Neutriinofysiikka. Tvärminne Jukka Maalampi Fysiikan laitos, Jyväskylän yliopisto

Transkriptio

1 Neutriinofysiikka Tvärminne Jukka Maalampi Fysiikan laitos, Jyväskylän yliopisto

2 Neutriinon keksiminen Ongelma 1900-luvun alusta: beetahajoamisessa syntyvän neutriinon energiaspektri on jatkuva. Ratkaisu: elektronin lisäksi ytimestä poistuu kevyt neutraali hiukkanen. Wolfgang Pauli Olen tehnyt sellaista, jota kenenkään teoreetikon ei tulisi tehdä: keksinyt hiukkasen, jota ei voida havaita!

3 Neutriinot kuuluvat aineen perushiukkasiin LEP osoitti, että kevyitä aktiivisia neutriinoja on kolme lajia. Lisäksi voi olla raskaita neutriinoja ja steriilejä neutriinoja.

4 Mistä neutriinoja tulee? Ydinvoimalat ja ydinaseet Aurinko Hiukkaskiihdyttimet Supernovat Ilmakehä, kosmisten säteiden vaikutuksesta Aktiiviset galaksiytimet Maapallon sisällä tapahtuvat ydinreaktiot Alkuräjähdys

5 Neutriinojen sekoittuminen Vrt. kvarkkien sekoittuminen Makutilat Sekoitusmatriisi Massatilat Elektronin neutriinolla, myonin neutriinolla ja taun neutriinolla ei ole määrättyä massaa. Ne ovat kolmen massatilan superpositioita. Esimerkiksi e U e1 1 U e2 2 U e3 3

6 Massan mittaaminen Tritiumin beetahajoaminen 3 H 3 He e e Mitataan efektiivistä massaa " m e " U ei m i1,2,3 2 2 i. " m e " 2.2 ev. Uusi KATRIN-koe pääsee tasolle 0.2 ev.

7

8 Pionin hajoaminen m p m m m m 2 kev 170 " " m ) )( (, ) ( Taun hajoaminen 18.2 MeV " " m ) (. p p M m m M m E i Epäsuorasti saatu tieto massoista viittaa näitä rajoja paljon pienempiin massoihin.

9 Oskillaatio Neutriinot syntyvät ja havaitaan makutiloina, mutta ne etenevät massatiloina. Massatilat etenevät eri tavalla, koska massat eroavat toisistaan Makutila voi muuttua lennon aikana toiseksi makutilaksi., e,, Todennäköisyys maun muuttumiselle matkalla L, kun neutriinon energia on E.

10 Kahden neutriinon oskillaatio U cos sin sin cos P(, L) sin 2 2 sin 2 Lm 4E 2 Lm 4E Lm 4E Lm 4E Mittaustuloksissa m 2 -riippuvuus Oskillaatiot eivät ehtineet alkaa P keskiarvoistuu arvoon 1 2 sin 2 2, ei oskillaatiota

11

12 At present this is highly speculative, there is no experimental evidence for neutrino oscillations... D.J. Griffiths (1995), Introduction to Quantum Mechanics

13 Neutriinojen oskillaatio nähtiin ensimmäisen kerran 1997, kun mitattiin kosmisen säteilyn ilmakehässä synnyttämiä neutriinoja (ilmakehäneutriinot)

14 Aurinkoneutriinot Raymond Davisin Homestakekoe. Auringosta ei tule tarpeeksi neutriinoja. Super-Kamiokande-koe varmisti Davisin tuloksen. Sudbury Neutrino Observatory (SNO) Kanadassa ratkaisi v 2001 aurinkoneutriino-ongelman: neutriinoja tulee oikea määrä. Osa elektronin neutriinoista oskilloi matkalla myonin ja taun neutriinoiksi. Ilmaisin raskasta vettä D 2 O:ta

15 Tsherenkovin säteilyn aiheuttama signaali Super- K:ssa. Noin 1.6 GeV:n neutriino on törmännyt protoniin, ja on syntynyt 1.3 GeV:n myoni.

16 Aurinkoneutriinojen spektri

17 Neuriinoaurinko paistaa aina!

18 Oskillaatiot laboratoriokokeissa Kiihdyttimellä tuotetun neutriinosuihkun havaitseminen kaukana. P(, L) sin 2 sin L m 4E 2 2 2

19

20 Sekoitusmatriisin parametrisointi Polttavia kysymyksiä: Miten pieni 13 on? Onko = 0?

21 m 3 m 2 23 ~ 2.4 x 10-3 ev 2 m 2 m 1 m 2 12 ~ 7.7 x 10-5 ev 2 e

22 Tri-bimaksimaalinen sekoitus

23 Normaalihierarkia? Käänteinen hierarkia

24 Dirac- vai Majorana-neutriino? Dirac-neutriino e - Majorana-neutriino n p Neutriinoton kaksoisbeetahajoaminen on mahdollinen vain Majorana-neutriinoille. X e e Hajoamista ei ole havaittu vielä. n p Elinaika verrannollinen lausekkeeseen e - m m ee k U 2 ek m k m 0.2 ev

25 Supernovaneutriinot Tähden romahduksessa vapautuva energia vapautuu lähes kokonaan neutriinoina Neutriinot saattavat paineellaan itse leimahduksen alkuun Supernovasta 1987A havaittiin neutriinopulssi (n. 20 neutriinoa) Oli sopusoinnussa teorioiden kanssa protoni + elektroni Supernova 1987A Suuressa Magellanin pilvessä, valovuoden päässä neutroni + neutriino

26

27 Neutriinoilta ja valolta kesti vuotta tulla supernovasta Maahan. Sillä aikaa

28 Erittäin suuren energian neutriinot Aktiivisissa galaksiytimissä ja mustien aukkojen läheisyydessä syntyy suurienergiaisia neutriinoja Musta aukko

29 Neutriino lentää suoraan kohteesta ilmaisimeen. Ihanteellisia kosmisen säteiden lähteiden paikallistamiseen.

30 IceCube Etelänavalla jään sisällä valomonistinputkien helminauhoja Neutriino reagoi atomiytimen kvarkin kanssa, tuloksena elektroni, myoni tai tau. Näiden synnyttämän Tsherenkovin säteily havaitaan Mittaa energia-aluetta ev. (Parhaalla hiukkaskiihdyttimellä saavutetaan energia ev!)

31 Eurooppaan suunnitellaan suurta neutriinoilmaisinta Yksi vaihtoehto on LENA. Suuri tankki, jossa tonnia öljyä. Neutriinot saavat öljyatomit tuikahtamaan, valo havaitaan valomonistinputkilla Pyhäsalmen kaivos mahdollinen sijoituspaikka LAGUNA-hanke

32 Suomen korkein rakennus!

33 Eurooppalaisia fyysikoita tutustumassa Pyhäsalmen kaivokseen

34 LENA:n mittaukset Aurinkoneutriinot Ilmakehässä syntyvät neutriinot Supernovaneutriinot (~ neutriinoa Linnunradan supernovasta) Pimeän aineen synnyttämät neutriinot Maa sisällä syntyvät neutriinot eli geoneutriinot ( kpl vuodessa) Protonin hajoaminen

35 Geoneutriinot Maapallon ainekoostumus ja tiheysjakautuma Maapallon sisäinen energiatuotanto (mannerlaattojen liike, magneettikenttä, ) Maapallo tunnetaan vain 10 km:n syvyyteen Energiatuotanto n. 44 TW. Suuri osa peräisin 238 U:n 232 Th:n ja 40 K :n radioaktiivisista hajoamisista.

36 Geoneutriinojen mittauspaikat

37