Het (on)grijpbare neutrino NVWS, 2012 (Den Bosch/Venlo) Het (on)grijpbare neutrino Piet Mulders http://www.nat.vu.nl/~mulders mulders@few.vu.nl

Inhoud Hoe past het neutrino tussen elementaire deeltjes? Experimenteren, materie en antimaterie Wat voelt een neutrino? Het spiegelbeeld van een neutrino Het (on)grijpbare neutrino Neutrinos vangen

Quiz 1 miljard = 1 000 000 000 = 109 1 duizendste = 0.001 = 10-3 Hoeveel seconden heeft 1 jaar? 3 x 107 s Wat is de snelheid van het licht? 300 000 km/s = 3 x 108 m/s (dus 1 lichtjaar ~ 1016 m) Hoe groot is het heelal? 15 miljard lichtjaar ~ 1,5 x 1026 m

Quiz 1 miljard = 1 000 000 000 = 109 1 duizendste = 0.001 = 10-3 Hoeveel moleculen H20 zitten er in een borrel? Navogadro ~ 6 x 1023 Hoe leeg is het heelal? minder dan 1 atoom/m3 (in schijf van melkweg 5/cm3) Hoeveel atomen bevat het heelal? ca 1079 atomen http://www.nat.vu.nl/~mulders P.J. Mulders home

Hoe zit de wereld in elkaar? Theorie Experiment Toepassing http://www.nat.vu.nl/~mulders P.J. Mulders home

Materie MATERIE

Materie MATERIE ELEKTRON ATOOM 10-10 m 0,000 000 000 1 m

Het periodiek systeem

Materie ATOOM 10-10 m ELEKTRON MATERIE ATOOMKERN 10-14 m NEUTRINO NUCLEON proton/neutron 10-15 m MATERIE ELEKTRON ATOOM 10-10 m ATOOMKERN 10-14 m NEUTRINO MATERIE ELEKTRON ATOOM 10-10 m Materie 0,000 000 000 000 001 m

Bouwstenen van de subatomaire wereld

Atoomkernen Eiland van stabiliteit

Atoomkernen Isotopen Radioactiviteit alpha beta gamma Na 15 min. Enrico Fermi

Sterren als de zon halen energie uit kernfusie: 4 H  He + 2 e + 2  + energie Per seconde zet de zon 570 000 000 000 kg waterstof om in helium De massa van de zon neemt per seconde af met 4 300 000 000 kg! Hans Bethe

Neutrino’s Leon Lederman

Materie ELEKTRON MATERIE ATOOM 10-10 m ATOOMKERN 10-14 m NEUTRINO NUCLEON proton/neutron 10-15 m QUARK up/down ELEKTRON MATERIE ATOOM 10-10 m ATOOMKERN 10-14 m NEUTRINO NUCLEON proton/neutron 10-15 m Materie < 0,000 000 000 000 000 001 m

Bouwstenen van materie d u proton d u neutron nucleonen Massa komt voor circa 98% uit energie ten gevolge van opsluiting! home

Hoe weten we dat allemaal? home http://www.nat.vu.nl/~mulders P.J. Mulders home

Gebruik de grootste microscoop op aarde

Detectors at CERN CMS LHCb ATLAS

Antideeltjes

Standaard model 3 deeltjesfamilies

Wat voelt een neutrino? Krachten in materie http://www.nat.vu.nl/~mulders P.J. Mulders home

Krachten in het dagelijks leven Elektromagnetisme Zwaartekracht Twee van de vier basiskrachten Beide gebaseerd op fundamentele principes home

UNIFICATIE Standaard model 3 deeltjesfamilies 4 fundamentele krachten sterke kracht quark  nucleon  atoomkern elektromagnetische kracht atoom  molecuul  complexiteit zwakke kracht verval + productie neutrinos zwaartekracht UNIFICATIE

Standaard model 3 deeltjesfamilies 4 fundamentele krachten Bijbehorende krachtdeeltjes Hoeveel families zijn er? botsingswaarschijnlijkheid energie (GeV) + HIGGS VELD (en deeltje) home

Hoe werken krachtdeeltjes http://www.nat.vu.nl/~mulders P.J. Mulders home

Krachtdeeltjes van zwakke kracht brengen krachten over creëren een paar (deeltje-antideeltje) annihileren een paar

Bijvoorbeeld: verval van neutron Neutron beta-verval n  p + e- + ne Op niveau van quarks d  u + e- + ne

Sterkte van krachten GF ~ a/MW2 sterke kracht elektromagne-tische kracht zwakke kracht GF ~ a/MW2

Het spiegelbeeld van een neutrino SYMMETRIE http://www.nat.vu.nl/~mulders P.J. Mulders home

Spiegelsymmetrie Gespiegelde wereld? Bijvoorbeeld: Tol Gespiegelde wereld bestaat ook Conclusie: onze alledaagse wereld is spiegelsymmetrisch!

Spiegelsymmetrie Voor een magneet in de spiegelwereld zijn N-pool en Z-pool verwisseld We kunnen dit begrijpen wanneer we realiseren dat een magneet is opgebouwd uit ronddraaiende ladingen van de elektronen in de atomen! (richting van magneetveld via de kurketrekkerregel)

Gebroken spiegelsymmetrie spiegelbeelden rechtshandig voor neutrino’s bestaat wel nL en geen nR linkshandig pion vervalt in spinnende deeltjes Voor neutrino maar een spinrichting! Maar hoe kunnen we dat meten? spin + lading  magneet Alleen m+ bij N-pool van magneet!

CP symmetrie Spiegelsymmetrie (P) is gebroken in de wereld van de deeltjes Deeltje-antideeltje symmetrie (C) idem Maar … de combinatie is wel een symmetrie We kunnen nog een stapje verder gaan: CPT-symmetrie bijna _ K0 = ds, K0 = sd zijn net niet even zwaar en vervallen anders

(even tussendoor) CPT symmetrie

Tijdsomkeer CPT is (zover we nu weten!) wel een goede symmetrie van de wereld CP is bijna goede symmetrie Dus ook tijdsomkeer is bijna goede symmetrie, maar niet helemaal! Daarmee kunnen we in principe het overschot aan materie in het heelal begrijpen (en dat is maar heel klein, 1 : 109) Aantal baryonen  1079 (ca 0,25 per m3) Maar het aantal fotonen/neutrino’s  1088 (ca 500/300 per cm3)

Het (on)grijpbare neutrino http://www.nat.vu.nl/~mulders P.J. Mulders home

Waar komen neutrino’s vandaan? Zwak verval van atoomkernen (Zon/kernreactoren): …n…  …p… + e- + ne (rechtshandig) …p…  …n… + e+ + ne (linkshandig) Kosmische straling (pion verval) p-  m- + nm (rechtshandig) p+  m+ + nm (linkshandig) Overgebleven na de oerknal net als fotonen (achtergrondstraling T = 3 K), van alle neutrino soorten zo’n 300 per cm3

Recentelijk beantwoorde vragen Gallium Chlorine SuperK & SNO Hoe zwaar zijn neutrino’s ? Waar blijven de neutrino’s van de Zon? Helft was zoek! Neutrino energie in MeV Bahcall-Serenelli 2005 Neutrino flux in aantal/cm2 s Ray Davis & John Bahcall

Hoe detecteren we Neutrinos?

Neutrino detectie technieken Detectie via cherenkov licht uitgezonden door deeltjes die “sneller” dan het licht bewegen (bron: antares experiment)

Neutrino detectors Super Kamiokande Ray Davis Jr Masatoshi koshiba

4p  4He+2e++2e+25MeV Super Kamiokande

Neutrino oscillaties in atmosfeer Superkamiokande heeft aangetoond dat neutrinos van de ene in een andere soort veranderen (oscillaties) Oscillatie-golflengte is duizenden kilometers  massa’s kleiner dan 0.000 000 01 van die van het elektron Het blijkt hier te gaan om overgangen nm  nt

Neutrino oscillaties in atmosfeer Neutrino’s worden in atmosfeer gecreeerd in verval van pionen. Dit zijn nm neutrino’s Als het nm neutrino een quantummechanische superpositie is van neutrino’s n1 en n2 leidt dit tot oscillaties Maar alleen als neutrinos massa hebben (m1  m2) Consequenties?

Dirac and Majorana neutrinos Paul Dirac P = spiegelen C = deeltje-antideeltje T = tijdomkeer

Dirac and Majorana neutrinos Oplossing 1: Dirac neutrino Dit kan alleen als neutrinos geen massa hebben! Dirac deeltjes met massa komen altijd in rechts- en linkshandige variant

Dirac and Majorana neutrinos Oplossing 2: de omcirkelde neutrinos voelen niets steriele neutrinos! Dirac neutrino

Dirac and Majorana neutrinos Oplossing 3: neutrino is zijn eigen antideeltje! Ettore Majorana

Neutrino oscillaties in de zon Oscillaties veroorzaakt doordat ne anders wisselwerkt met materie dan nm en nt ne ‘voelt’ elektronen en neutronen anders SNO heeft laten zien dat wat er tekort is aan ne verschijnt als een andere soort Oscillaties van het type ne  combinatie van nm en nt Sudbury Neutrino Observatory (SNO)

Menging van 3 neutrino’s Massa’s:

Neutrinos afkomstig van Aarde

Waarom zo moeilijk doen? Kijk gewoon naar een supernova die zowel fotonen als neutrinos maakt en kijk welke het eerste aankomen. Deeltjes met massa bewegen langzamer dan de lichtsnelheid! Surprise! De neutrino’s van SN 87A kwamen net zo snel of zelfs eerder aan! Of maak een heleboel neutrino’s en stuur ze van CERN naar de Gran Sasso detector in Italie (OPERA). Surprise! Superluminal neutrinos! Kan ‘natuurlijk’ niet!

Wat is hier aan de hand? Deeltjes met massa bewegen inderdaad langzamer dan de lichtsnelheid! Maar ook de lichtsnelheid is in materie kleiner dan die in vacuum, zelfs in het ijle heelal! En hoe precies weet je de begintijd? Met neutrino-massa’s die meer dan een miljoen maal kleiner zijn dan de elektron-massa, zijn de verschillen heel klein: v/c = 1–10-15, d.w.z. minder dan 10 m op 1 lj. En voor OPERA komt v/c = 1–10-15 neer op 1 nm op 1000 km.

Neutrinos uit de kosmos http://www.nat.vu.nl/~mulders P.J. Mulders home

Een laboratorium onder water ANTARES (middellandse zee) Doel is een volume ter grootte van een km3 KM3NET

Controlekamer Antares Principe ANTARES

Simulatie 1 ANTARES

simulatie 2 AMANDA (South Pole)

Neutrinos zouden best wel eens belangrijke boodschappers uit het heelal kunnen blijken

EINDE home