Del A: Seminarium i Hedemora Tord Ekelöf, Uppsala universitet

Transkript

1 Del A: *Partikelfysik, en överblick * Introduktion om Big Bang, materia och antimateria i lika delar, hur vet vi det?, universum bildades, materia blev kvar. Vart tog all antimateria vägen? *Neutriner: många och flyktiga *Neutriner kan byta smak! *Neutriner Vs Antineutriner -> ESSnuSB 1

2 Big Bang, antimateria och neutrinos uppdrag Garpenbergdetektorn 2

3 Varför forskar vi om elementarpartiklar? 11/4/2016 Svenska lärarare på CERN

4 Large Hadron Collider LHC vid CERN i Genève startades upp 2010 Världens mest högenergetiska protonkrockare med en kollisionsenergi på 13 TeV = 13*10 12 ev = 13 biljoner elektronvolt 4 4

5 Varför hög energi? E=hc/λ där λ=våglängden Enligt kvantmekaniken medger hög energi att man kan studera små detaljer i materien - ju högre energi desto mindre detaljer E=mc 2 där m=massan Enligt relativitetsteorin medger hög energi att man kan skapa materiepartiklar - ju högre energi desto massivare partiklar. 11/4/2016 5

6 Vad har etablerats hittills? Standardmodellen 6

7 Higgs-bosonens förutsägelse

8 och upptäckt 2012 E=M/c 2 =125 GeV/c 2 Observation av många kollisioner av denna typ med just 125 GeV/C 2 massa ledde till upptäckten av Higgs-bosonen 8

9 Frågor som inte besvaras av Standardmodellen Varför finns det i universum bara materia och ingen antimateria? Hur får neutrinerna sin massa? Vad består den mörka materien och den mörka energin av? 9

10 Hypoteser för att besvara dessa frågor: Supersymmetri och Strängar 10 10

11 E=M/c 2 =2900 GeV/c 2 För att denna kollision skulle kunna vara en observation av en supersymmetriskpartikel med massa 2900 MeV måste samma typ av kollisioner med just 2900 MeV massa observeras flera gånger men denna kollision visade sig vara en enskild händelse och kan därför inte tas som bevis för upptäckt av en partikel med 2900 MeV massa. Hittills har inga supesymmetriska partiklar kunnat upptäckas

12 Vadhållning om Higgsbosonen och om Supersymmetri Wilczek - Conrad 2012 om Higgsbosonen Wilczek Ekelöf 2019 om gauginos 12

13 Big Bang Hur skapades universum i Big Bang för 13.8 miljader år sedan? 0 s: Big Bang s: Fria kvarkar uppstår s: Protoner formas 1 s - 3 min: Heliumkärnor formas 300 miljoner år: Atomer formas En miljard år: Gravitationen drar samman atomer till moln och senare stjärnor 13.8 miljader år: Idag 13

14 När en partiklar skapas ur kollisionsenergi i CERN Large Hadron Colider så skapas det alltid också en antipartikel. Vi har aldrig observerat något undantag från denna regel. Vid Big Bang måst det ha varit likadant, d.v.s. lika många partiklar som antipartiklar måste ha skapats. Ock ändå är vi själva och det universum som omger oss uppbyggt av bara partiklar och inga antipartiklar. Den stora hittills obesvarade frågan är: Vart tog antipartiklarna vägen? 14

15 I varje kubikmeter av universum finns det i medeltal en miljon ljuspartiklar (fotoner) och en proton. Tolkningen av detta är är att strax efter Big Bang började partiklar och antipartiklar att kollidera och förinta varandra till par av ljuspartiklar (jfr PET på vår sjukhus). Men varför blev det då över huvud taget några partiklar kvar? Det måste ha uppstått någon form av obalans eller asymmetri mellan materia och antimateria strax efter Big Bag som ledde till att en miljondel av av materia blev kvar och bildade den materia som universum och vi själva består av. Utan en sådan asymmetri skulle universum bara ha bestått av ljus! 15

16 Hur skall vi kunna upptäcka och mäta denna asymmetri! Bland kvarkarna har en viss asymmetri observerats men den är en miljard gånger för liten för att förklara universums mängd av massa. Förhoppningen är nu att vi skall kunna finna denna asymmetri hos neutrinerna. Neutriner förekommer i tre olika smaker (flavours): 16

17 1998 upptäcktes att dessa neutriner spontant övergår i varandra fram och tillbaka på ett pendlande sätt. T.ex., om en protonaccelerator används för att generera en neutrinostråle, som i så fall i början kommer att bestå av endast myon-neutriner, så kommer den längre fram att innehålla även elektron-neutriner och tau-neutriner. Arbetshypotesen är nu att det kan finnas en skillnad mellan det sätt som neutriner och antineutriner oscillerar mellan olika smaker och att denna skillnad skulle kunna förklara varför det blev materia över efter den stora materia-antimateriaförintelsen efter Big Bang Kurvan visar uppkomsten av En andel elektron-neutriner i en 300 MeV myon-neutrinostråle Avstånd i km 17

18 Vi har föreslagit att ESS kraftfulla linjäraccelerator i Lund skall användas för att generera en världsunikt intensiv neutrinostråle för experiment som skulle kunna mäta oscillationerna mellan olika neutrinosmaker. Neutrino-strålen skall riktas från Lund mot en 1 miljon kubikmeter stor vatten-cherenkov-detektor i Garpeneberg-gruvan i dalarna, 1 km under jord. 18

19 Back-up slides 19

20 Garpenbergdetektorn inte bara neutrino-oscillationer Protonsönderfall Supernova-neutriner Supernova-relikneutriner Solneutriner Atmosfäriska neutriner Två stora detektorer 500 m 3 volym (~20xSuperK) fotomultiplikatorer 20 20

21 Protonsönderfall

22 Supernovaexplosion

23 Avstånd och antal detekterade neutriner Milky way Nearby galaxies Distant galaxies

24 C: Varför i Sverige? Varför i Garpenberg? Ungefärlig tidsplan 24

25 Det planeras tre olika projekt i världen för att upptäcka och mäta neutrino-antineutrino-asymmetrin. DUNÈ i USA ESSnuuSB i Sverige Hyper-Kamiokande i Japan Vad är det som skiljer ESSnuSB från DUNE och Hyper-Kamiokande? 25

26 Skillnaden ligger att ESSnuSB mäter vid andra oscillationsmaximum medan DUNE och Hyper-Kamiokande mäter vid det första 26

27 Jämförelse av känsligheten för neutrino-antineutrino-asymmetrin mellan ESSnuSB, DUNE and Hyper-K Hyper-K first maximum DUNE first maximum ESSnuSB second maximum Hyper-K DUNE Relative difference in counts at maximum between δ CP = 3π/2 and π/2 : 430/275 = /100 = /22 =

28 Jämförelse av känsligheten för neutrino-antineutrino-asymmetrin mellan ESSnuSB, DUNE and Hyper-K. ESSνSB 500 kt tank at 540 km. ESSνSB 500 kt tank at 360 km. ESSνSB 250 kt tank at 540 km and 250 kt tank at 360 km. 28

29 ESSnuSBs neutrinodetektor förslås ligga i Garpenberggruvan Avstånd från ESS i Lund 540 km Djup 1000 m Både ett numera oanvänt transportskakt och en accesstunel kan användas för att transportera Sprängmassor och uyrustning Borrprover av granit 29 29

30 Undersöknig av Garpenbergs berggrund påbörjad Morwan Derrien, geolog, Boliden Anders Österberg, bergsingenjör, Boliden Lars Norling, konsult Kjell Grundström, koordinator Davis Saiang, docent i gruvteknik. LTH 30 30

31 ESSnuSB tidsplan En andra genertionens neutrino Super Beam 2012: Θ 13 measurement published - inception of the ESSnuSB project : beginnin g of COST Action EuroNuN et 2018: beginnin g of ESSνSB Design Study (EU- H2020) 2021: End of ESSνSB Design Study, CDR and preliminary costing : Preparatory Phase, TDR : Preconstruction Phase, International Agreement : Construction of the facility and detectors, including commissioning 2036-: Data taking Nucl. Phys. B 885 (2014)

32 32