Neutrinos sneller dan het licht?

Transcriptie

1 Neutrinos sneller dan het licht? Kosmische neutrinos Ed P.J. van den Heuvel, Universiteit van Amsterdam 24/10/2011

2 Zon en planeten afgebeeld op dezelfde schaal Leeftijd zon en planeten: 4,65 miljard jaar Massa: maal de Aarde 70 % Waterstof(H) 28 % Helium (He) 2 % Zwaardere elementen Lichtsterkte: 4x10 26 Joules/sec (Watt) Jupiter

3 + Atoomkern van Waterstof (proton) + + Atoomkern van Helium (2 protonen en 2 Neutronen), massa: 1/134-ste minder dan 4 Protonen Bij samensmelten van 4 protonen tot 1 heliumkern gaat 1/134-ste van de massa verloren: omgezet in energie volgens Einstein s formule (benodigde temperatuur: 100 miljoen C) Omzetting van 1 gram waterstof geeft genoeg energie om middenklasse auto 1 maal om wereld te laten rijden

4 De 600 miljoen ton waterstof die de zon per seconde omzet in helium, zijn 4x 10 protonen. Hierbij komen 2 x 10 neutrino s vrij. Zij nemen 4 procent van de in de zon geproduceerde energie mee, en vliegen dwars door de zon en de Aarde en haar bewoners heen. Door elke vierkante centimeter op Aarde passeren per seconde 7x10 10 neutrino s van de Zon. Niemand merkt hier iets van.

5 Super Kamiokande, ton zuiver water met licht-detectoren, 1500 meter onder de grond in de Kamioka mijn (In 1987 had Kamiokande II 3000 ton water met 2048 detectoren)

6 Licht-detector(fotomultiplicator-buis) Cerenkov lichtkegel (ring) uitgezonden door electron dat sneller dan het licht beweegt in water electron neutrino Gemiddeld wordt in Super-Kamiokande eens per 90 minuten een lichtflits van een zonne-neutrino gezien

7 Evenals bij Davis (die sinds 1967 metingen deed in een 2 km diepe mijn in S.-Dakota, USA ) bleken er 3 maal te weinig zonne-neutrino s te zijn, t.o.v. de theoretische voorspellingen van de zonnemodellen v. John Bahcall. Dit blijkt het gevolg te zijn van neutrino-oscillaties, waarbij electron-neutrino s overgaan in mu-neutrino s en tau-neutrino s

8 Ray Davis, John Bahcall en Masatoshi Koshiba. In 2002 kregen Davis and Koshiba de Nobel Prijs voor de ontdekking van het Solar Neutrino Problem en hun bijdrage aan de oplossing hiervan (die voor Koshiba was ook voor de neutrino s van SN 1987A). In 2003 ontving Bahcall de Dan David Prize for Astrophysics and Cosmology (Israel; $ 1 miljoen).

9 LEVENSDUUR VAN EEN STER: TIJD NODIG OM AL ZIJN KERNBRANDSTOF TE VERSTOKEN (WATERSTOF = 70% VAN ZIJN MASSA) ZON: 10 MILJARD JR HUIDIGE LEEFTIJD: 4.65 MILJARD JAAR STER VAN 25 ZONS- MASSA S: VERSTOOKT ZIJN BRAND- STOF MAAL SNELLER: LEEFT DUS 2000 MAAL KORTER: 5 MILJOEN JAAR

10 Rosette Nevel cluster in Monoceros (in Melkweg) met sterren van ~ 25 zonmassa s: leven maar 5 miljoen jaar. Wat gebeurt er daarna?

11 Waterstof atoom + - electron Atoom bijeengehouden door sterke aantrekking van de + en electrische ladingen proton Diameter van kleinste electronbaan: maal groter dan diameter van de atoomkern: Volume kan nog ( 50000)³ maal verder samengedrukt worden: dichtheid 100 biljoen maal groter Vereist een druk van 10 Bar neutron anti-neutrino Proton en neutron zijn ~ 1840 maal zwaarder dan electron, neutrino weegt vrijwel niets (< 16eV) Druk in centrum van Zon 10 is slechts 10 Bar

12 Neutronenster: maal massa van aarde in bol van 20 km diameter g = 100 miljard maal die op Aarde Ontsnapsnelheid van oppervlak = 0.5c = km/sec (vergelijk Aarde: 11.2 km/sec)

13 Energie-vrijmaking bij collapse naar neutronenster: materie valt met snelheid 0.5c op elkaar en wordt dan gestopt: 2 2 Ekin = 0.5 M(0.5c) = (1/8)Mc Evenveel energie als de Zon in 100 maal haar levensduur (10 miljard jaar) uitzendt! invalsnelheid 0.5c

14 58 Totaal 10 neutrino s en anti-neutrino s geproduceerd tijdens collapse tot Neutron ster Deze worden voornamelijk geproduceerd als gevolg van de enorme hitte (1000 miljard graden K) van het instortende binnenste van de ster: dit geeft gamma-fotonen, die in electron+positron paren overgaan, die neutrino+anti-neutrino paren produceren (zgn paar- neutrino s ). Daarnaast vooral ook plasma neutrino s en URCA neutrino s. Al deze neutrino s nemen 99% van de totale vrijkomende 46 zwaartekrachts energie (10 Joules = evenveel als de Zon in 1000 miljard jaar aan energie zou uitstralen) mee. Slechts 1 % van de vrijkomende energie komt er uit in de vorm van de supernova explosie

15 Supernova 1987A verscheen op 23 Februari 1987 in de Grote Magelhaense Wolk Zichtbaar met blote oog, maar 10 keer zwakker dan normale SN

16 Supernova 1987A, 23 Februari 1987 De geexplodeerde ster : [Sanduleak ] een blauwe superreus van ca 20 Zonmassa s

17 Afstand SN 1987A: lichtjaren= 58 1,7 x 10 cm De 10 neutrino s en anti-neutrino s passeerden op 47 Aardafstand door een boloppervlak van 4x10 cm². Op Aarde passeerden per cm² : 2,5 x 10 neutrino s van deze supernova. Door het oppervlak van de Kamiokande detector van m² passeerden er 5.62x10 neutrino s. Hiervan werden er 11 gemeten in een tijdvak van 13 seconden! De IMB detector in de US detecteerde tevens 8 neutrino s 23 10

18 Aankomsttijden van de neutrinos van SN 1987A op 23 Februari, gerekend vanaf 07h35m35 sec. In Kamiokande II en IMB (USA) konden de richtingen van waaruit de neutrinos kwamen bepaald worden: zij kwamen van beneden door de Aarde heen, uit de richting van de Grote Magelhaense Wolk

19 Hoeveel eerder dan het licht zouden de neutrino s van SN 1987A op Aarde zijn aangekomen als ze even snel reisden als de neutrino s van Opera? Volgens het Opera experiment zou voor de snelheid v gelden: (v-c)/c = 2,49 (±0,58) x 10-5 [7.5 km/sec sneller dan licht] Voor het afleggen van lichtjaren was dan 2,49 (±0,58)x 10-5 x ( jaar) = 4,23 (±0,99) jaar MINDER nodig dan voor het licht. De neutrino s zouden dan 4,23 jaar VOOR het licht op Aarde zijn aangekomen! MAAR HET LICHT VAN DE SUPERNOVA KWAM MINDER DAN EEN DAG NA DE NEUTRINO S AAN, dat klopt met de reistijd van de supernova schokgolf door de ster. Deze neutrino s reisden even snel als het licht!!

20 Niets lijkt zozeer op een nieuwe ontdekking als een meetfout