Oscilace neutrin Nobelova cena za fyziku 2015 Vít Vorobel, ÚČJF MFF UK 12.11.2015 seminar KCHFOP - Vít Vorobel

seminar KCHFOP - Vít Vorobel Nobelova cena za fyziku 2015 Takaaki Kajita Super-Kamiokande Collaboration University of Tokyo, Kashiwa, Japan Arthur B. McDonald Sudbury Neutrino Observatory Collaboration Queen’s University, Kingston, Canada “for the discovery of neutrino oscillations, which shows that neutrinos have mass“ 12.11.2015 seminar KCHFOP - Vít Vorobel

seminar KCHFOP - Vít Vorobel Co jsou neutrina? Druhá nejhojnější částice ve vesmíru 12.11.2015 seminar KCHFOP - Vít Vorobel

seminar KCHFOP - Vít Vorobel Jak se na neutrina přišlo? 1914: β-spectrum is continuous (J. Chadwick) Electron spectrum of RaB+C (214Pb+214Bi) with Eβ up to 3.3 MeV Magnetic spectrometer Two detectors Monoenergetic conversion electrons Counts in Geiger counter Current in ionization chamber Continuous β-spectra 12.11.2015 seminar KCHFOP - Vít Vorobel Electron momentum

seminar KCHFOP - Vít Vorobel (Anti)neutrina z beta-rozpadu Energie rozpadu se rozdělí náhodně mezi elektron a antineutrino nebo mezi pozitron a neutrino. Proto jsou spektra beta-částic i (anti)neutrin spojitá s určitou maximální energií. 1930 Wolfgang Pauli hypotéza existence neutrina 12.11.2015 seminar KCHFOP - Vít Vorobel

seminar KCHFOP - Vít Vorobel Solární neutrina Spektrum slunečních neutrin podle Standardního Solárního Modelu Schema fůzních reakcí a generování neutrin 12.11.2015 seminar KCHFOP - Vít Vorobel

seminar KCHFOP - Vít Vorobel Reaktorová (anti)neutrina Nejintenzivnější zdroje neutrin vyrobené člověkem. Těžké prvky (bohaté na neutrony) se štěpí na středně těžké s přebytkem neutronů. Štěpné produkty se následně rozpadají beta-rozpadem. 12.11.2015 seminar KCHFOP - Vít Vorobel

seminar KCHFOP - Vít Vorobel Atmosférická neutrina Jak v atmosféře vznikají neutrina? Energetické spektrum neutrin 12.11.2015 seminar KCHFOP - Vít Vorobel

seminar KCHFOP - Vít Vorobel Geo-neutrina Vznikají v beta-rozpadu členů radiové a thoriové rozpadové řady a 40K. Spektrum geo-neutrin 12.11.2015 seminar KCHFOP - Vít Vorobel

seminar KCHFOP - Vít Vorobel Neutrina ze super-novy 23.2.1987, 7:35 GMT Supernova SN 1987 (170 000 ly daleko) 12.11.2015 seminar KCHFOP - Vít Vorobel

seminar KCHFOP - Vít Vorobel Urychlovačová neutrina Mionová neutrina s určitou energií Mionová neutrina i antineutrina 12.11.2015 seminar KCHFOP - Vít Vorobel

seminar KCHFOP - Vít Vorobel Celkové spektrum neutrin 12.11.2015 seminar KCHFOP - Vít Vorobel

seminar KCHFOP - Vít Vorobel Detekce neutrin Neutrina interagují s látkou velmi slabě → detektory musí být velké Většinou jsou pod zemí – stínění kosmického záření Velká pozornost věnována dalším zdrojům pozadí → výběr konstrukčních materiálů Metody detekce Čerenkovovy detektory – velký objem vody obklopený fotonásobiči Scintilátory Radiochemické metody 12.11.2015 seminar KCHFOP - Vít Vorobel

Mísení a oscilace neutrin – dvě neutrina Rozlišujeme Vlastní stavy slabé interakce ne, nm Vlastní hmotnostní stavy n1, n2 s hmotnostmi m1, m2 Vývoj ne v čase Pravděpodobnosti detekce ne , nm čase t, pokud vzniklo jako ne 12.11.2015 seminar KCHFOP - Vít Vorobel

Mísení a oscilace neutrin – dvě neutrina Amplituda oscilací = sin²(2θ), Oscilační délka je nepřímo úměrná Δm² 12.11.2015 seminar KCHFOP - Vít Vorobel

Mísení neutrin - základní formalizmus Slabé stavy Hmotnostní stavy Směšovací matice Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata Informace o hmotnosti neutrin (9 parametrů) Hmotnosti (3) Parametry PMNS matice Směšovací úhly (3) Diracova fáze (1) Majoranovy fáze (2) 12.11.2015 seminar KCHFOP - Vít Vorobel

Oscilace neutrin (ve vakuu) n-neutrin 3-neutrina 12.11.2015 seminar KCHFOP - Vít Vorobel

Oscilace neutrin v hmotném prostředí Wolfenstein 1978, Mikheyev-Smirnov 1985 (MSW effect) významný efekt pro sluneční a urychlovačová neutrina Z0 : ne, nm, nt W+: pouze ne Efektivní mi jsou jiná v prostředí než ve vakuu Slunce vyzařuje nejen ne, ale velká část se jich transformuje i do nm, nt Umožňuje vysvětlit deficit slunečních neutrin. 12.11.2015 seminar KCHFOP - Vít Vorobel

seminar KCHFOP - Vít Vorobel Deficit slunečních neutrin ne +37Cl → 37Ar + e- T1/2=35d práh 814 keV 1960 Raymond Davis Jr - první detektor solárních neutrin Homestake - zlatý důl v Lead, jižní Dakota V průměru vznikl v detektoru 1 atom 37Ar za 2 dny 1968 – pozorovaný tok neutrin ~30% předpovědi SSM. ne + 71Ga → 71Ge + e- práh 420 keV GALLEX a GNO v Gran Sasso Laboratory v Itálii SAGE v Baksan Neutrino Observatory, Rusko ~ 50% předpovědi SSM. Nobelova cena 2002 – R. Davis, M. Koshiba a R. Giacconi 12.11.2015 seminar KCHFOP - Vít Vorobel

seminar KCHFOP - Vít Vorobel Deficit slunečních neutrin Čerenkovský detektor Registruje Čerenkovovo záření způsobené vyraženým elektronem. Kamiokande – Kamioka Nucleon Decay Experiment, Japonsko 1000 m pod zemí, registruje i n z 8B, nx + e- → nx + e- , x = e, m, t Reakce je citlivá na všechny typy neutrin (výměna Z0) Dodatečné příspěvky (výměna W) účinný průřez pro ne je ~6x větší než pro nm , nt . Potvrzení deficitu slunečních n 12.11.2015 seminar KCHFOP - Vít Vorobel

seminar KCHFOP - Vít Vorobel Kamiokande nx+ e nx+ e nx nx Ĉ e 12.11.2015 seminar KCHFOP - Vít Vorobel

seminar KCHFOP - Vít Vorobel Sudbury Neutrino Observatory 1984 SNO Sudbury v Ontario, Kanada, McDonald ředitelem od 1990 9500 PMT f20 cm Fáze 1: 1000 t ultra-čisté D2O, kulová nádrž f12 m z plexiskla 1 ne + 2H → e- + p + p (CC) 2 nx + 2H → nx+ p + n x = e, m, t (NC) 3 nx + e- → nx + e- x = e, m, t (ES) Poskytuje tok f(ne) a energetické spektrum Poskytuje celkový tok f(ne) + f(nm) + f(nt) účinný průřez pro ne je ~6x větší než pro nm , nt . Fáze 2: přidání 2 t NaCl – zvýšení účinnosti detekce n Fáze 3: vyčištění od NaCl a instalace detektorů n Výsledky publikovány 2001 a 2002 Potvrzení změny typu neutrin tok neutrin je ve shodě s SSM. Výsledky SNO potvrzeny a upřesněny v KamLAND. 12.11.2015 seminar KCHFOP - Vít Vorobel

seminar KCHFOP - Vít Vorobel Surface: 2 km Phototube Support Structure (PSUP) 1000 tonnes D2O Acrylic Vessel 104 8” PMTs 6500 tonnes H2O 12.11.2015 seminar KCHFOP - Vít Vorobel

Proof of flavour change - SNO CC n + d  p + p + e− e Q = 1.445 MeV good measurement of ne energy spectrum some directional info  (1 – 1/3 cosq) ne only NC x n +  p d Q = 2.22 MeV measures total 8B n flux from the Sun equal cross section for all n types n + e−  n + ES e− x x low statistics mainly sensitive to ne, some n and n strong directional sensitivity 12.11.2015 seminar KCHFOP - Vít Vorobel

seminar KCHFOP - Vít Vorobel Super-Kamiokande 1998 T. Kajita – důkaz oscilací neutrin Super-Kamiokande, 2. generace více než 10x větší než Kamiokande Čerenkovský detektor, 50 000 t vody. Detektor rozliší elektrony od mionů – produkty (CC) reakcí s ne , nm Nelze rozlišit neutrina od antineutrin. Určením směru konečných elektronů a mionů se získá směr přicházejících neutrin. Deficit mionových neutrin směřujících vzhůru. Absence přírůstku vzestupných ne → nm konvertují na nt Pozorována sinusová závislost f(nm) jako funkce L/E. Výsledky SK potvrzeny urychlovačovými experimenty K2K, MINOS a T2K, neutrinovými teleskopy ANTARES a IceCube. Vznik nt pozorován v OPERA. 12.11.2015 seminar KCHFOP - Vít Vorobel

seminar KCHFOP - Vít Vorobel Super-Kamiokande 12.11.2015 seminar KCHFOP - Vít Vorobel

seminar KCHFOP - Vít Vorobel Super-Kamiokande 12.11.2015 seminar KCHFOP - Vít Vorobel

seminar KCHFOP - Vít Vorobel nm CC produces a m, which produces a sharp ring ne CC produces an electron, which produces a “fuzzy” ring 12.11.2015 seminar KCHFOP - Vít Vorobel

seminar KCHFOP - Vít Vorobel 12.11.2015 seminar KCHFOP - Vít Vorobel

seminar KCHFOP - Vít Vorobel SK atmosferická n , jako funkce zenitového úhlu 12.11.2015 seminar KCHFOP - Vít Vorobel

seminar KCHFOP - Vít Vorobel 12.11.2015 seminar KCHFOP - Vít Vorobel

seminar KCHFOP - Vít Vorobel Cena „The Breakthrough Prize in Fundamental Physics“ pro rok 2016 byla udělena „ For the fundamental discovery and exploration of neutrino oscillations, revealing a new frontier beyond, and possibly far beyond, the standard model of particle Physics“. Ocenění bylo založeno v roce 2012 Yuri Milnerem a je udělováno za významné příspěvky k lidskému poznání. 12.11.2015 seminar KCHFOP - Vít Vorobel

Daya Bay Reactor Antineutrino Oscillation Experiment 12.11.2015 seminar KCHFOP - Vít Vorobel

13The Last Unknown Neutrino Mixing Angle ? UMNSP Matrix Maki, Nakagawa, Sakata, Pontecorvo atmospheric, accelerator reactor, 0 SNO, solar SK, KamLAND 12 ~ 32° 23 = ~ 45° 13 = ? ? What ise fraction of 3? Ue3 is the gateway to CP violation in neutrino sector: 23  45 P(  e) - P(  e) sin(212)sin(223)cos2(13)sin(213)sin ˉ 12.11.2015 seminar KCHFOP - Vít Vorobel

seminar KCHFOP - Vít Vorobel 4 x 20 tons target mass at far site Daya Bay: Powerful reactor close to mountains Far site 1615 m from Ling Ao 1985 m from Daya Overburden: 350 m 900 m Ling Ao Near site ~500 m from Ling Ao Overburden: 112 m Mid site 873 m from Ling Ao 1156 m from Daya Overburden: 208 m Ling Ao-ll NPP 22.9 GW 465 m Construction tunnel 810 m Ling Ao NPP, 22.9 GW Filling hall entrance Daya Bay Near site 363 m from Daya Bay Overburden: 98 m 295 m Daya Bay NPP, 22.9 GW Total length: ~3100 m 12.11.2015 seminar KCHFOP - Vít Vorobel

Anti-neutrino detectors The Daya Bay anti-neutrino detectors (ADs) are “three-zone” cylindrical modules: Calibration system Stainless Steel Vessel (SSV) Zones are separated by acrylic vessels: Zone Mass Liquid Purpose Inner acrylic vessel 20 t Gd-doped liquid scintillator Anti-neutrino target Outer acrylic vessel Liquid scintillator Gamma catcher (from target zone) Stainless steel vessel 40 t Mineral Oil Radiation shielding 192 PMTs Mineral oil Liquid Scint. 20-t Gd-LS 5m Top and bottom reflectors are used to increase light yield Energy resolution: sE/E = 7.5%/√E 5m 12.11.2015 seminar KCHFOP - Vít Vorobel

seminar KCHFOP - Vít Vorobel 12.11.2015 seminar KCHFOP - Vít Vorobel

seminar KCHFOP - Vít Vorobel Rate-only analysis Rate-only analysis Determine q13 using measured rates in each detector: Uses standard χ2 approach: (χ2/NDF=4.26/4) Far vs. near relative measurement. [Absolute rate is not constrained.] Consistent results obtained by independent analyses, different reactor flux models. sin22θ13 = 0.092 ± 0.016 (stat) ± 0.005 (syst) 12.11.2015 sin22θ13 = 0 excluded at 5.2σ seminar KCHFOP - Vít Vorobel

seminar KCHFOP - Vít Vorobel Děkuji za pozornost ! 12.11.2015 seminar KCHFOP - Vít Vorobel

seminar KCHFOP - Vít Vorobel Backup 12.11.2015 seminar KCHFOP - Vít Vorobel

seminar KCHFOP - Vít Vorobel 中微子 12.11.2015 seminar KCHFOP - Vít Vorobel

seminar KCHFOP - Vít Vorobel 12.11.2015 seminar KCHFOP - Vít Vorobel

seminar KCHFOP - Vít Vorobel Sudbury Neutrino Observatory Layout of the SNO detector Fáze 2: přidání 2 t NaCl – zvýšení účinnosti detekce n Fáze 3: vyčištění od NaCl a instalace detektorů n Výsledky publikovány 2001 a 2002 Potvrzení změny typu neutrin tok neutrin je ve shodě s SSM. Výsledky SNO potvrzeny a upřesněny v KamLAND. 12.11.2015 seminar KCHFOP - Vít Vorobel

seminar KCHFOP - Vít Vorobel Neutrinové milníky 1930 Pauli – neutrální částice v b-rozpadu 1937 Majorana – co když n = anti-n ? 1956 Reines, Cowan – pozorování reaktorových anti-n 1957 Pontecorvo – hypotéza oscilací neutrin 1968 Davis – pozorování slunečních n (deficit) množství experimentů a trpělivost 1998 Super-Kamiokande – pozorování oscilací atmosférických n ................................................................................. 80 let poté 2010 Hierarchie? Majorana? Hmotnost? Proč tak malá? ... 12.11.2015 seminar KCHFOP - Vít Vorobel

seminar KCHFOP - Vít Vorobel Daya Bay Collaborations 12.11.2015 seminar KCHFOP - Vít Vorobel

seminar KCHFOP - Vít Vorobel Daya Bay is one of three competing experiments 12.11.2015 seminar KCHFOP - Vít Vorobel

Small oscillation due to q13 Large oscillation due to q12 Measuring 13 Using Reactor Anti-neutrinos Electron anti-neutrino disappearance probability Small oscillation due to q13 < 2 km Large oscillation due to q12 > 50 km Osc. prob. (integrated over En ) vs distance e disappearance at short baseline(~2 km): unambiguous measurement of 13 Sin22q13 = 0.1 Dm231 = 2.5 x 10-3 eV2 Sin22q12 = 0.825 Dm221 = 8.2 x 10-5 eV2 12.11.2015 seminar KCHFOP - Vít Vorobel

seminar KCHFOP - Vít Vorobel Detection of e Inverse -decay in Gd-doped liquid scintillator:  + p  D + (2.2 MeV) (t~180μs) 0.3b + Gd  Gd* Gd + ’s(8 MeV) (t~30μs) 50,000b Time, space and energy-tagged signal  suppress background events. E  Te+ + Tn + (mn - mp) + m e+  Te+ + 1.8 MeV 12.11.2015 seminar KCHFOP - Vít Vorobel

Detector calibration Detector calibration Three calibration units per detector that deploy sources along z-axis Calibration is key to the reduction of the detector-related systematic errors: Three sources + LED in each calibration unit, on a turn-table: R=1.775 m R=0 R=1.35m 68Ge (1.02MeV) Energy calibration (linearity, detector response… etc) 60Co (2.5MeV) 241Am-13C (8MeV) Timing, gain and relative QE LED Automated Calibration Units Can also use spallation neutrons (uniformity, stability, calibration, … etc). 12.11.2015 seminar KCHFOP - Vít Vorobel

seminar KCHFOP - Vít Vorobel Spectral distortion Spectral distortion sin22θ13 = 0.092 Spectral distortion consistent with oscillation* * Caveat: Spectral systematics not fully studied; θ13 value from shape analysis is not recommended. 12.11.2015 seminar KCHFOP - Vít Vorobel

seminar KCHFOP - Vít Vorobel Conclusions Daya Bay experiment has started to take data with 3 far and 3 near detectors on December 24, 2011 Daya Bay has the highest sensitivity to θ13 among all the other experiments that are currently in operation or under construction With 43 ktons x GW x day exposure in 55 days, the (6.0 +- 1.1(stat) +- 0.4(syst)) % deficit of neutrino flux in far detectors has been measured This result implies the value of sin22θ13 =0.092 +- 0.016(stat) +- 0.005(syst) with a significance of 5.2 σ 12.11.2015 seminar KCHFOP - Vít Vorobel

seminar KCHFOP - Vít Vorobel Global Situation All experiments paint a consistent picture: Recent results from RENO (229 days of data) sin22θ13 = 0.113 ± 0.013 (stat) ± 0.019 (syst) (arXiv:1204.0626) Daya Bay has the highest sensitivity to q13 among all the other experiments that are currently in operation or under construction 12.11.2015 seminar KCHFOP - Vít Vorobel

seminar KCHFOP - Vít Vorobel Implications for the field Sensitivity to Mass Hierarchy A ‘large’ q13 is great news for the field Combining the results from reactor and accelerator experiments could offer the first glimpse of CP violation in the leptonic sector LBNE should be able to probe the mass hierarchy of the neutrino sector A decade+ of work has opened up! Sensitivity to CP violation 12.11.2015 seminar KCHFOP - Vít Vorobel FNAL, “A Plan for Discovery”

seminar KCHFOP - Vít Vorobel Antares 12.11.2015 seminar KCHFOP - Vít Vorobel

seminar KCHFOP - Vít Vorobel Global situation of q13 Daya Bay sin22θ13 = 0.092 ± 0.016 (stat) ± 0.005 (syst) Phys.Rev.Lett. 108 (2012) 171803 Recent results from RENO Previous results suggest a non-zero q13 T2K PRL 107, 041801 (2011) MINOS PRL. 107, 181802 (2011) (229 days of data) Double Chooz sin2(2 θ13)=0.086 ± 0.041(stat) ± 0.030(syst) Y. Abe et al. PRL 108 131801 (2012) sin22θ13 = 0.113 ± 0.013 (stat) ± 0.019 (syst) (http://arxiv.org/pdf/1204.0626v2.pdf) 12.11.2015 seminar KCHFOP - Vít Vorobel

seminar KCHFOP - Vít Vorobel Based on 8249 IBD events collected in 227.9 days, Double Chooz has updated their results in Neutron 2012. Their new results are Rate-only: sin^2(2theta13) = 0.170 ± 0.035 (stat) ± 0.040 (syst) Rate+shape: sin^2(2theta13) = 0.109 ± 0.030 (stat) ± 0.025 (syst) Their re-analysis of the first 85.6 days of data yielded sin^2(2theta13) = 0.074 ± 0.046 They claimed the energy non-linearity introduced about 1.1% error to their energy scale for the shape analysis. However, it does not seem enough to explain why the central values of the rate-only and rate+shape can be so different. RENO just reported their published results without any update. T2K also updated their results. Now, with a total of 2.54E20 protons on target (from 2010 to 2012), they have seen a total of 10 nu_e events with an estimate of 2.73 ± 0.37 background events. However, the additional 5 events all populated in the right-hand side of the fiducial volume (when you follow the nu-mu beam at the detector). Based on these ten events, they obtained sin^2(2theta13) = 0.104 + 0.060 - 0.045 for theta_23 = pi/4, delta_CP = 0 and delta_m^2_32 = 2.4E-3 eV^2. There are indications that theta_23 may not be maximal. 12.11.2015 seminar KCHFOP - Vít Vorobel