1

Neutrino’s and astronomie

Maarten de JongHOVO–2014

2

Wat is een neutrino?

3

Radioactief verval (~1920)

2E Mce

2-deeltjes verval?

detector

elektron

Einstein:

magneet

4

Radioactief verval (II)

Ee

aant

al g

ebeu

rten

issen

Energie niet behouden?

gemeten energie spectrum

2Mc

5

Geachte radioactieve dames en heren,

Ik heb misschien een oplossing gevonden om dewet van energie behoud te redden.

Het gemeten spectrum kan verklaard worden als zo’n onzichtbaar deeltje ontsnapt tegelijkertijd met het elektron zodat de totale energie klopt.

… het bestaan van onzichtbare deeltjes –welke ik aldus neutronen noem– in de atoom kern.

Maar tot nu toe heb ik dit niet durven publicerenen vraag ik u – radioactieve mensen – of het mogelijk is om het bestaan van dit deeltje experimenteel aan te tonen.

Ik geef toe dat dit idee onwaarschijnlijk is omdat de neutronen – als ze bestaan – al veel eerder gezien zouden moeten zijn…

Dus, geliefde radioactieve mensen, denk hieroverna en oordeel.

W. Pauli, 4 december 1930

6

?n p e Pauli (1930):

Theorie van de zwakke kracht

n

p e

?

n p

ddu u

du

e

eW–

Feynman diagram

Fermi:

en p e

neutrino

7

ee

1950 – Reines & Cowan“Poltergeist”, Savannah River

kernreactor neutrinodetectie

Het bewijs van het bestaan van neutrino’s

n

e

8

Neutrinoastronomie

9

kosmische straling

10

V

-250 V

geladendeeltje

e-

Ionisatie kamer (~1910)

elektrischegeleidbaarheid

van lucht

radioactiviteit van de Aarde?

11

druk

[cm

Hg]

V

Aarde

0

70

60

50

40

30

20

10

V. Hess (1912)

radioactiviteit komtvanuit de ruimte!

kosmische straling

“The results of my observation are best explained by the assumption that a radiation of very great penetrating power enters our atmosphere from above.”

12

P. Auger (1938)

ontdekking van uitgebreide “deeltjes regens”

tijd

13

hoog

te [k

m]

20

10

2

4

6

8

18

16

14

12vrije w

eglengte

1

2

3

5

10

N

pionproton

neutrino

muon

proton

Aarde gezien door kosmische straling

Aarde

14

Detectie van kosmische straling

fluorescentie(ultraviolet ‘zichtbaar’)

multipixel camera’s(stereoscopisch zicht)

muon detectoren(aankomst tijden richting)

grond oppervalk

15

Energie spectrum

E [eV/deeltje]

flux

[(m2 s

r s G

eV)-1

]

1010

1027

1 per km2 per jaar

1 per m2 per seconde

plateau

2.7E

1.5 eV =

1010 1020 1 kg

1 m

236 10 ?NA

16

pR

ZeB

impuls van het deeltje

lading van het deeltje Magnetisch veld

straal v/e cirkel

10.2 1

. .

R p G

a u GeV B

Afstand aarde – zon(~150 x 106 km)

Magnetisch veld zon(~10 G)

1p GeV

17

Kosmische versnellers

“CERN in the sky”

18

Fermi schokgolf versneller

radio beelden April 1993–Juni 1998

snelheid:

SN1993J – M81

20000 /V km stijd

19

E E versnelling

P overlevings kans

k stappen 0 (1 )kE E

0 ( )kN N

Simpel model

geladendeeltje

V

interstellairematerie

Fermi schokgolf versneller (II)

20

0

0

ln( ) ln( )ln( ) ln(1 )

N NE E

ln( )ln(1 )

0 0

N EN E

ln( )ln(1 ) 1 2dN E E

dE

Thermodynamica

Relativiteitsleer

gemeten spectrum

Fermi schokgolf versneller (III)

21

Welke geladen deeltjes?

elektronen protonen

Np

p

p

neutrino’s

muonen

astronomie kosmische straling

Synchrotronstraling

inverseCompton

verstrooiing

e

e

22

Astronomie

23

hcE

constante van Planck snelheid van het licht

Energie van ‘deeltje’

golflengte:

24

1’ 1’1’ 1’

radio 10-8 eV optisch 10 eV Röntgen 104 eV licht deeltjes 1012 eV

breedbandig spectrum

Krab nevel

25

traditioneleastronomie

neutrino astronomie

kosmische stralen (bestaan uit combinaties van

u en d quarks)

Astro-deeltjes fysica

lept

ons

quar

ks

generatieskr

acht

drag

ers

26

44 2p e He 2

e

~25 MeV

Zonne energie

263.92 10L W Licht oprbrengst

Neutrinos 38 113

2 1.8 101.6 10 25e

LN s

MeV

27

Homestake goud mijn (USA)

37 37e Cl Ar e

0.814e

E MeV

130 ton Chloor

‘omgekeerd verval’

28

extractie vanAr atomen

(~15 / maand!)

detectie principe

29

verwacht

gezien

Neutrino’s uit de zon

~30 jaar!

SNU

= 1

0-36 s

-1 /

Atom

12

30

Super Kamiokande (Japan)

nucleon decay experiment

~50 kton puur water

12,000 PMTs

31

Geen proton verval gezien

Maar Kamiokande is ook een neutrino detector…

32

'e

'e

e

ee

detectie principe

2'

'

2

'

22sin (1 )2e e e

e e

e

e

m c EE E

m cE

30eo

Energie en impuls behoud:

atomair elektron

neutrino telescoop

gedetecteerd

33

zonZon

e

atomair elektron

Aarde

0.5 0.1gemeten

verwacht

N

N

Neutrino’s wijzennaar de zon

aant

al [(

dag

kton

bin

)-1]

cos zon

'e

34

we zien ½ neutrino’s uit de zon

neutrino oscillaties¶

¶ B. Pontecorvo, 1957

35

1Z Ze N NA A e

Energie drempel

eE MeV

2 0.511em c MeV

2e

E m c = ‘steriel’

100

2 105.7m c MeV

1/ 2

36

Mengen van neutrino toestanden

1

2

3

eU

massatoestanden

zwakketoestanden

3 x 3 matrix(unitair)

37

Mengen van 2 toestanden

1

2

cos sinsin cos

e

creatiereizen door de ruimte

‘rotatie’

38

2

1

Reizen van neutrino’s door de ruimte

cos

sin

relatieve amplitudes veranderen met tijd of afstand

e

ampl

itude

39

2

2 2 42 12 2

( ) ( ) ( )

( )1 sin 2 sin

4

e e e eP x x

m m cx

Ehc

Neutrino oscillaties (II)

p

amplitude 2

40

22 1

hc

m m c

Heisenberg:

2 1 2 2 2 42 2 1 2 1

'

4

( )2

Em

E hc E hcm m m m c m m cc

p

Lorentz boost:

golflengte:

41

Sudbury Neutrino Observatory

1 kton zwaar water (D2O)

9600 PMTs

42

Neutrino reacties

e ee e

e D e p p

x xD p n

43

Resultaten

geenoscillaties

behoudenneutrino flux

andereneutrino’s

44

KamLAND

55 kernreactoren met totaal vermogen 70 GW (~7% v/d wereldproductie) Neutrino’s worden geproduceerd op 130–220 km afstand van de detector

45

L/E [km/MeV]

P( e

e)KamLAND (II)

ideaal geval

Neutrino oscillatiesKamLAND meting CHOOZ meting

geen oscillaties

46

23 Februari 1987

Supernova Aarde160,000 jaar

Tijd correlatie 99% energie is neutrino’s

1% energie is licht

47

Neutrino astronomie

48

p, He, ..

?

Kosmische stralen

Gamma stralen

neutrino’s– Supernova Remnants– Active Galactic Nuclei– Gamma-Ray Bursts– ...

!

Astro-deeltjes

49

Astro-deeltjes

p

p + p p+, p‒, p0

p± ±, ,e

p0

?deeltjes identificatie!

e + e + Electro-Magnetisch

Hadronisch

50

1960 Markov’s idee:

Lengte muon spoor

Detectie Cherenkov licht

Water is transparant

Zeewater als interactie en detectie medium

Hoe?

51

Neutrino detectie

muon

golffront

1 2 3 4 5

~ km

~100 m

muon reist met de lichtsnelheid (300,000 km/s)

detectie Cherenkov licht ns – km

neutrino

interactie

52

stro

oiho

ek [g

rade

n]

neutrino energie [GeV]

s1.5

TeVE

Neutrino richting

neutrino

muon

Neutrino telescoop!

101 102 103 104 105

53

neutrino energie [GeV]

wer

kzam

e do

orsn

ede

[cm

2 ]

1( )A

EN

Vrije weglengte:

Werkzame doorsnede

810 km

“Size matters”

102 103 104 105 106 107

10-36

10-35

10-34

10-33

310 GeVE

54

Werkzame doorsnede (II)

1 fm

Atoom

1 fm 100,000 x

55

Architectuur

lichtdetectie

datatransmissie

datafilter

meet-gegevens

neutrino detector

machine kamer

analyse

besturing

start stop

56

Antares

prototype neutrino telescoop

57

2.5 km500 m

250 Atm.

200x200 m2

200 personen 6 landen 40 km uit de kust bij Toulon, Frankrijk gereed 2008

12 lijnen

25 verdiepingen / lijn

Antares

58Hydrophoon

acoustische positie meting

10” PMTlicht detectie

Electronicauitlezing

titanium framemechanisch drager

Optisch bakentijd calibratie

12 x 25 = 300 bouwstenen

~1 m

59

“All-data-to-shore” conceptpo

sitie

tijd

100 ms

data filter

2 s

offline reconstructie

1 MB/s

bepaling van het muon spoor

1 GB/s

astronomie

60

cos()

aant

al g

ebeu

rten

issen

Neutrino detectie

muon

d( )

Aarde

~3000 neutrinos!

D = 2.5 km

Atm. totaalAtm. neutrino’s

Atm. muonsAntares

61

Neutrino “sky map”

Nog geen puntbronnen gevonden…

62

plotselingeEddie stromen

Temperatuur

Aard & Zee onderzoek

Frankrijk

observatoriumvoedingsbodem

Bioluminescentie

kortstondige gebeurtenissendomineren leven in diepzee

permanent observatorium

tijdprofiel

63

KM3NeT

KM3 Neutrino Telescoop

64

Ontwerp~ 600 m

Optisch moduulLanceer apparaat

‒ 31 x 3” PMTs‒ HV‒ LED & piëzo‒ FPGA uitlezing‒ White Rabbit‒ DWDM

‒ snelle verankering‒ uitrollen autonoom ‒ recyclebaar

65

3D print

PMT

spiegelglazen bol

koelblok“paddenstoel”

plug

PCB met FPGA

bolder

riem

HV

66

Prototype (I)

April 2013 Toulon, France

67

Multipliciteit

Telsn

elhe

id [H

z]

PMT oriëntatie [graden]

Atmosferische muonen K40 toevallige coïncidenties+ data

Prototype (I)

Atmosferische muonen+ data (M ≥ 7)

schaduw

Telsn

elhe

id [a

.u.]

0

10

20

30

40

50

68

Neutrino astronomie

RXJ 1713

‒ Terugvinden van kosmische stralen

‒ KM3NeT kan ontdekking doen binnen 5 jaar

E [GeV]

kans

Hoek [graden]

oppe

rvla

k [m

2 ]

Effectief oppervlak Hoek resolutie

muonneutrino

3

Vela X

69

Nieuws

Energie [TeV]

aant

al (9

88 d

agen

)

70

Samenvatting

Neutrino’s bestaan, wisselwerken zwak met materie, en hebben een

zeer kleine massa

Zonneneutrino’s zijn gemeten

Neutrino’s oscilleren spontaan

SN1987A was een neutrino flits

Eerste zeer energetische neutrino’s uit kosmos gezien

Neutrino’s uit andere astrofysische bronnen?

Neutrino–astronomie is binnen handbereik (met KM3NeT)!

71

Neutrinos, they are very small.They have no charge and have no massAnd do not interact at all.The earth is just a silly ballTo them, through which they simply pass,Like dustmaids through a drafty hallOr photons through a sheet of glass.They snub the most exquisite gas,Ignore the most substantial wall,Cold-shoulder steel and sounding brass,Insult the stallion in his stall,And scorning barriers of class,Infiltrate you and me! Like tallAnd painless guillotines, they fallDown through our heads into the grass.At night, they enter at NepalAnd pierce the lover and his lassFrom underneath the bed - you callIt wonderful; I call it crass.

John Updike