ±0,06 δ CKM CP = 1,20±0,08 Den leptoniska blandningsmatrisen brukar ibland kallas MNS- eller PMNS-matrisen. Blandningsvinklarna har värdena: θ MNS 12 33,6 θ MNS 13 8,7 θ MNS 23 41,9 δ MNS CP =?

31 Tommy Ohlsson - Lunchseminarium på F&F, 2013 p.14/16 Jämförelse: kvarkar och leptoner Kvarkarnas blandning kan representeras av en likadan blandningsmatris som den för leptonisk blandning. Denna blandningsmatris brukar kallas CKM-matrisen. Blandningsvinklarna har värdena: θ CKM 12 = 13,04 ±0,05 θ CKM 13 = 0,201 ±0,011 θ CKM 23 = 2,38 ±0,06 δ CKM CP = 1,20±0,08 Den leptoniska blandningsmatrisen brukar ibland kallas MNS- eller PMNS-matrisen. Blandningsvinklarna har värdena: θ MNS 12 33,6 θ MNS 13 8,7 θ MNS 23 41,9 δ MNS CP =? Kvarkar (CKM): 3 små blandningsvinklar Leptoner (MNS) 2 stora blandningsvinklar och 1 liten blandningsvinkel

32 Tommy Ohlsson - Lunchseminarium på F&F, 2013 p.15/16 Öppna frågor angående neutrinoparametrarna Standardmodellen (SM) för partikelfysik, som antar att neutriner är masslösa, har 18 fria parametrar. Neutrinoparametrarna är sex stycken. Alltså har SM för massiva neutriner 24 fria parametrar. Vad är tecknet på m 2 31? Har vi normal masshierarki, dvs. m 1 < m 2 < m 3? Eller har vi inverterad masshierarki, dvs. m 3 < m 1 < m 2? Vad är värdet på den CP-brytande fasen δ CP? Denna parameter är hittills helt obestämd!

33 Tommy Ohlsson - Lunchseminarium på F&F, 2013 p.16/16 Sammanfattning Neutriner är ytterst svårfångade partiklar, men är universums näst mest förekommande partiklar. Neutriner är massiva och blandade. Oscillationer sker mellan olika smaker. Det finns antagligen tre neutrinosmaker. Den absoluta neutrinomasskalan är inte känd. Två av de sex neutrinoparametrarna behöver bestämmas bättre.