Oscilace neutrin Nobelova cena za fyziku 2015 Vít Vorobel, ÚČJF MFF UK

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

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

(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 seminar KCHFOP - Vít Vorobel

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

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

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

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

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

Celkové spektrum neutrin 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 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 seminar KCHFOP - Vít Vorobel

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

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

Oscilace neutrin v hmotném prostředí
Wolfenstein 1978, Mikheyev-Smirnov (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. 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 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 seminar KCHFOP - Vít Vorobel

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

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

Proof of flavour change - SNO
CC n + d  p + p + e− e Q = 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 seminar KCHFOP - Vít Vorobel

Super-Kamiokande 1998 T. Kajita – důkaz oscilací neutrin Super-Kamiokande, 2. generace více než 10x větší než Kamiokande Čerenkovský detektor, 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. seminar KCHFOP - Vít Vorobel

Super-Kamiokande seminar KCHFOP - Vít Vorobel

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

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

Daya Bay Reactor Antineutrino Oscillation Experiment

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 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 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 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 = ± (stat) ± (syst) sin22θ13 = 0 excluded at 5.2σ seminar KCHFOP - Vít Vorobel

Děkuji za pozornost ! seminar KCHFOP - Vít Vorobel

Backup seminar KCHFOP - Vít Vorobel

中微子 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. 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? ... seminar KCHFOP - Vít Vorobel

Daya Bay Collaborations seminar KCHFOP - Vít Vorobel

Daya Bay is one of three competing experiments 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 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 MeV 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). 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. 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 ( (stat) (syst)) % deficit of neutrino flux in far detectors has been measured This result implies the value of sin22θ13 = (stat) (syst) with a significance of 5.2 σ seminar KCHFOP - Vít Vorobel

Global Situation All experiments paint a consistent picture: Recent results from RENO (229 days of data) sin22θ13 = ± (stat) ± (syst) (arXiv: ) Daya Bay has the highest sensitivity to q13 among all the other experiments that are currently in operation or under construction 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 seminar KCHFOP - Vít Vorobel FNAL, “A Plan for Discovery”

Antares seminar KCHFOP - Vít Vorobel

Global situation of q13 Daya Bay sin22θ13 = ± (stat) ± (syst) Phys.Rev.Lett. 108 (2012) Recent results from RENO Previous results suggest a non-zero q13 T2K PRL 107, (2011) MINOS PRL. 107, (2011) (229 days of data) Double Chooz sin2(2 θ13)=0.086 ± 0.041(stat) ± 0.030(syst) Y. Abe et al. PRL (2012) sin22θ13 = ± (stat) ± (syst) ( seminar KCHFOP - Vít Vorobel

Based on 8249 IBD events collected in days, Double Chooz has updated their results in Neutron Their new results are Rate-only: sin^2(2theta13) = ± (stat) ± (syst) Rate+shape: sin^2(2theta13) = ± (stat) ± (syst) Their re-analysis of the first 85.6 days of data yielded sin^2(2theta13) = ± 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) = 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. seminar KCHFOP - Vít Vorobel

Oscilace neutrin Nobelova cena za fyziku 2015 Vít Vorobel, ÚČJF MFF UK

Podobné prezentace

Prezentace na téma: "Oscilace neutrin Nobelova cena za fyziku 2015 Vít Vorobel, ÚČJF MFF UK"— Transkript prezentace:

Podobné prezentace

O projektu

Kontaktní formulář

Přihlásit se

Přihlásit se přes sociální síť:

Oscilace neutrin Nobelova cena za fyziku 2015 Vít Vorobel, ÚČJF MFF UK

Podobné prezentace

Prezentace na téma: "Oscilace neutrin Nobelova cena za fyziku 2015 Vít Vorobel, ÚČJF MFF UK"— Transkript prezentace:

Podobné prezentace

O projektu

Kontaktní formulář