Het (on)grijpbare neutrino

Presentatie over: "Het (on)grijpbare neutrino"— Transcript van de presentatie:

1 Het (on)grijpbare neutrino
NVWS, 2012 (Den Bosch/Venlo) Het (on)grijpbare neutrino Piet Mulders

2 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

3 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? 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

4 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 P.J. Mulders home

5 Hoe zit de wereld in elkaar?
Theorie Experiment Toepassing P.J. Mulders home

6 Materie MATERIE

7 Materie MATERIE ELEKTRON ATOOM 10-10 m 0, m

8 Het periodiek systeem

9 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, m

10 Bouwstenen van de subatomaire wereld

11 Atoomkernen Eiland van stabiliteit

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

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

14 Neutrino’s Leon Lederman

15 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, m

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

17 Hoe weten we dat allemaal? home
P.J. Mulders home

18 Gebruik de grootste microscoop op aarde

19 Detectors at CERN CMS LHCb ATLAS

20 Antideeltjes

21 Standaard model 3 deeltjesfamilies

22 Wat voelt een neutrino? Krachten in materie
P.J. Mulders home

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

24 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

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

26 Hoe werken krachtdeeltjes
P.J. Mulders home

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

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

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

30 Het spiegelbeeld van een neutrino SYMMETRIE
P.J. Mulders home

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

32 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)

33 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!

34 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

35 (even tussendoor) CPT symmetrie

36 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  (ca 500/300 per cm3)

37 Het (on)grijpbare neutrino
P.J. Mulders home

38 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

39 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

40 Hoe detecteren we Neutrinos?

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

42 Neutrino detectors Super Kamiokande Ray Davis Jr Masatoshi koshiba

43 4p  4He+2e++2e+25MeV Super Kamiokande

44 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 van die van het elektron Het blijkt hier te gaan om overgangen nm  nt

45 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 n leidt dit tot oscillaties Maar alleen als neutrinos massa hebben (m1  m2) Consequenties?

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

47 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

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

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

50 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)

51 Menging van 3 neutrino’s
Massa’s:

52 Neutrinos afkomstig van Aarde

53 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!

54 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.

55 Neutrinos uit de kosmos
P.J. Mulders home

56

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

58 Controlekamer Antares Principe ANTARES

59 Simulatie 1 ANTARES

60 simulatie 2 AMANDA (South Pole)

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

62 EINDE home

63