Wetenschappelijke Nascholing Deel 2: Spookdeeltjes: de mysterieuze neutrino s

Wetenschappelijke Nascholing Deel 2: Spookdeeltjes: de mysterieuze neutrino s Dirk Ryckbosch Fysica en Sterrenkunde 16 oktober 2017 Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 16 oktober 2017 1 / 34

9/10/2017: Van de alchemisten tot het Higgs-deeltje Ontdekking van de elementaire deeltjes De fundamentele krachten Het standaardmodel van de deeltjesfysica Ontdekking van het Brout-Englert-Higgs deeltje Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 16 oktober 2017 2 / 34

9/10/2017: Van de alchemisten tot het Higgs-deeltje Ontdekking van de elementaire deeltjes De fundamentele krachten Het standaardmodel van de deeltjesfysica Ontdekking van het Brout-Englert-Higgs deeltje 16/10/2017: Spookdeeltjes: de mysterieuze neutrino s Wat zijn neutrino s? Neutrino-oscillaties Steriele neutrino s? Neutrino-astronomie Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 16 oktober 2017 2 / 34

9/10/2017: Van de alchemisten tot het Higgs-deeltje Ontdekking van de elementaire deeltjes De fundamentele krachten Het standaardmodel van de deeltjesfysica Ontdekking van het Brout-Englert-Higgs deeltje 16/10/2017: Spookdeeltjes: de mysterieuze neutrino s Wat zijn neutrino s? Neutrino-oscillaties Steriele neutrino s? Neutrino-astronomie 23/10/2017: En wat met de overige 96%? Elementaire deeltjes en kosmologie Donkere materie Donkere energie Het grote onbekende Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 16 oktober 2017 2 / 34

Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 16 oktober 2017 3 / 34

Van quarks tot molecules u + u + d proton p u + d + d neutron n Sterke kracht proton + neutron atoomkern atoomkern + elektronen atoom El.magn. kracht atoom + atoom molecule Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 16 oktober 2017 4 / 34

Materiedeeltjes 3 generaties u, d, e, νe c, s, µ, ν µ t, b, τ, ν τ Telkens in paren: u, d e, ν e Fundamentele krachten Sterke kracht gluonen quarks Elektromagnetisme fotonen quarks, e, µ, τ Zwakke kracht W, Z quarks, e, µ, τ, ν e, ν µ, ν τ Zwaartekracht gravitonen alles Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 16 oktober 2017 5 / 34

Materiedeeltjes 3 generaties u, d, e, νe c, s, µ, ν µ t, b, τ, ν τ Telkens in paren: u, d e, ν e Fundamentele krachten Sterke kracht gluonen quarks Elektromagnetisme fotonen quarks, e, µ, τ Zwakke kracht W, Z quarks, e, µ, τ, ν e, ν µ, ν τ Zwaartekracht gravitonen alles Neutrino s interageren enkel via zwakke kracht reageren zeer zwak met materie Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 16 oktober 2017 5 / 34

1930: voorgesteld door W.Pauli Nodig om β-verval van kernen te begrijpen Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 16 oktober 2017 6 / 34

1930: voorgesteld door W.Pauli Nodig om β-verval van kernen te begrijpen I have done a terrible thing, I have postulated a particle that cannot be detected Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 16 oktober 2017 6 / 34

Zwakke kracht β-verval van kernen, deeltjes typisch 10 10 keer zwakker dan elektromagnetische kracht Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 16 oktober 2017 7 / 34

Zwakke kracht β-verval van kernen, deeltjes typisch 10 10 keer zwakker dan elektromagnetische kracht Neutrino s enkel zwakke kracht gaan bijna ongehinderd door materie Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 16 oktober 2017 7 / 34

Zwakke kracht β-verval van kernen, deeltjes typisch 10 10 keer zwakker dan elektromagnetische kracht Neutrino s enkel zwakke kracht gaan bijna ongehinderd door materie dwars door lichtjaren ijzer! Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 16 oktober 2017 7 / 34

Zwakke kracht β-verval van kernen, deeltjes typisch 10 10 keer zwakker dan elektromagnetische kracht Neutrino s enkel zwakke kracht gaan bijna ongehinderd door materie dwars door lichtjaren ijzer! krachtige radioactieve bron: 100 MBq = 100 miljoen ν/s in 1 kg detector: kans van 1/200 000 000 000 000 dat 1 ν reageert Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 16 oktober 2017 7 / 34

Zwakke kracht β-verval van kernen, deeltjes typisch 10 10 keer zwakker dan elektromagnetische kracht Neutrino s enkel zwakke kracht gaan bijna ongehinderd door materie dwars door lichtjaren ijzer! krachtige radioactieve bron: 100 MBq = 100 miljoen ν/s in 1 kg detector: kans van 1/200 000 000 000 000 dat 1 ν reageert zoek naar hoge intensiteit bron bouw grote detector Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 16 oktober 2017 7 / 34

1956: C.Cowan en F.Reines ontdekken neutrino Savannah River kernreactor: 5 10 13 /s 3ν/uur 200 l water Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 16 oktober 2017 8 / 34

1956: C.Cowan en F.Reines ontdekken neutrino Reactie van W.Pauli: Thanks for the message. Everything comes to him who knows how to wait. Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 16 oktober 2017 8 / 34

1956: C.Cowan en F.Reines ontdekken neutrino Ontdekking van het elektron-neutrino ν e Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 16 oktober 2017 9 / 34

1956: C.Cowan en F.Reines ontdekken neutrino Ontdekking van het elektron-neutrino ν e 1962: L.Lederman, M.Schwartz, J.Steinberger ontdekken muon-neutrino ν µ Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 16 oktober 2017 9 / 34

1956: C.Cowan en F.Reines ontdekken neutrino Ontdekking van het elektron-neutrino ν e 1962: L.Lederman, M.Schwartz, J.Steinberger ontdekken muon-neutrino ν µ 2000: DONUT experiment ontdekt tau-neutrino ν τ Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 16 oktober 2017 9 / 34

Neutrino s passen in Standaard Model: partners van e, µ, τ Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 16 oktober 2017 10 / 34

Neutrino s passen in Standaard Model: partners van e, µ, τ In SM: geen massa Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 16 oktober 2017 10 / 34

Neutrino s passen in Standaard Model: partners van e, µ, τ In SM: geen massa Neutrino s interageren zeer zwak! Grote detectoren Zeer intense bronnen Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 16 oktober 2017 10 / 34

Neutrino s passen in Standaard Model: partners van e, µ, τ In SM: geen massa Neutrino s interageren zeer zwak! Grote detectoren Zeer intense bronnen Kernreactoren Zon Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 16 oktober 2017 10 / 34

1939: H.Bethe verklaart werking van de zon kernfusie in sterren via zwakke kracht verklaart lange levensduur sterren Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 16 oktober 2017 11 / 34

1970: R.Davis, J.Bahcall starten Homestake experiment 400 000 liter perchloorethyleen Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 16 oktober 2017 12 / 34

1970: R.Davis, J.Bahcall starten Homestake experiment 400 000 liter perchloorethyleen Maar ca.25% van verwachte aantal ν Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 16 oktober 2017 12 / 34

Te weinig zonneneutrino s Bevestigd door andere experimenten zonnemodel fout neutrino s niet van zon neutrino s verdwijnen Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 16 oktober 2017 13 / 34

Te weinig zonneneutrino s Bevestigd door andere experimenten zonnemodel fout neutrino s niet van zon neutrino s verdwijnen Čerenkov detectoren Kunnen richting van ν waarnemen 1985: Kamiokande-II (3 000 ton water) 1996: SuperKamiokande (50 000 ton water) Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 16 oktober 2017 13 / 34

Te weinig zonneneutrino s Bevestigd door andere experimenten zonnemodel fout neutrino s niet van zon neutrino s verdwijnen Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 16 oktober 2017 13 / 34

(Super)Kamiokande detector in Kamioka-mijn (Japan) Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 16 oktober 2017 14 / 34

Kwantumfysica Deeltje - golf dualiteit Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 16 oktober 2017 16 / 34

Kwantumfysica Deeltje - golf dualiteit Tweespleten-experiment Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 16 oktober 2017 16 / 34

Kwantumfysica Deeltje - golf dualiteit Tweespleten-experiment Schrödingers kat Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 16 oktober 2017 16 / 34

Kwantumfysica Deeltje - golf dualiteit Tweespleten-experiment Schrödingers kat Kwantumtoestanden mengen op Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 16 oktober 2017 16 / 34

Neutrino oscillaties start met ν e = xx% ν 1 + yy% ν 2 Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 16 oktober 2017 17 / 34

Neutrino oscillaties start met ν e = xx% ν 1 + yy% ν 2 +zz% ν 3 Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 16 oktober 2017 17 / 34

Neutrino oscillaties start met ν e = xx% ν 1 + yy% ν 2 +zz% ν 3 als m 1 kleiner dan m 2, m 3 : ν 1 sneller dan ν 2, ν 3 Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 16 oktober 2017 17 / 34

Neutrino oscillaties start met ν e = xx% ν 1 + yy% ν 2 +zz% ν 3 als m 1 kleiner dan m 2, m 3 : ν 1 sneller dan ν 2, ν 3 na XXX m: ν 1 loopt voorop op ν 2, ν 3 Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 16 oktober 2017 17 / 34

Neutrino oscillaties start met ν e = xx% ν 1 + yy% ν 2 +zz% ν 3 als m 1 kleiner dan m 2, m 3 : ν 1 sneller dan ν 2, ν 3 na XXX m: ν 1 loopt voorop op ν 2, ν 3 ν 1 = uu% ν e + vv% ν µ +ww%ν τ Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 16 oktober 2017 17 / 34

Neutrino oscillaties start met ν e = xx% ν 1 + yy% ν 2 +zz% ν 3 als m 1 kleiner dan m 2, m 3 : ν 1 sneller dan ν 2, ν 3 na XXX m: ν 1 loopt voorop op ν 2, ν 3 ν 1 = uu% ν e + vv% ν µ +ww%ν τ ν µ verschijnt, ν e verdwijnt! Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 16 oktober 2017 17 / 34

Neutrino oscillaties start met ν e = xx% ν 1 + yy% ν 2 +zz% ν 3 als m 1 kleiner dan m 2, m 3 : ν 1 sneller dan ν 2, ν 3 na XXX m: ν 1 loopt voorop op ν 2, ν 3 ν 1 = uu% ν e + vv% ν µ +ww%ν τ ν µ verschijnt, ν e verdwijnt! Gesuggereerd in 1957 B.Pontecorvo Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 16 oktober 2017 17 / 34

1970-1994 Homestake et al ν e verdwijnen 1998 SuperKamiokande ν µ verdwijnen 2002 SNO ν e ν µ + ν τ 2005 KamLAND ν e verdwijnen 2005- MINOS, MiniBooNE, K2K, LSND et al ν µ verdwijnen 2010 OPERA ν µ ν τ 2011 T2K ν µ ν e 2013 Daya Bay ν e ν τ Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 16 oktober 2017 18 / 34

Open vragen massa van lichtste neutrino? is ν e of ν τ lichter? massa via Higgs-mechanisme? zijn neutrino s en antineutrino s identiek? zijn er meer dan 3 types?... Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 16 oktober 2017 19 / 34

Steriele neutrino s interageren niet met gewone materie enkel via oscillaties van gewone neutrino s niet in Standaard Model mogelijke kandidaten voor Donkere Materie Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 16 oktober 2017 20 / 34

Steriele neutrino s interageren niet met gewone materie enkel via oscillaties van gewone neutrino s niet in Standaard Model mogelijke kandidaten voor Donkere Materie Aanwijzingen? LSND experiment (kleine afwijking in oscillaties) Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 16 oktober 2017 20 / 34

Steriele neutrino s interageren niet met gewone materie enkel via oscillaties van gewone neutrino s niet in Standaard Model mogelijke kandidaten voor Donkere Materie Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 16 oktober 2017 20 / 34

Steriele neutrino s interageren niet met gewone materie enkel via oscillaties van gewone neutrino s niet in Standaard Model mogelijke kandidaten voor Donkere Materie Aanwijzingen? LSND experiment (kleine afwijking in oscillaties) kernreactoren geven 6% te weinig ν e gallium-anomalie Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 16 oktober 2017 20 / 34

oscillatie lengte ν e ν µ 1000 km ν e ν τ 1 km ν e ν s 10 m Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 16 oktober 2017 21 / 34

SoLi experiment @ BR2, SCK CEN Mol Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 16 oktober 2017 22 / 34

SoLi experiment @ BR2, SCK CEN Mol 2-3 ton detector op 5-10 m van reactorkern 12 800 PVT kubusjes van 5 5 5 cm 3 3 200 fotosensoren onder constructie aan UGent Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 16 oktober 2017 22 / 34

SoLi experiment 40-tal fysici Vlaanderen (UGent, UA, VUB, SCK CEN), Frankrijk, UK Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 16 oktober 2017 23 / 34

Open vragen massa van lichtste neutrino? is ν e of ν τ lichter? massa via Higgs-mechanisme? zijn neutrino s en antineutrino s identiek? zijn er meer dan 3 types?... Komende 5-10 jaar KATRIN SNO+, SuperNEMO,... T2K, NOνA, DUNE,... JUNO SoLi, STEREO, DANSS, Prospect,... PINGU, ORCA... Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 16 oktober 2017 24 / 34

Sterrenkunde Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 16 oktober 2017 25 / 34

Sterrenkunde met interstellaire gaswolk Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 16 oktober 2017 25 / 34

Neutrino-astronomie dringen doorheen alle materiaal rechtstreeks vanuit bron massief veel gecreëerd enorm grote detector (telescoop) nodig Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 16 oktober 2017 26 / 34

Neutrino-astronomie dringen doorheen alle materiaal rechtstreeks vanuit bron massief veel gecreëerd enorm grote detector (telescoop) nodig IceCube neutrino telescoop grootste detector (1 km 3 =1 miljard ton) aan de Zuidpool operationeel sedert 2011 Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 16 oktober 2017 26 / 34

Supernova stervende ster ontploft laat neutronenster of zwart gat achter helderder dan rest van sterrenstelsel 99% van energie in de vorm van ν Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 16 oktober 2017 27 / 34

Supernova stervende ster ontploft laat neutronenster of zwart gat achter helderder dan rest van sterrenstelsel 99% van energie in de vorm van ν SN1987a Grote Magellaanse Wolk 168 000 lichtjaar ver 50-tal ν gezien Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 16 oktober 2017 27 / 34

Actieve sterrenstelsels in centrum sterrenstelsel: supermassief zwart gat Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 16 oktober 2017 28 / 34

Actieve sterrenstelsels in centrum sterrenstelsel: supermassief zwart gat ca.1% sterrenstelsel: actief sterrenstelsel (AGN) oorsprong van kosmische straling? Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 16 oktober 2017 28 / 34

Gamma Ray Bursts (GRB) heftigste fenomeen in heelal hypernova, botsende neutronensterren? miljarden lichtjaar ver Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 16 oktober 2017 29 / 34

Astrofysische neutrino s ontdekt in 2013 ca. 10/jaar extreem hoge energie (tot 1000 LHC) bronnen (nog) onbekend Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 16 oktober 2017 32 / 34

Astrofysische neutrino s ontdekt in 2013 ca. 10/jaar extreem hoge energie (tot 1000 LHC) bronnen (nog) onbekend niet van GRB aanwijzingen voor Blazars wachten op nabije supernova Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 16 oktober 2017 32 / 34

Astrofysische neutrino s ontdekt in 2013 ca. 10/jaar extreem hoge energie (tot 1000 LHC) bronnen (nog) onbekend niet van GRB aanwijzingen voor Blazars wachten op nabije supernova neutrino-oscillaties bevestigd geen ν µ ν s... Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 16 oktober 2017 32 / 34

9/10/2017: Van de alchemisten tot het Higgs-deeltje Ontdekking van de elementaire deeltjes De fundamentele krachten Het standaardmodel van de deeltjesfysica Ontdekking van het Brout-Englert-Higgs deeltje 16/10/2017: Spookdeeltjes: de mysterieuze neutrino s Wat zijn neutrino s? Neutrino-oscillaties Steriele neutrino s? Neutrino-astronomie 23/10/2017: En wat met de overige 96%? Elementaire deeltjes en kosmologie Donkere materie Donkere energie Het grote onbekende Dirk Ryckbosch (Fysica en Sterrenkunde) Elementaire Deeltjes 16 oktober 2017 33 / 34