Podstawy fizyki cząstek III

Eksperymenty nieakceleratorowe

Krzysztof Fiałkowski

Zakres fizyki cząstek a eksperymenty nieakceleratorowe

• Z relacji nieoznaczoności przestrzenna zdolność

rozdzielcza ∆r≈0.5fm wymaga ∆E>ħ/∆r≈0.4 GeV.

• Wyjątek: o. słabe, krótki zasięg ≈ 1 am, zatem neutrina nawet z reaktorów i Słońca (MeV) oddziałują z pojedynczymi nukleonami, a nawet kwarkami.

• Inne nieakceleratorowe: promieniowanie kosmiczne.

• Szeroki zakres energii, różne cząstki!

Przypomnienie o neutrinach: eksperyment Reinesa i Cowana

• Reaktor: ~5×1013 ν/s/cm2, rzędy wielkości > niż źródła. Tarcza wodna: 200 l, 2 zbiorniki, 3 warstwy scyntylatorów • , e+e- →γγ � γ – błysk ze scyntylatora, 110 fotopowielaczy • Dodatkowa informacja z 40 kg CdCl2 w wodzie: • . Fotony z Cd opóźnione o 5 µs. • Wstępny eksperyment: Hanford, za słaby sygnał.

Savannah River (Pd. Karolina), detektor 11 m od reaktora, 12 m pod ziemią, osłona przed prom. kosm.

• Wyniki: 3ν/h, sygnał znika po wyłączeniu reaktora. Oczekiwane σ ≈ 6∙10-44 cm2, zmierzone 6.3∙10-44 cm2.

Clyde Cowan †1974; Frederick Reines Nobel 1995, †1998.

Neutrina słoneczne

• Reakcje fuzji w Słońcu: 2ν na cykl 4p→α. • Oczekiwany strumień na Ziemi 6∙1014/m2/s

Eksperyment Davisa (Kopalnia Homestake w Pd. Dakocie, 380 t C2Cl4) ν37Cl→e37Ar Próg 814 keV

Dalsze eksperymenty z neutrinami słonecznymi

• GALLEX, SAGE: też radiochemiczne, ale ν+71Ga→e+71Ge: niższy próg energii (233 keV), główna część widma ze Słońca.

• Potwierdzenie głównego wyniku: deficyt, rejestracja 30 – 50% oczekiwanych ν!

• Nowe eksperymenty w czasie rzeczywistym: Superamiokande: 50 kt wody, walec otoczony fotopowielaczami, Czerenkow: e z νn→ep.

• Użyty także do ν „atmosferycznych” – na potem • SNO – wyjaśnienie zagadki. Przyszłość:

BOREXINO – czas rzeczywisty, próg jak SAGE.

Eksperyment Superkamiokande

Superkamiokande

Promieniowanie kosmiczne

• Odkrycie: Hess 1912 wzrost jonizacji (rozładowanie elektroskopu) z wysokością

• Skład na poziomie morza: γ, e-, potem e+, µ, π, K, Λ, Σ... (odkrywane w p.k.)

• To cząstki produkowane w oddziaływaniach z atmosferą pierwotnego promieniowania kosmicznego i produkty rozpadów tych cząstek

• Skład p.p.k.: 95% p, 4.5% α, 0.5% cięższe jądra • Widmo energii E-2.7 do 1015 eV, E-3 do 1020 eV • Obcięcie GZK energii p.p.k. – na potem

Strumień pierwotnego promieniowania kosmicznego

Techniki detekcji promieniowania kosmicznego

• Detekcja zwykle albo cząstek jonizujących na Ziemi (w górach?), albo światła Czerenkowa lub fluorescencji N2 z kaskady w atmosferze.

• Pierwszy „uniwersalny”: Auger w Argentynie • 1600 detektorów w siatce o powierzchni około

3000 km2, (10 wielkich miast) ułożonych regularnie w odstępach 1.5 km, każdy ze zbiornikiem 12 ton wody obudowanym fotopowielaczami (Czerenkow), radiotransmisja.

• 4 teleskopy fluorescencji powietrza z kaskady.

Mapa eksperymentu Auger - Sud

Schemat przypadków Auger

Nowe wyniki eksperymentu Auger

• Potwierdzenie obcięcia energii wynikającego z progu na produkcję π w zderzeniach z fotonami promieniowania reliktowego (Greisen – Zacepin – Kuzmin):

(E + Eγ)2−(p-pγ)2c2 ≥ (mp+mπ)2c4 → E≥1021eV • Korelacja cząstek o E>50 EeV z AGN • Zmiana profilu kaskady dla E>50 EeV ;

dominacja ciężkich jonów?? • Plany: Auger Nord w Teksasie

Neutrina atmosferyczne

Główne produkty zderzeń protonów p.p.k. z jądrami tlenu i azotu atmosfery: mezony π.

Główne rozpady π+/-→µ+/-νµ; µ→eνµνe Zatem dla energii π poniżej kilku GeV strumień

neutrin/antyneutrin mionowych dwukrotnie większy niż elektronowych.

Przy wyższych energiach część mionów nie rozpada się, stosunek strumieni wyższy.

Nazwa „neutrina atmosferyczne”.

Odkrycie oscylacji neutrin w Superkamiokande

• Elektrony i miony produkowane przez neutrina w zbiorniku Superkamiokande dają pierścienie Czerenkowa łatwo rozróżnialne (ostre dla mionów, rozmyte dla elektronów)

• Łatwe wyznaczenie stosunku R strumieni νµ/νe. • Atmosfera nad- i pod zbiornikiem symetryczna;

stosunek strumieni nie! Deficyt mionów „z dołu”. • Tłumaczenie: neutrina mionowe na drodze przez

Ziemię zmieniają się w taonowe (niewidzialne w Superkamiokande, bo taony rozpadają się).

Oscylacje neutrin - ogólnie • Jeśli masa neutrin różna od zera, stany o określonej

masie νi to na ogół nie stany o określonym „zapachu” (np. νµ/e z π→µ/e +νµ/e).

• Macierz mieszania PMNS (Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata): νi = Σ UPMNS

iανα. • Propagacja stanów zależna od masy; dla E»mc2

Ei≈mic2+p2/(2mic2); czynnik exp(iEt/c) daje oscylacje różnych wkładów, a więc „zapach” oscyluje: np. P(νµ→ντ) = |ΣUµi*Uτiexp(-imi

2L/2E)|2

• Pierwotnie proponowane do wyjaśnienia deficytu neutrin słonecznych; bezpośrednia ewidencja – atmosferyczne.

Oscylacje neutrin: zastosowania, wyniki

• W ogólnym wzorze naprawdę istotne tylko różnice kwadratów mas. Dla 3 stanów 2 różnice, jeśli jedna znacznie mniejsza, to dla niezbyt dużych L tylko druga ważna.

• Tak jest dla neutrin atmosferycznych: P(νµ→ντ)≈sin22θ sin2(1.27∆m2L/E), gdzie m w eV, L w km, E w GeV. Θ≈π/4; ∆m23

2≈10-3 eV2, więc P wyraźnie różne od 0 dla E rzędu GeV, L rzędu RZ. Potwierdzone eksperymentami akceleratorowymi!

Akceleratorowy eksperyment neutrinowy CNGS (CERN – Gran Sasso)

Potwierdzenie oscylacji neutrin w danych słonecznych

• Eksperyment Superkamiokande + SNO: Pomiar liczby e w SK mierzy głównie strumień νe i potwierdza deficyt w porównaniu z modelami Słońca, jak Homestake, GALLEX, SAGE.

• SNO: 1 kt ciężkiej wody; wszystkie ν aktywne w rozszczepianiu d rejestrowanym przez emisję γ przy wychwycie n. Porównując częstość zdarzeń w ciężkiej i zwykłej wodzie można rozróżnić e z νe+n→e+p oraz ν+e→ν+e (gdzie też wszystkie ν aktywne) i sprawdzić, że strumień wszystkich ν jest zgodny z modelami Słońca. Deficyt tylko νe!

Detektor SNO

Podsumowanie • Mimo wspaniałego rozwoju technik

akceleratorowych, konstrukcji wiązek wtórnych, budowy pierścieni zderzających e+e-, pp, ep, p¯p, perspektyw zderzaczy mionów…

• Eksperymenty nieakceleratorowe, które przyniosły już wiele cennych odkryć, pozostają równie ważne, a niekiedy niezastąpione!

• Reaktorowe strumienie neutrin porównywalne z akceleratorowymi, lub intensywniejsze!

• Energia protonów kosmicznych rzędu setek EeV oznacza ECM rzędu PeV, wciąż nieosiągalne w akceleratorach!