Wszechświat cząstek elementarnychWszechświat cząstek elementarnychdla przyrodnikówdla przyrodników

WYKŁAD 8 WYKŁAD 8 2626.IV.2010.IV.2010 Maria Krawczyk, Wydział Fizyki UW Maria Krawczyk, Wydział Fizyki UW

Mieszanie kwarków i nie tylkoMieszanie kwarków i nie tylko Neutrina – mieszanie i oscylacjeNeutrina – mieszanie i oscylacje

Mieszanie Mieszanie Mieszanie jest naturalne w mechanice kwantowej. Wiąże się Mieszanie jest naturalne w mechanice kwantowej. Wiąże się

z faktem, że cząstki mają własności falowe.z faktem, że cząstki mają własności falowe.

Wiemy, że jeżeli są dwa sposoby dotarcia cząstki do Wiemy, że jeżeli są dwa sposoby dotarcia cząstki do detektora to musimy oba te sposoby uwzględnić:detektora to musimy oba te sposoby uwzględnić:

dodajemy amplitudy prawdopodobieństwa dla obu dodajemy amplitudy prawdopodobieństwa dla obu „kanałów”. Amplitudy mogą się wygaszać lub „kanałów”. Amplitudy mogą się wygaszać lub wzmacniać (interferencja itp.)wzmacniać (interferencja itp.)

(Jeśli cząstka rozpadnie się po drodze na inne cząstki uwzględniamy (Jeśli cząstka rozpadnie się po drodze na inne cząstki uwzględniamy ten fakt, a prawdopodobieństwo obliczamy dla całego procesu) ten fakt, a prawdopodobieństwo obliczamy dla całego procesu)

Analizowaliśmy interferencję dla zderzenia, w którym Analizowaliśmy interferencję dla zderzenia, w którym stan początkowy i stan końcowy są ustalone stan początkowy i stan końcowy są ustalone

np. W e- W e- , a różne kanały możliwe→np. W e- W e- , a różne kanały możliwe→

MieszanieMieszanie - tu dany stan może przekształcić się w inny, - tu dany stan może przekształcić się w inny, ale całkowite prawdopodobieństwo jest równe 1ale całkowite prawdopodobieństwo jest równe 1

Mieszanie dla oddziaływania słabegoMieszanie dla oddziaływania słabego

Cząstki (p i n) oraz (neutrino elektronowe Cząstki (p i n) oraz (neutrino elektronowe i elektron) występują w parach (i elektron) występują w parach (dubletydublety) ) np. w rozpadzie neutronu np. w rozpadzie neutronu

nn

pp

e-e-

ννee

rozpad rozpad ββ

Oddziaływania słabe Oddziaływania słabe fundamentalnefundamentalne

rozpad rozpad ββ

Akty oddziaływania: Akty oddziaływania: d u W→d u W→ -- i W i W-- e-→ e-→ ννe e opisuje stała sprzężenia opisuje stała sprzężenia gg (g -„ładunek słaby”) (g -„ładunek słaby”) α αww= g= g22/4 /4 ππ =1/32 =1/32

d W-d W- ννee

uu

e-e-

Dwie 'lekkie' rodziny Dwie 'lekkie' rodziny

Kwarki o ład. el. 2/3 Kwarki o ład. el. 2/3 uu cc -1/3 -1/3 dd ss Leptony 0 Leptony 0 ννe e ννµµ

-1 -1 e e µµ

Przeanalizujmy Przeanalizujmy (formalnie, tzn abstrahując od tego, czy starczy(formalnie, tzn abstrahując od tego, czy starczy na to energii, czy też jest to tylko proces wirtualny) na to energii, czy też jest to tylko proces wirtualny) przejścia przejścia

między kwarkami w dubletach między kwarkami w dubletach u d, c s ↔ ↔u d, c s ↔ ↔

z udziałem naładowanego bozonu W, np. z udziałem naładowanego bozonu W, np.

d u W→d u W→ --, c s W→, c s W→ ++

Rozważymy również przejścia dla dubletu leptonów Rozważymy również przejścia dla dubletu leptonów np. e- →np. e- → ννee W W--, , ννee e W→ e W→ ++

Stała sprzężenia gStała sprzężenia g Teoria: sprzężenia bozonu W do kwarków i leptonów sąuniwersalne, tzn wartość bezwzględna stałej sprzężenia gjest taka sama dla wszystkich elementarnych aktów oddz.słabego (np. u → d W+, W- → e-νe ), ale mogą miećróżne znaki, tak jak dla oddz. e-m - różne znaki (ładunki)

PrawdopodobieństwoPrawdopodobieństwo przejściaprzejścia np. kwarku u w np. kwarku u w kwark d (transition probability) jest proporcjonalne kwark d (transition probability) jest proporcjonalne do kwadratu g – do kwadratu g – zawsze dodatnie.zawsze dodatnie.

Niech LNiech L = amplituda przejścia kwarków w dublecie = amplituda przejścia kwarków w dublecie lub między leptonami w dublecie: lub między leptonami w dublecie: wartość bezwzględna wartość bezwzględna L ~ g ~ gPrawdopodobieństwo przejścia: LPrawdopodobieństwo przejścia: L22 ~ g ~ g22/4/4ππ

Porównanie prawdopodobieństw przejśćPorównanie prawdopodobieństw przejść u c u c ννee

LL LL LL W +/-W +/-

d s ed s e

Teoria SU(2) prawdopodobieństawa tych przejść →Teoria SU(2) prawdopodobieństawa tych przejść →((ozn. ppozn. pp) takie same = L) takie same = L2 2

Doświadczenie (1963)→Doświadczenie (1963)→różnicaróżnica między przejściami między przejściami

pp [u d W→pp [u d W→ + + ]]+ pp [u s W→+ pp [u s W→ ++]]== pp [pp [ννee → → ee WW++]]Czyli mamy Czyli mamy mieszanie się kwarku smieszanie się kwarku s do procesu do procesu emisji W+ z kwarku emisji W+ z kwarku u u mieszanie się członka z innej rodzinymieszanie się członka z innej rodziny

Mieszanie s i d - kąt Cabibbo Mieszanie s i d - kąt Cabibbo φφc c

Kwark Kwark uu sprzęga się do sprzęga się do s i ds i d ( (defdef..LL22= pp [= pp [ννee → → e-e- WW++]]))

s 's 'czysta teoria'czysta teoria' 'fakty''fakty' wektor wektor LL bb d d φφ LL a a

aa22+b+b22==LL22 Doświadczenie: Doświadczenie: φφcc=12.7=12.7oo°°

ss

dd

Nicola Cabibbo 1963Nicola Cabibbo 1963

czyli sprzężenia suW ~b=g sin (czyli sprzężenia suW ~b=g sin (φφcc) i duW ~a=g cos () i duW ~a=g cos (φφcc) )

Podobnie dla rozpadu kwarku c Podobnie dla rozpadu kwarku c na d i sna d i s

Sprzężenie kwarku Sprzężenie kwarku cc do do d i sd i s

s s wektor Lwektor L φ φcc dd

czyli sprzężenia dcW ~ - g sin (czyli sprzężenia dcW ~ - g sin (φφcc) i scW ~ g cos () i scW ~ g cos (φφcc))

Kąt Cabbibo – opisuje mieszanie między Kąt Cabbibo – opisuje mieszanie między pierwszą i drugą rodziną kwarkówpierwszą i drugą rodziną kwarków

Kąt Cabibbo potrzebny do opisu danych – Kąt Cabibbo potrzebny do opisu danych – Ale: dlaczego taki? skąd się bierze mieszanie? czy Ale: dlaczego taki? skąd się bierze mieszanie? czy przyczyną cząstka Higgsa?przyczyną cząstka Higgsa? Prawdopodobnie...Prawdopodobnie...

Sytuacja jest bardziej skomplikowana, bo w praktyce Sytuacja jest bardziej skomplikowana, bo w praktyce mieszanie występuje miedzy trzema rodzinami mieszanie występuje miedzy trzema rodzinami kwarków i do opisu kwarków i do opisu potrzebna macierz 3 x 3 (unitarna) potrzebna macierz 3 x 3 (unitarna)

→ → macierz Cabibbo– Kobayashi–Maskawamacierz Cabibbo– Kobayashi–Maskawa (CKM) (CKM) 4 parametry: 3 kąty (w tym jeden kąt Cabibbo)+faza4 parametry: 3 kąty (w tym jeden kąt Cabibbo)+faza (tzn. jedno ze sprzężeń jest liczbą zespolona)(tzn. jedno ze sprzężeń jest liczbą zespolona)

Taką macierz zapostulowano (Kobayashi i Maskawa Taką macierz zapostulowano (Kobayashi i Maskawa w 1973 r) zanim odkryto trzecią rodzinę! Bo istniejącew 1973 r) zanim odkryto trzecią rodzinę! Bo istniejące dane tego wymagały (dokładnie wymagały zespolonejdane tego wymagały (dokładnie wymagały zespolonej stałej sprzężenia!) stałej sprzężenia!)

Macierze mieszania kwarkówMacierze mieszania kwarków

Macierz 2x2 (obrót wektora L)Macierz 2x2 (obrót wektora L)

d d coscosφφcc sin sinφφcc d d s s -sin-sinφφcc cos cosφφcc s s

Macierz 3 x 3 Macierz 3 x 3

d . . . dd . . . d s . . . ss . . . s b . . . b b . . . b

→ →

→ →

podobne mieszanie dla kwarków górnych u,c,tpodobne mieszanie dla kwarków górnych u,c,t

Kobayashi i MaskawaKobayashi i MaskawaZa wyjaZa wyjaśśnienie zjawiska naruszenia symetrii minienie zjawiska naruszenia symetrii mięędzy materidzy materiąąi antymaterii antymateriąą, tzw. łamania symetrii CP, zaobserwowanego, tzw. łamania symetrii CP, zaobserwowanegow rozpadach mezonów K w eksperymencie Fitcha i Cronina w 1964. w rozpadach mezonów K w eksperymencie Fitcha i Cronina w 1964. Kobayashi i Maskawa wykazali w 1973 r.,Kobayashi i Maskawa wykazali w 1973 r., że że efekt łamania CP można efekt łamania CP można wyja wyjaśśninićć, jeżeli w przyrodzie wyst, jeżeli w przyrodzie wystęępująpują trzy pary kwarków.trzy pary kwarków.

A znano wtedy tylko trzy kwarki (dwa z pierwszej i kwark dziwny z A znano wtedy tylko trzy kwarki (dwa z pierwszej i kwark dziwny z drugiej generacji). Odkrycie w 1977 r. „pidrugiej generacji). Odkrycie w 1977 r. „pięęknego” kwarku b i leptonu knego” kwarku b i leptonu tau (1975) z trzeciej generacji uwiarygodniły mechanizm tau (1975) z trzeciej generacji uwiarygodniły mechanizm Kobayashiego-Maskawy. Kobayashiego-Maskawy.

Protesty fizyków- dlaczego Cabibbo nie dostał nagrody ?!Protesty fizyków- dlaczego Cabibbo nie dostał nagrody ?!Jednak tu nie chodziło tylko o mieszanie, ale o to, że dopiero przy 3 Jednak tu nie chodziło tylko o mieszanie, ale o to, że dopiero przy 3 rodzinach (tzn w macierzy 3 x 3) może się pojawić faza (zespolony rodzinach (tzn w macierzy 3 x 3) może się pojawić faza (zespolony element macierzowy), konieczna do wyjaśnienia łamania symetrii CP.element macierzowy), konieczna do wyjaśnienia łamania symetrii CP.

Nobel' 2008Nobel' 2008

Przykład: rozpad b → s Przykład: rozpad b → s γγ

Bardzo precyzyjny pomiar i bardzo precyzyjneBardzo precyzyjny pomiar i bardzo precyzyjneobliczenia teroretyczne dla tego procesuobliczenia teroretyczne dla tego procesu

b u, c, t b u, c, t s s

WW--γγ

mieszanie u, c, t mieszanie u, c, t uwzględniamyuwzględniamy

Bez mieszaniaBez mieszaniaten proces nie zachodzi ! ten proces nie zachodzi ! Tu prócz sprzężenia b WTu prócz sprzężenia b W-- t t mamy b Wmamy b W--u oraz bWu oraz bW--c c (oraz w drugim wierzchołku sW(oraz w drugim wierzchołku sW--c,sWc,sW--u,sWu,sW--t)t)

Czy dla przejść z bozonem Z też Czy dla przejść z bozonem Z też mamy mieszanie kwarków? mamy mieszanie kwarków?

Przejścia bez zmiany ład. elektrycznego, np.Przejścia bez zmiany ład. elektrycznego, np. d d Z→d d Z→

A czy jest mieszanie: czyli czy istnieje przejście:A czy jest mieszanie: czyli czy istnieje przejście: d s Z? →d s Z? →

NIE! NIE! (Nazwa dla takich procesów: Flavour changing neutral current FCNC) (Nazwa dla takich procesów: Flavour changing neutral current FCNC)

Dlaczego? nie wiemy (Higgs?)Dlaczego? nie wiemy (Higgs?) CZY JEST MIESZANIE LEPTONÓWCZY JEST MIESZANIE LEPTONÓW ? Nie? Jeśli ? Nie? Jeślineutrina nie maja masy to nie ma, a jeśli mają toneutrina nie maja masy to nie ma, a jeśli mają tojest. jest. O tym więcej poniżejO tym więcej poniżej

Mieszanie bozonów cechowania Mieszanie bozonów cechowania - też?!- też?! Tak. Fizyczne neutralne bozony Z i foton Tak. Fizyczne neutralne bozony Z i foton są mieszankami wyjściwych bozonów cechowania są mieszankami wyjściwych bozonów cechowania

grup SU(2) i U(1) →grup SU(2) i U(1) → kąt Weinberga opisuje to mieszaniekąt Weinberga opisuje to mieszanie

„ „Mieszanka” Z sprzęga się do neutrin, a „mieszanka” Mieszanka” Z sprzęga się do neutrin, a „mieszanka” foton nie (destrukcja amplitud prawdopodobieństwa!) foton nie (destrukcja amplitud prawdopodobieństwa!)

Porównując prawdopodobieństwo procesów możemy Porównując prawdopodobieństwo procesów możemy wyznaczyć kąty mieszania: wyznaczyć kąty mieszania:

kąt Cabibbo: u d W+ i →kąt Cabibbo: u d W+ i → ννee e W+→ e W+→

kąt Weinberga: u d W+ i u u Z→ →kąt Weinberga: u d W+ i u u Z→ →

Rozpraszanie bozonów WRozpraszanie bozonów W na kwarkach - na kwarkach - zachowanie dla dużych energii zachowanie dla dużych energii

Zastępując eZastępując e-- przez kwark s przez kwark s (analiza jak w wykładzie 6)(analiza jak w wykładzie 6)

WW++ W W++ W W++ W W++

XX s d s ds d s d

Zachowanie ładunku: cząstka XZachowanie ładunku: cząstka X z ładunkiem elektr. -4/3 z ładunkiem elektr. -4/3

nie nie istnieje !istnieje !

Czyli zachowanie złe (amplituda): ECzyli zachowanie złe (amplituda): E22 ( (√√E)E)22 1/E = E 1/E = E22

uu

Diagram z bozonem ZDiagram z bozonem Z

WW++ W W++

ZZ

s ds d

Ten proces nie istnieje Ten proces nie istnieje – brak 'prądów' – brak 'prądów' neutralnych ze zmianą neutralnych ze zmianą zapachu w przyrodzie!zapachu w przyrodzie!

„ „absence of FCNC”absence of FCNC”

Diagram z bozonem Z – tu nic nie pomoże Diagram z bozonem Z – tu nic nie pomoże

Nowy diagram z kwarkiem cNowy diagram z kwarkiem c(możliwy bo mieszanie kwarków s i d) (możliwy bo mieszanie kwarków s i d)

WW+ + WW++

cc

s d s d

Sprzężenia:Sprzężenia:

sc W jak du W: cos(sc W jak du W: cos(φφcc)) cd W : -sin(cd W : -sin(φφcc) ) dzięki minusowi kasowaniedzięki minusowi kasowanie złego zachowania dlazłego zachowania dla dużych energii dużych energii dla dla W+ s u W+ d→ →W+ s u W+ d→ →

Komentarz: odkrycie kwarku cKomentarz: odkrycie kwarku c

Dodajmy proces w kwarkiem c Dodajmy proces w kwarkiem c WW++ s c W→ → s c W→ → ++ d d Historycznie (1964) to był tylko postulat o istnieniu Historycznie (1964) to był tylko postulat o istnieniu

kwarku c kwarku c o określonych własnościach, m.in kąt Cabibbo..o określonych własnościach, m.in kąt Cabibbo..tak aby m.in. kasowały się człony ~Etak aby m.in. kasowały się człony ~E22

Kwark c odkryty w 1974 r miał te własności– Kwark c odkryty w 1974 r miał te własności– sukces teorii !sukces teorii !

Mieszanie kwarkówMieszanie kwarków

IstniejeIstnieje WażneWażne Brak głębszego zrozumienia – opisujemy, Brak głębszego zrozumienia – opisujemy, ale nie wiemy skąd pochodzi (Higgs?) ale nie wiemy skąd pochodzi (Higgs?)

To jest „problem zapachu” To jest „problem zapachu”

Słońce świeci neutrinami e- → Słońce świeci neutrinami e- → ννee W- W---

e- →e- → ννee W W-- więc również proces więc również proces ννee W→ W→ ++ e- możliwy e- możliwyWykorzystujemy to w doświadczeniach z neutrinamiWykorzystujemy to w doświadczeniach z neutrinamisłonecznymi. Jeśli nie ma mieszania – zawsze słonecznymi. Jeśli nie ma mieszania – zawsze ννee

do nas dotrzedo nas dotrze

Mieszanie umożliwia zamianę neutrin elektronowych Mieszanie umożliwia zamianę neutrin elektronowych na neutrina muonowe i taonowe. Są na to dowody -na neutrina muonowe i taonowe. Są na to dowody - dociera do nas mniej dociera do nas mniej ννee niż emituje Słońce. niż emituje Słońce.

Jeżeli masy neutrin różne to inny czas docierania naJeżeli masy neutrin różne to inny czas docierania naZiemię i docierająca „mieszanka” jest innaZiemię i docierająca „mieszanka” jest inna (gdy masy takie same- mimo mieszania – nie dowiemy się o tym) (gdy masy takie same- mimo mieszania – nie dowiemy się o tym)

NeutrinaNeutrina

http://www.gresham.ac.uk/event.asp?PageId=108&EventId=8http://www.gresham.ac.uk/event.asp?PageId=108&EventId=8

F. CloseF. Close

Neutrinos:Neutrinos:Ghost ParticlesGhost Particles of the Universeof the Universe

polecam wideo i audiopolecam wideo i audio

NEUTRINONEUTRINO "Zrobiłem straszną rzecz. Zapostulowałem istnienie cząstek, "Zrobiłem straszną rzecz. Zapostulowałem istnienie cząstek,

które nie mogą być odkryte..." - W. Pauli które nie mogą być odkryte..." - W. Pauli 1930: 1930: Pauli → nazwa Pauli → nazwa neutron, masa zero,neutron, masa zero, zakład o zakład o

skrzynkę szampana, że nie zostanie odkryta skrzynkę szampana, że nie zostanie odkryta 1933: Fermi → teoria rozpadu beta i nazwa 1933: Fermi → teoria rozpadu beta i nazwa neutrinoneutrino Neutrina bardzo słabo oddziałują – musimy liczyć na bardzoNeutrina bardzo słabo oddziałują – musimy liczyć na bardzo dużą ich liczbę, żeby jakiemuś zdarzyło się oddziałać.dużą ich liczbę, żeby jakiemuś zdarzyło się oddziałać. Lata 50-te XX w - w reaktorach atomowych zachodzi wieleLata 50-te XX w - w reaktorach atomowych zachodzi wiele rozpadów beta i powstaje bardzo dużo antyneutrin elekro-rozpadów beta i powstaje bardzo dużo antyneutrin elekro-

nowych. Zmuszenie tych neutrin do określonego nowych. Zmuszenie tych neutrin do określonego oddziaływania (odwrotny proces beta) w wodzie → odkrycie oddziaływania (odwrotny proces beta) w wodzie → odkrycie Reines, CowanReines, Cowan

W 1956 Pauli przysłał skrzynkę szampana... W 1956 Pauli przysłał skrzynkę szampana...

Odkrycie neutrin elektronowegoOdkrycie neutrin elektronowego

A. Pigulski, Festiwal Nauki' 2003A. Pigulski, Festiwal Nauki' 2003

Źródła neutrinŹródła neutrin

Sztuczne: reaktory 5 x 10 Sztuczne: reaktory 5 x 10 2020 neutrin /s neutrin /s (również wybuchy jądrowe) (również wybuchy jądrowe) Słońce: 2 x10 Słońce: 2 x10 3838 neutrin /s neutrin /s (w kierunku Ziemi 60 mld neutrin/cm(w kierunku Ziemi 60 mld neutrin/cm22/s) /s) Ziemia (naturalna promieniotwórczość):Ziemia (naturalna promieniotwórczość): 80 mln neutrin/cm80 mln neutrin/cm22/s/sWielki Wybuch, surpernowe itpWielki Wybuch, surpernowe itpMy sami !?My sami !? Poniżej neutrina i antyneutrina określam jako Poniżej neutrina i antyneutrina określam jako

neutrina, o ile nie prowadzi to do nieporozumieńneutrina, o ile nie prowadzi to do nieporozumień

800 mln800 mln

4000 4000

Nasze ciałoNasze ciało

W ciągu 1 sekdociera do naszego ciała (1 m2 powierzchni)

-600 bln neutrin ze Słońca-800 mln neutrin z Ziemi-My też produkujemy 4000 neutrin(340 mln neutrin dziennie)

600 000 mld 600 000 mld

Fotony potrzebują 100 tys. lat aby się Fotony potrzebują 100 tys. lat aby się wydostać z wnętrza Słońca, a neutrina wydostać z wnętrza Słońca, a neutrina kilka sekundkilka sekund

Wyjątkowa rola neutrin jako bezpośredniego (bo prawie nieoddziałującego)nośnika informacji

Obserwacja neutrin i zagadka Obserwacja neutrin i zagadka neutrin słonecznychneutrin słonecznych

Obserwacja neutrin - bardzo blisko silnego źródła (reaktory) Obserwacja neutrin - bardzo blisko silnego źródła (reaktory) albo ogromne i dobrze osłonięte przed promieniowaniem albo ogromne i dobrze osłonięte przed promieniowaniem kosmicznym, np. w głębokich kopalniach, detektorykosmicznym, np. w głębokich kopalniach, detektoryNeutrina słoneczne: Neutrina słoneczne: w 2002 nagroda Nobla dla R. Davisa i M. Koshiby. w 2002 nagroda Nobla dla R. Davisa i M. Koshiby. Lata 60e XXw R. Davis → budowa detektora w kopalni złota w Lata 60e XXw R. Davis → budowa detektora w kopalni złota w Homestake, w Poludniowej Dakocie, na głębokości 1500 m. Pomysł Homestake, w Poludniowej Dakocie, na głębokości 1500 m. Pomysł włoskiego fizyka B. Pontecorvo,rejestrowanie neutrin słonecznych dzięki włoskiego fizyka B. Pontecorvo,rejestrowanie neutrin słonecznych dzięki ich oddziaływaniu z jądrem chloru, które prowadzi do powstania jąder ich oddziaływaniu z jądrem chloru, które prowadzi do powstania jąder argonu. Wykryto kilkunaście atomów argonu powstałych w 600 tonach argonu. Wykryto kilkunaście atomów argonu powstałych w 600 tonach płynu do czyszczenia (!), zawierającego chlor (30 lat zbierania danych).płynu do czyszczenia (!), zawierającego chlor (30 lat zbierania danych). Zagadka: liczba neutrin docierająca do Ziemi była znacznie Zagadka: liczba neutrin docierająca do Ziemi była znacznie mniejsza niż przewidywana teoretycznie. Ale których neutrin?mniejsza niż przewidywana teoretycznie. Ale których neutrin?

antyneutrino el.antyneutrino el.

F. CloseF. Close

W słońcu powstają neutrina elektronoweW słońcu powstają neutrina elektronowe

+ 25 MeV+ 25 MeV

Deficyt neutrin słonecznych Deficyt neutrin słonecznych i atmosferycznychi atmosferycznych

Deficyt (brak) w docierajacym na Ziemię strumieniu neutrin elektronowych, pochodzacych ze Słońca W strumieniu neutrin wytwarzanych w atmosferze

(neutrina atmosferyczne) występuje deficyt neutrin mionowych.

W obu wypadkach brakuje neutrin, ale gdyby po drodze od źródła do detektora nastąpiła zamiana typu (zapachu) neutrina, to można wytłumaczyć ten deficyt, bo rejestracja nastawiona na określony typ neutrin, np. elektronowych. Zamiana typu neutrin przy propagacji → oscylacja

(idea Pontecorvo z 1957)

Neutrina atmosferyczneNeutrina atmosferyczneD.KiełczewskaD.Kiełczewska

Super Super - - KamioKamiokandekande

Neutrina atmosferyczneNeutrina atmosferycznez góry i z dołuz góry i z dołu

Porównania strumieni neutrin przychodzących od dołu Porównania strumieni neutrin przychodzących od dołu (przez całą kulę ziemską) i z góry do detektora(przez całą kulę ziemską) i z góry do detektora

D.KiełczewskaD.Kiełczewska

ννee

ννμμ

zbyt słabezbyt słabe

Oscylacje a niezerowe masy neutrin. Oscylacje a niezerowe masy neutrin. Mieszanie Mieszanie

Można to (oscylacje) wyjaśnić jeśli założymy, że

1/ neutrina mają niezerową masę (choćby jedno z 3 neutrin). Stany neutrinowe o określonych masach oznaczamy przez ν1, ν2, ν3

2/ neutrina νe, νµ, ντ, oddziałujące z e, µ, τ (z udziałem W+/- ) są „mieszankami” tych neutrin ν1, ν2, ν3

3/ propagacja się w przestrzeni stanów o określonej energii i masie skład „mieszanki” zmienia się w →czasie propagacji

D. KiełczewskaD. Kiełczewska

Prawdopodobieństwo oscylacji neutrin typu Prawdopodobieństwo oscylacji neutrin typu α α w typw typ β: β:

θθ

θθ

BUT if neutrinos have mass, they can oscillate back and forthBUT if neutrinos have mass, they can oscillate back and forth

F. CloseF. Close

http://www.fuw.edu.pl/~neutrina/oscylacje_neutrin.htmlhttp://www.fuw.edu.pl/~neutrina/oscylacje_neutrin.html

Dane pozwalają wyznaczyć różnice kwadratów mas Dane pozwalają wyznaczyć różnice kwadratów mas neutrin w funkcji kąta mieszania neutrin w funkcji kąta mieszania θθ

Czułość na oscylacje dla neutrin różnego pochodzeniaCzułość na oscylacje dla neutrin różnego pochodzenia

Neutrinowe zdjęcie SłońcaNeutrinowe zdjęcie Słońca

Oscylacje neutrinOscylacje neutrin Wiązki neutrin z laboratoriów (CERN,Fermilab,KEK) Mierzymy strumień w pobliżu Mierzymy strumień setki km dalej

Dowody na znikanie neutrin z wiązki

Program badawczy aby zrozumieć masy neutrin, ich mieszanie, a może nawet występowanie 3 rodzin...

Wyniki: Wyniki: obszary obszary wykluczone na wykluczone na 95% z różnych 95% z różnych eksperymentóweksperymentów

http://pdg.lbl.gov/2009/figures/figures.html

24.02.2010 24.02.2010

Pierwsze przypadek neutrin z wiązki Pierwsze przypadek neutrin z wiązki T2K w detektorze Super-KamiokandeT2K w detektorze Super-Kamiokande

http://neutrino.fuw.edu.pl/node/363http://neutrino.fuw.edu.pl/node/363

„„Oddziaływanie nastąpiło dokładnie w czasie, Oddziaływanie nastąpiło dokładnie w czasie, kiedy spodziewane było przyjście wiązki. kiedy spodziewane było przyjście wiązki. Zarejestrowano trzy pierścienie Zarejestrowano trzy pierścienie czerenkowskie, dwa z nich pochodzą czerenkowskie, dwa z nich pochodzą najprawdopodobniej z rozpadu pionu najprawdopodobniej z rozpadu pionu neutralnego powstałego w wyniku neutralnego powstałego w wyniku oddziaływania neutrina.oddziaływania neutrina.

II8.01 Kąt Cabibbo opisuje mieszanie kwarku d z kwarkiem s, czy kwarku u z8.01 Kąt Cabibbo opisuje mieszanie kwarku d z kwarkiem s, czy kwarku u z kwarkiem d?kwarkiem d?

I8.02 Ile wynosi kąt Cabibbo?I8.02 Ile wynosi kąt Cabibbo?

I8.03 Podaj sprzężenie kwarku c do kwarku d z uwzględnieniem mieszania jedynieI8.03 Podaj sprzężenie kwarku c do kwarku d z uwzględnieniem mieszania jedynie

między pierwszą i drugą rodziną. Jaki jest jego znak?między pierwszą i drugą rodziną. Jaki jest jego znak?

I8.04 Co opisuje macierz Cabibbo-Kobayashi-Maskawa?I8.04 Co opisuje macierz Cabibbo-Kobayashi-Maskawa?

I8.05 Czy obserwuje się mieszanie kwarku b z kwarkiem d?I8.05 Czy obserwuje się mieszanie kwarku b z kwarkiem d?

I8.06 Ile parametrów ma macierz Cabibbo-Kobayashi-Maskawa?I8.06 Ile parametrów ma macierz Cabibbo-Kobayashi-Maskawa?

I8.07 Czy N. Cabibbo dostał nagrodę Nobla?I8.07 Czy N. Cabibbo dostał nagrodę Nobla?

I8.08 Czy możliwy jest proces przejścia kwark u w kwark c: u I8.08 Czy możliwy jest proces przejścia kwark u w kwark c: u → → c Z?c Z?

I8.09 Jak można wyznaczyć kąt Cabibbo?I8.09 Jak można wyznaczyć kąt Cabibbo?

I8.10 Czy kąt Weinberga opisuje mieszanie kwarków ?I8.10 Czy kąt Weinberga opisuje mieszanie kwarków ?

I8.11I8.11 J Jakie znasz sztuczne żródła neutrin?akie znasz sztuczne żródła neutrin?

I8.12 Ile neutrin promieniuje Słońce w ciagu 1 sekundy?I8.12 Ile neutrin promieniuje Słońce w ciagu 1 sekundy?

I8.13 Ile neutrin promieniują neutrin na 1 cm2 naturalne źródła ziemskie w ciągu doby?I8.13 Ile neutrin promieniują neutrin na 1 cm2 naturalne źródła ziemskie w ciągu doby?

I8.14 Czy człowiek promieniuje neutrinami?I8.14 Czy człowiek promieniuje neutrinami?

I8.15 Dlaczego neutrina nie robią nam krzywdy?I8.15 Dlaczego neutrina nie robią nam krzywdy?

I8.16 Czy fotony przenikają przez nasze ciało (na wylot?)I8.16 Czy fotony przenikają przez nasze ciało (na wylot?)

I8.17 Czy fotony dostarczają bezpośredniej informacji o wnętrzu Słońca?I8.17 Czy fotony dostarczają bezpośredniej informacji o wnętrzu Słońca?

I8.18 Na czym polega zagadka neutrin słonecznych?I8.18 Na czym polega zagadka neutrin słonecznych?

I8.19 Co to są neutrina atmosferyczne?I8.19 Co to są neutrina atmosferyczne?

I8.20 Czy atmosferyczne neutrina docierają do nas również od dołu – przechodzącI8.20 Czy atmosferyczne neutrina docierają do nas również od dołu – przechodzącprzez całą kulę ziemską?przez całą kulę ziemską?I8.21 Których atmosferycznych neutrin „brakuje” - elektronowych czy mionowych?I8.21 Których atmosferycznych neutrin „brakuje” - elektronowych czy mionowych?I8.22 Co to znaczy: oscylacje neutrin?I8.22 Co to znaczy: oscylacje neutrin?I8.23 Kiedy może dojść do oscylacji-czy mogą zachodzić gdy masy neutrin takie same?I8.23 Kiedy może dojść do oscylacji-czy mogą zachodzić gdy masy neutrin takie same?I8.24 Czy prawdopodobieństwo zamiany neutrina o określonym zapachu w neutrino oI8.24 Czy prawdopodobieństwo zamiany neutrina o określonym zapachu w neutrino oinnym zapachu zależy od długości drogi, przebywanej przez neutrina?innym zapachu zależy od długości drogi, przebywanej przez neutrina?I8.25 Na jakie różnice kwadratów mas neutrin jesteśmy czuli obserwując neutrinaI8.25 Na jakie różnice kwadratów mas neutrin jesteśmy czuli obserwując neutrinapochodzące z supernowych ? pochodzące z supernowych ?