Neutriino-oskillaatiot Seminaariesitys Joonas Ilmavirta Jyväskylän yliopisto 29.11.2011 Joonas Ilmavirta (JYU) Neutriino-oskillaatiot 29.11.2011 1 / 16
Jotain vikaa β-hajoamisessa Ytimen β-hajoamisessa A Z P A Z+1 D + e syntyvän elektronin liike-energian pitäisi olla E e = B B2 m 2 e 2m P B (B = m P m D ), mutta energialle mitattiin jatkuva spektri. Wolfgang Pauli (1930): Syntyy kolmaskin hiukkanen, ja se vie osan energiasta, mutta sitä on liian vaikea havaita. Enrico Fermi (1934): Kvanttikenttäteoria β-hajoamiselle. Joonas Ilmavirta (JYU) Neutriino-oskillaatiot 29.11.2011 1 / 16
Jotain vikaa β-hajoamisessa Ytimen β-hajoamisessa A Z P A Z+1 D + e syntyvän elektronin liike-energian pitäisi olla E e = B B2 m 2 e 2m P B (B = m P m D ), mutta energialle mitattiin jatkuva spektri. Wolfgang Pauli (1930): Syntyy kolmaskin hiukkanen, ja se vie osan energiasta, mutta sitä on liian vaikea havaita. Enrico Fermi (1934): Kvanttikenttäteoria β-hajoamiselle. Joonas Ilmavirta (JYU) Neutriino-oskillaatiot 29.11.2011 1 / 16
Jotain vikaa β-hajoamisessa Ytimen β-hajoamisessa A Z P A Z+1 D + e syntyvän elektronin liike-energian pitäisi olla E e = B B2 m 2 e 2m P B (B = m P m D ), mutta energialle mitattiin jatkuva spektri. Wolfgang Pauli (1930): Syntyy kolmaskin hiukkanen, ja se vie osan energiasta, mutta sitä on liian vaikea havaita. Enrico Fermi (1934): Kvanttikenttäteoria β-hajoamiselle. Joonas Ilmavirta (JYU) Neutriino-oskillaatiot 29.11.2011 1 / 16
Neutriino löytyy Neutriino löytyi 1956 ja sillä oli Paulin ja Fermin ennustamat ominaisuudet. Glashow, Salam ja Weinberg (1960-luku): Sähköheikko teoria renormalisoituva (ei äärettömyyksiä) yhdistää heikon ja sähköisen vuorovaikutuksen ennustus: heikon neutraalin virran reaktiot Higgs: selitys hiukkasten massoille Joonas Ilmavirta (JYU) Neutriino-oskillaatiot 29.11.2011 2 / 16
Neutriino löytyy Neutriino löytyi 1956 ja sillä oli Paulin ja Fermin ennustamat ominaisuudet. Glashow, Salam ja Weinberg (1960-luku): Sähköheikko teoria renormalisoituva (ei äärettömyyksiä) yhdistää heikon ja sähköisen vuorovaikutuksen ennustus: heikon neutraalin virran reaktiot Higgs: selitys hiukkasten massoille Joonas Ilmavirta (JYU) Neutriino-oskillaatiot 29.11.2011 2 / 16
Neutriino löytyy Neutriino löytyi 1956 ja sillä oli Paulin ja Fermin ennustamat ominaisuudet. Glashow, Salam ja Weinberg (1960-luku): Sähköheikko teoria renormalisoituva (ei äärettömyyksiä) yhdistää heikon ja sähköisen vuorovaikutuksen ennustus: heikon neutraalin virran reaktiot Higgs: selitys hiukkasten massoille Joonas Ilmavirta (JYU) Neutriino-oskillaatiot 29.11.2011 2 / 16
Standardimallin neutriino Kutakin varattua leptonia (elektroni e, myoni µ ja tau τ) vastaa neutriino (ν e, ν µ ja ν τ ). Neutriinojen massa korkeintaan 2 ev. (Vertaa: m e 500 kev!) Oletus: Neutriinot massattomia. Kaikki kolme neutriinoa on löydetty. Joonas Ilmavirta (JYU) Neutriino-oskillaatiot 29.11.2011 3 / 16
Standardimallin neutriino Kutakin varattua leptonia (elektroni e, myoni µ ja tau τ) vastaa neutriino (ν e, ν µ ja ν τ ). Neutriinojen massa korkeintaan 2 ev. (Vertaa: m e 500 kev!) Oletus: Neutriinot massattomia. Kaikki kolme neutriinoa on löydetty. Joonas Ilmavirta (JYU) Neutriino-oskillaatiot 29.11.2011 3 / 16
Standardimallin neutriino Kutakin varattua leptonia (elektroni e, myoni µ ja tau τ) vastaa neutriino (ν e, ν µ ja ν τ ). Neutriinojen massa korkeintaan 2 ev. (Vertaa: m e 500 kev!) Oletus: Neutriinot massattomia. Kaikki kolme neutriinoa on löydetty. Joonas Ilmavirta (JYU) Neutriino-oskillaatiot 29.11.2011 3 / 16
Standardimallin neutriino Kutakin varattua leptonia (elektroni e, myoni µ ja tau τ) vastaa neutriino (ν e, ν µ ja ν τ ). Neutriinojen massa korkeintaan 2 ev. (Vertaa: m e 500 kev!) Oletus: Neutriinot massattomia. Kaikki kolme neutriinoa on löydetty. Joonas Ilmavirta (JYU) Neutriino-oskillaatiot 29.11.2011 3 / 16
Järjettömiä mittaustuloksia Kaikki mittaustulokset eivät kuitenkaan vastanneet ennusteita. Kosmiset säteet näyttävät tuottavan erilaisia neutriinoja eri puolilla Maapalloa. Auringosta tulee vähemmän elektronin neutriinoja kuin pitäisi. Ydinreaktorista tulevien neutriinojen määrä riippuu mittausetäisyydestä. Joonas Ilmavirta (JYU) Neutriino-oskillaatiot 29.11.2011 4 / 16
Järjettömiä mittaustuloksia Kaikki mittaustulokset eivät kuitenkaan vastanneet ennusteita. Kosmiset säteet näyttävät tuottavan erilaisia neutriinoja eri puolilla Maapalloa. Auringosta tulee vähemmän elektronin neutriinoja kuin pitäisi. Ydinreaktorista tulevien neutriinojen määrä riippuu mittausetäisyydestä. Joonas Ilmavirta (JYU) Neutriino-oskillaatiot 29.11.2011 4 / 16
Järjettömiä mittaustuloksia Kaikki mittaustulokset eivät kuitenkaan vastanneet ennusteita. Kosmiset säteet näyttävät tuottavan erilaisia neutriinoja eri puolilla Maapalloa. Auringosta tulee vähemmän elektronin neutriinoja kuin pitäisi. Ydinreaktorista tulevien neutriinojen määrä riippuu mittausetäisyydestä. Joonas Ilmavirta (JYU) Neutriino-oskillaatiot 29.11.2011 4 / 16
Järjettömiä mittaustuloksia Kaikki mittaustulokset eivät kuitenkaan vastanneet ennusteita. Kosmiset säteet näyttävät tuottavan erilaisia neutriinoja eri puolilla Maapalloa. Auringosta tulee vähemmän elektronin neutriinoja kuin pitäisi. Ydinreaktorista tulevien neutriinojen määrä riippuu mittausetäisyydestä. Joonas Ilmavirta (JYU) Neutriino-oskillaatiot 29.11.2011 4 / 16
Neutriinot oskilloivat Ratkaisu: Neutriinot (ν e, ν µ, ν τ ) muuttuvat toinen toisikseen. Kosmisten säteiden tuottamat neutriinot muuttuvat matkalla Maan läpi. Auringon ja ydinreaktorien tuottamat ν e :t muuttuvat osittain ν µ :ksi. Neutriinojen muuttuminen toisikseen = neutriino-oskillaatio. Joonas Ilmavirta (JYU) Neutriino-oskillaatiot 29.11.2011 5 / 16
Neutriinot oskilloivat Ratkaisu: Neutriinot (ν e, ν µ, ν τ ) muuttuvat toinen toisikseen. Kosmisten säteiden tuottamat neutriinot muuttuvat matkalla Maan läpi. Auringon ja ydinreaktorien tuottamat ν e :t muuttuvat osittain ν µ :ksi. Neutriinojen muuttuminen toisikseen = neutriino-oskillaatio. Joonas Ilmavirta (JYU) Neutriino-oskillaatiot 29.11.2011 5 / 16
Neutriinot oskilloivat Ratkaisu: Neutriinot (ν e, ν µ, ν τ ) muuttuvat toinen toisikseen. Kosmisten säteiden tuottamat neutriinot muuttuvat matkalla Maan läpi. Auringon ja ydinreaktorien tuottamat ν e :t muuttuvat osittain ν µ :ksi. Neutriinojen muuttuminen toisikseen = neutriino-oskillaatio. Joonas Ilmavirta (JYU) Neutriino-oskillaatiot 29.11.2011 5 / 16
Neutriinot oskilloivat Ratkaisu: Neutriinot (ν e, ν µ, ν τ ) muuttuvat toinen toisikseen. Kosmisten säteiden tuottamat neutriinot muuttuvat matkalla Maan läpi. Auringon ja ydinreaktorien tuottamat ν e :t muuttuvat osittain ν µ :ksi. Neutriinojen muuttuminen toisikseen = neutriino-oskillaatio. Joonas Ilmavirta (JYU) Neutriino-oskillaatiot 29.11.2011 5 / 16
Maku vai massa? Kolme eri makuista neutriinoa (ν e, ν µ, ν τ ) ja kolme eri massaista neutriinoa (ν 1, ν 2, ν 3 ). Sekoitus: ν α = i U αi ν i ja ν i = i U αi ν α. Kaksi eri kantaa: makukanta (tuottaminen ja havainnot) ja massakanta (aikakehitys). U on sekoitusmatriisi (Pontecorvo Maki Nakagawa Sakata). PMNS-matriisi U leptoneille CKM-matriisi V kvarkeille. Joonas Ilmavirta (JYU) Neutriino-oskillaatiot 29.11.2011 6 / 16
Maku vai massa? Kolme eri makuista neutriinoa (ν e, ν µ, ν τ ) ja kolme eri massaista neutriinoa (ν 1, ν 2, ν 3 ). Sekoitus: ν α = i U αi ν i ja ν i = i U αi ν α. Kaksi eri kantaa: makukanta (tuottaminen ja havainnot) ja massakanta (aikakehitys). U on sekoitusmatriisi (Pontecorvo Maki Nakagawa Sakata). PMNS-matriisi U leptoneille CKM-matriisi V kvarkeille. Joonas Ilmavirta (JYU) Neutriino-oskillaatiot 29.11.2011 6 / 16
Maku vai massa? Kolme eri makuista neutriinoa (ν e, ν µ, ν τ ) ja kolme eri massaista neutriinoa (ν 1, ν 2, ν 3 ). Sekoitus: ν α = i U αi ν i ja ν i = i U αi ν α. Kaksi eri kantaa: makukanta (tuottaminen ja havainnot) ja massakanta (aikakehitys). U on sekoitusmatriisi (Pontecorvo Maki Nakagawa Sakata). PMNS-matriisi U leptoneille CKM-matriisi V kvarkeille. Joonas Ilmavirta (JYU) Neutriino-oskillaatiot 29.11.2011 6 / 16
Maku vai massa? Kolme eri makuista neutriinoa (ν e, ν µ, ν τ ) ja kolme eri massaista neutriinoa (ν 1, ν 2, ν 3 ). Sekoitus: ν α = i U αi ν i ja ν i = i U αi ν α. Kaksi eri kantaa: makukanta (tuottaminen ja havainnot) ja massakanta (aikakehitys). U on sekoitusmatriisi (Pontecorvo Maki Nakagawa Sakata). PMNS-matriisi U leptoneille CKM-matriisi V kvarkeille. Joonas Ilmavirta (JYU) Neutriino-oskillaatiot 29.11.2011 6 / 16
Maku vai massa? Kolme eri makuista neutriinoa (ν e, ν µ, ν τ ) ja kolme eri massaista neutriinoa (ν 1, ν 2, ν 3 ). Sekoitus: ν α = i U αi ν i ja ν i = i U αi ν α. Kaksi eri kantaa: makukanta (tuottaminen ja havainnot) ja massakanta (aikakehitys). U on sekoitusmatriisi (Pontecorvo Maki Nakagawa Sakata). PMNS-matriisi U leptoneille CKM-matriisi V kvarkeille. Joonas Ilmavirta (JYU) Neutriino-oskillaatiot 29.11.2011 6 / 16
Maun muuttuminen Neutriino syntyy elektronin kanssa: ψ(t = 0) = ν e = i U ei ν i. Massakannan tiloilla on massa ja siksi myös energia. Aikakehitys: ψ(t) = i U eie ie i t ν i. Eri massoilla erilainen vaihetekijä e ie i t tilat muuttuvat fysikaalisesti. Joonas Ilmavirta (JYU) Neutriino-oskillaatiot 29.11.2011 7 / 16
Maun muuttuminen Neutriino syntyy elektronin kanssa: ψ(t = 0) = ν e = i U ei ν i. Massakannan tiloilla on massa ja siksi myös energia. Aikakehitys: ψ(t) = i U eie ie i t ν i. Eri massoilla erilainen vaihetekijä e ie i t tilat muuttuvat fysikaalisesti. Joonas Ilmavirta (JYU) Neutriino-oskillaatiot 29.11.2011 7 / 16
Maun muuttuminen Neutriino syntyy elektronin kanssa: ψ(t = 0) = ν e = i U ei ν i. Massakannan tiloilla on massa ja siksi myös energia. Aikakehitys: ψ(t) = i U eie ie i t ν i. Eri massoilla erilainen vaihetekijä e ie i t tilat muuttuvat fysikaalisesti. Joonas Ilmavirta (JYU) Neutriino-oskillaatiot 29.11.2011 7 / 16
Maun muuttuminen Todennäköisyys havaita myonin neutriino etäisyydellä L P e µ (L) = i,j U µi U eiu µju ej e L m 2 ij i 2E, missä m 2 ij = m2 i m 2 j. Todennäköisyys todella riippuu L:stä! Joonas Ilmavirta (JYU) Neutriino-oskillaatiot 29.11.2011 8 / 16
Maun muuttuminen Todennäköisyys havaita myonin neutriino etäisyydellä L P e µ (L) = i,j U µi U eiu µju ej e L m 2 ij i 2E, missä m 2 ij = m2 i m 2 j. Todennäköisyys todella riippuu L:stä! Joonas Ilmavirta (JYU) Neutriino-oskillaatiot 29.11.2011 8 / 16
Maun muuttuminen 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 Joonas Ilmavirta (JYU) Neutriino-oskillaatiot 29.11.2011 9 / 16
Maun muuttuminen 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 Joonas Ilmavirta (JYU) Neutriino-oskillaatiot 29.11.2011 10 / 16
Maun muuttuminen 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 500 000 1.0 10 6 1.5 10 6 Joonas Ilmavirta (JYU) Neutriino-oskillaatiot 29.11.2011 11 / 16
Sama ilmiö klassisessa mekaniikassa Heiluva yksittäinen jousi makutila Jousisysteemin ominaismoodi massatila Joonas Ilmavirta (JYU) Neutriino-oskillaatiot 29.11.2011 12 / 16
Avoimia ongelmia Kuinka suuria neutriinojen massat ovat ja mikä on niiden suuruusjärjestys? Millainen sekoitusmatriisi U tarkalleen on? Onko neutriinoja vain kolme? Onko neutriino eri asia kuin antineutriino? Joonas Ilmavirta (JYU) Neutriino-oskillaatiot 29.11.2011 13 / 16
Avoimia ongelmia Kuinka suuria neutriinojen massat ovat ja mikä on niiden suuruusjärjestys? Millainen sekoitusmatriisi U tarkalleen on? Onko neutriinoja vain kolme? Onko neutriino eri asia kuin antineutriino? Joonas Ilmavirta (JYU) Neutriino-oskillaatiot 29.11.2011 13 / 16
Avoimia ongelmia Kuinka suuria neutriinojen massat ovat ja mikä on niiden suuruusjärjestys? Millainen sekoitusmatriisi U tarkalleen on? Onko neutriinoja vain kolme? Onko neutriino eri asia kuin antineutriino? Joonas Ilmavirta (JYU) Neutriino-oskillaatiot 29.11.2011 13 / 16
Avoimia ongelmia Kuinka suuria neutriinojen massat ovat ja mikä on niiden suuruusjärjestys? Millainen sekoitusmatriisi U tarkalleen on? Onko neutriinoja vain kolme? Onko neutriino eri asia kuin antineutriino? Joonas Ilmavirta (JYU) Neutriino-oskillaatiot 29.11.2011 13 / 16
Pehmoneutriinoja Joonas Ilmavirta (JYU) Neutriino-oskillaatiot 29.11.2011 14 / 16
Pehmoneutriinoja Pehmoneutriinoja osoitteesta www.particlezoo.net Joonas Ilmavirta (JYU) Neutriino-oskillaatiot 29.11.2011 15 / 16
Verteksit μ μ ν α l α ν i l α W W ig 2 2 γμ (1 γ 5 ) ig 2 2 U αiγ μ (1 γ 5 ) Joonas Ilmavirta (JYU) Neutriino-oskillaatiot 29.11.2011 16 / 16