Neutrino s and astronomie. Maarten de Jong HOVO, Leiden 2010

Transcriptie

1 Neutrino s and astronomie Maarten de Jong HOVO, Leiden 2010

2 Wat is een neutrino?

3 Radioactief verval (~1920) elektron magneet 2- deeltjes verval? Einstein: Ee Mc 2 detector

4 Radioactief verval (II) aantal gebeurtenissen gemeten energie spectrum E e 2 Mc Energie niet behouden?

5 W. Pauli, 4 december 1930 Geachte radioactieve dames en heren, Ik heb misschien een oplossing gevonden om de wet van energie behoud te redden. het bestaan van onzichtbare deeltjes welke ik aldus neutronen noem in de atoom kern. Het gemeten spectrum kan verklaard worden als zo n onzichtbaar deeltje ontsnapt tegelijkertijd met het elektron zodat de totale energie klopt. Maar tot nu toe heb ik dit niet durven publiceren en 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 hierover na en oordeel.

6 Pauli (1930): n p e? e Fermi: Theorie van de zwakke kracht neutrino n W? e e d d u n p e p u d u Feynman diagram

7 1950 Reines & Cowan Poltergeist, Savannah River Het bewijs van het bestaan van neutrino s e e e n kernreactor neutrinodetectie

8 Neutrino astronomie

9 kosmische straling

10 Ionisatie kamer (~1910) e - geladen deeltje V V elektrische geleidbaarheid van lucht radioactiviteit van de Aarde?

11 V. Hess (1912) 0 druk [cm Hg] radioactiviteit komt vanuit de ruimte! kosmische straling The results of my observation 60 are best explained by the assumption that a radiation 70 of very great penetrating power enters our atmosphere from above. V Aarde

12 P. Auger (1938) tijd ontdekking van uitgebreide deeltjes regens

13 proton Aarde gezien door kosmische straling 20 1 N hoogte [km] vrije weglengte proton pion muon neutrino Aarde

14 Detectie van kosmische straling fluorescentie (ultraviolet zichtbaar ) grond oppervalk multipixel camera s (stereoscopisch zicht) muon detectoren (aankomst tijden richting)

15 Energie spectrum plateau 1 per m 2 per seconde 1.5 ev = flux [(m 2 sr s GeV) - 1 ] E 2.7 N A ? 1 per km 2 per jaar 1 m kg E [ev/deeltje]

16 impuls van het deeltje straal v/e cirkel R p ZeB lading van het deeltje Magnetisch veld p 1GeV R p 1G au.. GeV B Afstand aarde zon (~150 x 10 6 km) Magnetisch veld zon (~10 G)

17 Kosmische versnellers CERN in the sky

18 Fermi schokgolf versneller snelheid: V km/ s SN1993J M81 tijd radio beelden April 1993 Juni 1998

19 Fermi schokgolf versneller (II) V Simpel model interstellaire materie versnelling overlevings kans E E P geladen deeltje E E k stappen 0 (1 )k N N0 ( )k

20 Fermi schokgolf versneller (III) ln( N N0 ) ln( ) ln( EE) ln(1 ) 0 N N E E 0 0 ln( ) ln(1 ) Thermodynamica dn de E ln( ) ln(1 ) 1 E 2 gemeten spectrum Relativiteitsleer

21 Welke geladen deeltjes? elektronen protonen Synchrotron straling e N p inverse Compton verstrooiing e p muonen astronomie kosmische straling neutrino s

22 Astronomie

23 constante van Planck snelheid van het licht golflengte: hc E Energie van deeltje

24 Krab nevel radio 10-8 ev optisch 10 ev Röntgen 10 4 ev licht deeltjes ev breedbandig spectrum

25 kosmische stralen (bestaan uit combinaties van u en d quarks) Astro- deeltjes fysica leptons quarks generaties krachtdragers traditionele astronomie neutrino astronomie

26 Zonne energie 4 4p 2e He Licht oprbrengst L Neutrinos 38 1 N s e 26 W L MeV

27 Homestake goud mijn (USA) omgekeerd verval e Cl Ar e 130 ton Chloor E e MeV

28 detectie principe extractie van enkele Ar atomen (~15 / maand)

29 Neutrino s van de zon SNU = s - 1 / Atom verwacht 1 2 gezien ~30 jaar!

30 Super Kamiokande (Japan) nucleon decay experiment ~50 kton puur water PMTs

31 Geen proton verval gezien Maar Kamiokande is ook een neutrino detector

32 detectie principe gedetecteerd Energie en impuls behoud: e e e e' 2 e mc e Ee' 2 2sin (1 ) 2 E E e' mc e E e' 2 e atomair elektron e ' e 30 o neutrino telescoop

33 e' Zon e zon Aarde atomair elektron aantal [(dag kton bin) - 1 ] N N gemeten verwacht Neutrino s wijzen naar de zon cos zon

34 we zien ½ neutrino s uit de zon neutrino oscillaties B. Pontecorvo, 1957

35 Energie drempel Z Z1 e N N A A e E MeV 100 m c e 1/2 2 mc e MeV MeV E e m c 2 = steriel

36 Mengen van neutrino toestanden zwakke toestanden massa toestanden e 1 U x 3 matrix (unitair)

37 Mengen van 2 toestanden 1 cos sin e 2 sin cos reizen door de ruimte rotatie creatie

38 Reizen van neutrino s door de ruimte 2 cos amplitude sin 1 e relatieve amplitudes veranderen met tijd of afstand

39 Neutrino oscillaties (II) P( ) ( x) ( x) e e e e sin 2 sin ( m2 m1) c x 4Ehc amplitude 2

40 golflengte: Heisenberg: hc m m c Lorentz boost: ' E m m E hc 4 E hc m c m2 m1 c ( m2 m1) c

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

42 KamLAND (II) KamLAND meting Neutrino oscillaties CHOOZ meting P( e e ) geen oscillaties ideaal geval L/E [km/mev]

43 23 Februari 1987 Tijd correlatie 99% energie is neutrino s 1% energie is licht Supernova 160,000 jaar Aarde

44 Neutrino astronomie

45 Waarom? p kosmische stralen buigen af door magneet velden licht kan worden geabsorbeerd

46 omringend licht p n p materie Neutrino telescoop: oorsprong kosmische straling ontstaan & kompositie relativistische stralen werking kosmische deeltjesversnellers roterend zwart gat

47 1960 Markov s idee: Hoe? Zeewater als interactie en detectie medium Lengte muon spoor Detectie Cherenkov licht Water is transparant

48 neutrino detectie neutrino muon ~100 m interactie ~ km muon reist met de lichtsnelheid (300,000 km/s) detectie Cherenkov licht ns km

49 Neutrino richting s E 1.5 neutrino TeV muon strooihoek [graden] Neutrino telescoop! neutrino energie [GeV]

50 Werkzame doorsnede werkzame doorsnede [cm 2 ] Vrije weglengte: ( E) 1 N A 8 10 km 3 E 10 GeV neutrino energie [GeV] Size matters

51 Architectuur meet- gegevens analyse neutrino detector data transmissie data filter machine kamer start stop besturing

52 Antares prototype neutrino telescoop

53 Antares 200 personen 6 landen 40 km uit de kust bij Toulon gereed lijnen 2.5 km 500 m 250 Atm. 200x200 m 2 25 verdiepingen / lijn

54 12 x 25 = 300 detectie eenheden 10 PMT licht detectie Optisch baken tijd calibratie Electronica uitlezing Hydrophoon acoustische positie meting ~1 m titanium frame mechanisch drager

55 All-data-to-shore concept tijd positie 1 GB/s 2 s 100 ms data filter 1 MB/s offline reconstructie astronomie bepaling van het muon spoor

56 Gamma Ray Burst All- data- to- shore GCN 40 km 10,000 km aantal GRBs 80% geregistreerd data buffer 12/2006 1/ / /2009 datum reactietijd [s]

57 Neutrino detectie aantal gebeurtenissen Antares Atm. muons Atm. neutrino s Atm. totaal ~1000 neutrinos! muon d() D = 2.5 km cos() Aarde

58 Neutrino sky map Nog geen puntbronnen gevonden

59 Aard & Zee onderzoek Frankrijk kortstondige gebeurtenissen domineren leven in diepzee permanent observatorium Temperatuur Bioluminescentie plotselinge Eddie stromen voedingsbodem observatorium tijdprofiel

60 Toekomst plannen KM3NeT: A KM 3 Neutrino Telescope

61 Evolutie 1 e generatie pre- prototypes 2 e generatie 3 e generatie Dumand Baikal Nestor Nemo Amanda Antares IceCube KM3NeT heden toekomst

62 Samenvatting Neutrino s bestaan, wisselwerken zwak met materie, en hebben een zeer kleine massa Zonneneutrino s zijn gemeten, neutrino s oscilleren spontaan Neutrino s uit de SN1987A zijn gezien, neutrino flits Neutrino s uit andere astrofysische bronnen? Met het in gebruik nemen van de Antares detector als prototype en met KM3NeT als de toekomstige kubieke kilometer detector is neutrino astronomie thans binnen handbereik

63 Neutrinos, they are very small. They have no charge and have no mass And do not interact at all. The earth is just a silly ball To them, through which they simply pass, Like dustmaids through a drafty hall Or 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 tall And painless guillotines, they fall Down through our heads into the grass. At night, they enter at Nepal And pierce the lover and his lass From underneath the bed - you call It wonderful; I call it crass. John Updike