Sox i seminarium

1
Najnowsze wieści
z fizyki neutrin
Joanna Zalipska
Narodowe Centrum Badań Jądrowych
Warszawa
Seminarium Fizyki Wielkich Energii, 23 października 2015
2
O czym będzie mowa
OPERA
NOvA
Super
Kamiokande
Borexino
DayaBay
• W ramach wstępu o tegorocznej
nagrodzie Nobla przyznanej za
odkrycie oscylacji neutrin
• Nowe wyniki z eksperymentów
akceleratorowych:
OPERA
T2K
NOvA
• Co nowego w eksperymentach
reaktorowych DayaBay
• Co słychać w pomiarach neutrin
Słonecznych Borexino
DayaBay
3
Nagroda Nobla 2015
For the discovery of neutrino
oscillations, which shows that
neutrinos have masses.
Takaaki Kajita
University of Tokyo
Super-Kamiokande
Artur B. McDonald
Queen's University
SNO
Super-Kamiokande
Neutrina atmosferyczne
SNO
Neutrina słoneczne
4
Wkład polski
Prof. Danuta Kiełczewska
5
Oscylacje neutrin atmosferycznych
e-like
m-like
nm->nm
Znikanie neutrin
przechodzących
przez Ziemię
6
Z Japonii o nagrodzie Nobla
7
Oscylacje neutrin słonecznych
Oddziaływanie n na D2O w SNO:
8
Mieszanie neutrin
Stany własne zapachu i mas n
nie są identyczne
Macierz mieszania
Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata
Oscylacje neutrin zależą również od:
gdzie
9
Zmierzone parametry oscylacji
.q12 = 33.4 +- 0.85o
.Dm221 = (7.53 +- 0.18)x10-5eV2
.q23 = 45.8 +- 3.2o
.|Dm223| = (2.44 +- 0.06)x10-3eV2
.q13 = 8.88 +- 0.39o
.dCP = [0.15,0.83]p NH, [-0.08,1.09]p
IH wykluczone
2
m3
Normalna
2
1
m
Δ m223
m22
2
1
m
2
m2
Odwrócona
Δ m212
Δ m223
Δ m212
νe
2
νμ ντ
m3
10
Nowe wyniki
11
OPERA na wiązce CNGS
●
CERN
Wysoka energia wiązki 17GeV
Gran Sasso
Daleko od maksimum oscylacji ~1.5GeV,
ale celem było zaobserwowanie leptonów t
badając oscylacje nm->nt
730km
●
Zbieranie danych w latach 2008-2012
●
1.8x1020 POT zebranych danych
●
1.25 kton masa cegiełęk detektora
●
19505 zarejestrowanych oddziaływań neutrin w emulsji
12
Detektor OPERA
●
●
150 000
kostek emulsji
Sygnał z detektorów elektrycznych pozwala zlokalizować kostkę emulsji,
w której zaszło oddziaływanie neutrina
Accuracy of
predictions:
position: 1 cm
slope: 23 mrad
●
Spektrometr magnetyczny służący do rejestracji mionów
13
Przypadki nt
Sygnał
Tło
14
Nowy przypadek nt
Znaleziono 5-tego kandydata na oddziaływanie nt
Wykluczenie hipotezy
fluktuacji tła na
poziomie ufności 5.1s
Odkrycie pojawiania się nt
w wiązce nm
15
Wyniki nt
Analiza oscylacji daje
Dm223 = [2,0 – 4.7] 10-3 eV2
dla 90% C.L., przy
L/<E> = 43 km/GeV
Suma pędu wszystkich
naładowanych cząstek i g
mierzonych w emulsji
16
Eksperymenty akceleratorowe
MINOS
T2K
NOnA
• Wiązki nm albo nm
• Pomiar q23, q13, Dm223, dCP,
hierarchia mas
Gdzie
L (km) E (GeV) Off-axis Lata
MINOS
Fermilab
MINOS+
735
3
7
nie
2005-12
2013-
T2K
JPARC
295
0.7
2.5o
2010-
NOnA
Fermilab
810
2
0.84o
2014-
17
Wiązka nm
Dane neutrinowe 2010-2013
7.0 x 1020 POT
Dane anty-neutrinowe od 2014 4.04 x 1020 POT
18
Cele analizy danych nm
●
●
TPC1
Porównanie znikania nm->nm z nm->nm,
czyli testowanie symetrii CPT
Poszukiwanie łamania CP w analizie
pojawiania się ne, czyli oscylacje nm->ne
First event from  beam
in Super-Kamiokande
 event in ND280
TPC2
FGD1
TPC3
FGD2
ECal
19
Wiązka n versus wiązka n
Udział nm w wiązce n jest większy niż frakcja nm w wiązce n
20
Przekroje czynne n i n
21
Oscylacje nm->nm kontra nm->nm
Gdzie:
Transformacja CPT: n na n, dCP na -dCP, nm-> nm na nm ← nm
Jeśli CPT jest zachowane to spodziewamy się, że:
22
Znikanie nm
Selekcja w dalekim detektorze:
preliminary
Data
Expected Sin22q
23
No
best fit
oscillation
34
103.6
34.6
23
Oscylacje nm
Wyznaczone niezależne parametry oscylacji:
Wyniki analizy n konsystentne
z analizą danych n
Porównanie z danymi
n MINOS
Wyniki analizy n MINOSa i T2K
są konsystentne.
T2K daje precyzyjniejszy pomiar
kąta mieszania q .
23
24
Oscylacje nm->ne kontra nm->ne
Człon łamiący CP
Gdzie:
δCP →−δ CP
Poszukiwanie łamania CP a→−a a=2 √2 G n E ν
F e
25
Pojawianie się ne
Selekcja w dalekim detektorze:
3 przypadki ne
Oczekiwana liczba przypadków
–π/2
0
π/2
–π/2
0
π/2
signal νμ→νe
2.0
2.6
3.3
2.5
3.3
3.9
signal νμ→νe
0.6
0.5
0.4
0.5
0.4
0.3
background NC
0.3
0.3
0.3
0.3
0.3
0.3
background other
0.8
0.8
0.8
0.8
0.8
0.8
total
3.7
4.3
4.9
4.2
4.9
5.1
Normalna hierarchia Odwrócona hierarchia
Zebrana statystyka danych
nie pozwala jednoznacznie
stwierdzić czy widać pojawianie się ne w wyniku
oscylacji nm
26
Eksperyment NOnA
●
●
Może zbierać dane n i n
Do tej pory zebrano i przeanalizowano
dane n odpowiadające 2.74 x 1020 POT
14mrad off-axis
27
Detektory
28
Rejestrowane przypadki
5ms wokół wiązki
NOnA
Fermilab wiązka NuMi
500ms wokół wiązki
12ms wokół wiązki
Selekcja odziaływań n z wiązki
przez wymaganie korelacji czasowej
rejstrowanego przypadku ze
spillem wiązki
29
Oddziaływania nm
30
Metoda analizy nm
31
Znikanie nm
33 zarejestrowane
przypadki w dalekim detektorze
(0-5GeV)
201 przypadków oczekiwanych
przy braku oscylacji
(w tym 2 przypadki tła z wiązki
i 1.4 przypadka z kosmików)
Czysty sygnał oscylacji
dla nm->nm
32
Wyniki nm->nm
33
Oddziaływania ne
Dwie metody selekcji oddziaływań ne CC
34
Selekcja ne
35
ne w bliskim detektorze
36
ne w dalekim detektorze
Selekcja LID
2.74 x 1020 POT
Tło
0.94 +- 0.09 [49% ne CC, 37% NC]
Sygnał
5.62 +- 0.72
Sygnał
2.24 +- 0.29
[NH, d=3p/2, q23=p/4]
[IH, d=p/2, q23=p/4]
Dane:
6 przypadków ne
3.3s znaczoność
na pojawianie sie ne
37
ne w dalekim detektorze
Selekcja LEM
2.74 x 1020 POT
Tło
1.00 +- 0.11 [46% ne CC, 40% NC]
Sygnał
5.91 +- 0.65
Sygnał
2.34 +- 0.26
[NH, d=3p/2, q23=p/4]
[IH, d=p/2, q23=p/4]
Dane:
11 przypadków ne
5.5s znaczoność
na pojawianie sie ne
38
Wyniki pojawiania się ne
Analiza
Dane
Tło
Znaczoność
LID
6
0.94 +- 0.09
3.3s
LEM
11
1.00 +- 0.11
5.5s
Selekcja LID
Selekcja LEM
Normal
hierarchy
Norma
hierarch
Inverted
hierarchy
39
Łączna analiza ne
Selekcja LID
Selekcja LEM
Dla wszystkich sin2q23 w [0.4, 0.6]
Dla IH mildly disfavoured (>1s)
.dCP w [0,0.8]p
IH mildly disfav. na poziomie 2.2s
Dla NH mildly disfav. (>1s)
.dCP w [0,1]p
Wykluczone dCP (90%CL)
NH dCP [0.15, 0.83]p
IH dCP [-0.08, 1.09]p
40
Co dalej?
• Czy q23=45o? Jeśli nie, to który oktant? q23>45o czy q23<45o?
• Efekty materii. Zwiększenie efektywnej masy dla ne, zmniejszenie dla ne.
• Różne prawdopodobieństwo oscylacji dla n i n, nawet jeśli CP jest zachowane.
Joao Coelho (Tufts)
octant
41
Borexino i n słoneczne
Spektroskopia niskoenergetycznych neutrin
Detekcja ne
Elastyczne rozpraszanie na e
Czułe na
.ne, nm, nt
ne
nm nt
Zlokalizowany w Laboratori Nazionali del
Gran Sasso (LNGS) od 2007 roku
42
Neutrina ze Słońca
Spektra ne ze Słońca
Oczekiwane spektra w Borexino
Cykl Carbon-Nitrogen-Oxygen
Max energia
.e odrzutu
43
Pomiar 7Be - ne
Fit do spektrum energii
260 - 1600 keV
R7Be=46+-1.5(stat)+1.5/-1.6(syst) cpd/100t
Rno osc.=74.0+-5.2 cpd/100t
Sygnatura 5s na osylacje
740.4 live-days
153.6 ton x year fiducial exposure
.fn (7Be)=(2.79+-0.13)x109cm-2s-1
e
.fn (7Be)=(4.43+-0.22)x109cm-2s-1
emt
.fSSM(7Be)=4.47(1+-0.07)x109cm-2s-1
44
Pomiar pep i CNO - ne
Główne tło 11C
Jednoczesne dopasowanie
do spektrów:
m+12C->m+11C+n
11C->11B+e++n
e
●
t=29.4min
●
●
●
Spektrum E po odjęciu 11C
Spektrum E odjętych 11C
Radial distribution of events
Pulse shape parameter
Rpep=3.1+-0.6(stat)+-0.3(syst) cpd/100t
RCNO<7.9 cpd/100t at 95% C.L.
fne(pep)=(1.00+-0.22)x108cm-2s-1
fnemt(pep)=(1.63+-0.35)x108cm-2s-1
fSSM(pep)=1.44(1+-0.012)x108cm-2s-1
45
Pomiar pp - ne
2 faza eksperymentu Borexino
Oczekiwane spektra w Borexino
Oczyszczanie scyntylatora - zredukowanie
radioaktywnego tła w celu detekcji niskoenergetycznych ne pp poniżej 1MeV
●
●
●
100keV ne daje sygnał w 50PMT
Niski próg detekcji odpowiadający
~50keV
Max energia e odrzutu to 264keV
Tło
Spektrum 14C
Drugi przypadek w oknie
16ms po triggerze
Tło
Synthetic pile-up
46
Pomiar pp - ne
Fit do spektrum energii
165 - 590 keV
Rne(pp)=144+-13(stat)+-10(syst) cpd/100t
Znaczoność rejestracji strumienia
ne pp 10s!
fnemt(pp)=(6.6+-0.7)x1010cm-2s-1
fSSM(pp)=5.98(1+-0.006)x1010cm-2s-1
47
Borexino P(ne->ne)
48
Geo-ne in Borexino
Geo-ne są produkowane w rozpadach b
długożyciowych izotopów obecnych we
wnętrzu Ziemi:
238U
232Th
Detekcja ne
40K
Detekcja ne
●
ne+p->n+e+
●
Bezpośredni sygnał z anihilacji: e-+e+->2g
●
(próg En=1.806MeV)
Opóźniony sygnał z wychwytu neutronu na H
(t~255ms): n+p->D+2.2MeV g
49
Geo-ne in Borexino
2056 dni
(5.5+-0.3)x1031 proton x year
Fit MC do danych
●
●
●
●
77 zarejestrowanych przypadków ne
Wyniki fitu:
Geo-ne:
(23.7+5.7/-6.6) events
Reactor-ne: (52.7+7.8/-8.5) events
Sygnał geo-ne widoczny ze
znaczonością 5.9s
Wynik ogranicza się do 23-36TW
50
DayaBay i n reaktorowe
●
●
●
●
●
●
●
Tarcza 20t ciekłego scyntylatora Gd-LS
Otaczająca warstwa 22t LS – detekcja
uciekających g
Zewnętrzna warstwa – olej mineralny,
osłona przed zewnętrzym promieniowaniem
Wszystko otoczone wodnym Cherenkowem wetującym miony
Strumień ne z sześciu reaktorów
o mocy 2.9GW
Poszukiwanie znikania ne
Dwie stacje bliskich detektorów
i jedna daleka
51
Detekcja ne
Detekcja przez odwrotny rozpad b
●
●
Bezpośredni sygnał z anihilacji e+
Opóźniony sygnał z wychwytu n na:
Wodorze
Gadolinie
Dwie oddzielne próbki danych i dwie analizy
52
Pomiar na nGd
621 dni, 6+8 Antineutrino Detectors
●
●
Porównanie spektrum w bliskim
i dalekim detektorze
Wyraźny sygnał oscylacji
53
Analiza oscylacyjna nGd
Gdzie:
54
Wyniki analizy na nH
217 dni, 6 Antineutrino Detectors
Wyniki konsystentne z
analizą nGd
55
Podsumowanie
• Fizyka neutrin zajmuje się teraz precyzyjnymi pomiarami
parametrów oscylacji
• Nowe wyniki:
– Odkrycie pojawiania się nt w eksperymencie OPERA
– Oscylacje antyneutrin w T2K
– Pierwsze wyniki eksperymentu NonA
– Precyzyjne pomiary n słonecznych i geo-n przez Borexino
– Dwie konsystentne analizy w DayaBay
• W 2016 roku odbędzie się konferencja Neutrino
Będą nowe wyniki!
56
Backup
57
Źródła neutrin
Atmosferyczne
Słońce emituje:
2x1038 n/s
Na Ziemię dociera:
40x109 n/s/cm2
Reaktorowe
Słoneczne
Geoneutrina
.z Supernowych
.z Wielkiego Wybuchu
Akceleratorowe
.330 n/cm2
58
Neutrina
Co wiemy:
• Najlżejsze cząstki
• Oddziałujące tylko
słabo i grawitacyjnie
• Każde neutrino ma
swojego naładowanego
partnera, który definjuje
jego “zapach”
• Od 1998 roku wiadomo, że stany
zapachu neutrin się mieszają
Oscylacje neutrin np nm->ne
• Wiadomo, że n mają niezerową masę,
ale nie wiadomo jaką
59
Prawdopodobieństwa oscylacji
• Znikanie ne – eksperymenty reaktorowe
• Pojawianie się ne – eksperymenty akceleratorowe
• Znikanie nm – eksperymenty akceleratorowe
60
Zmierzone parametry oscylacji
.q12 = 33.4 +- 0.85o
.Dm221 = (7.53 +- 0.18)x10-5eV2
.q23 = 45.8 +- 3.2o
.|Dm223| = (2.44 +- 0.06)x10-3eV2
.q13 = 8.88 +- 0.39o
.dCP = [0.15,0.83]p NH, [-0.08,1.09]p IH
excluded
2
m3
Normalna
m
2
2
m
 m223
2
1
2
1
m
 m212
 m223
2
m2
Odwrócona
 m212
νe
2
νμ ντ
m3
• Hierarchia mas – normalna
czy odwrócona?
• Czy q23 jest maksymalne?
• Jaka jest wartość dCP?
• Czy istnieją neutrina
sterylne?
61
Detekcja neutrin
Aby zatrzymać n potrzebny by
był blok o grubości
3 lat świetlnych
Duże detektory neutrin
Gdy cząstka nałądowana porusza
się w ośrodku z prędkością
większą niż prędkość światła
w tym ośrodku, to emituje
promieniowanie Cherenkova
Wodny detektor Cherenkova
Super Kamiokande
62
Oddziaływania n w ND280
For n beam we use same selection
which was devloped for 2014 analyis.
it split n interactions into sub-samples
enhanced with CCQE, RES or DIS
events.
TPC
TPC
CC0π
FGD
CC1π+
CCother
sample
CC1π+
sample
CC0π
sample
i
m
i
l
e
pr
y
r
na
CCOther
FGD
TPC
63
Klasyfikacja przypadków wiązki n
64
Pomiar bliskiego detektora n
65
Pojawianie się ne i znikanie nm
Zarejestrowane przypadki oddziaływań
.n
nm
e
Data
Expected
No oscillation
28
4.92+-0.55 21.59
Sin22q13 = 0.1
Data
Expected
No oscillation
120
446.0+-22.5 125.85
Sin22q23 = 1.0
66
Oscylacje nm
Łączna analiza danych nm->nm i nm->ne
Excluded
90% CL, IH
Excluded
90% CL, NH
Pierwszy pomiar pojawiania
się ne, niezerowa wartość q13
Najbardziej precyzyjny
pomiar q23
.q13 = 8.88 +- 0.39o
.q23 = 45.8 +- 3.2o
ze znaczonością 7.3s
Dm
Favoured dCP
Z połączenia danych T2K
i reaktorowych
2
-3
2
=2.44+-0.06x10
eV
32
67
Neutrina sterylne
Dane eksperymentów
mierzących oscylacje
sugerują, że mogłoby
istnieć 4-te neutrino
Δm2sol θ12
Δm2atm, θ13
Planowane poszukiwanie
neutrin sterylnych np:
●
●
●
Źródło ne z rozpadu Cs
SOX kontynuacja Borexino
Ciekłoargonowy program w
Fermilabie z krótką bazą
●
●
En<3MeV długość oscylacji ~1m
Znikanie ne
68
Znikanie ne – Daya Bay
●
●
●
.ne z 6 reaktorów o mocy 2.9GW
Bliskie detektory dostarczają referencyjnego
pomiaru strumienia ne z reaktorów
Dalekie detektory mierzą znikanie ne
Przykład maksymalnego mieszania
q
Dm2
E
69
Neutrina
Co wiemy:
• Od 1998 roku wiadomo, że stany
zapachu neutrin się mieszają
• Najlżejsze cząstki
< 2.2 eV/c2
• Oddziałujące tylko
słabo i grawitacyjnie
• Każde neutrino ma
swojego naładowanego
partnera, który definjuje
jego “zapach”
Oscylacje neutrin np nm->ne
• Wiadomo, że n mają niezerową masę
Czym się obecnie zajmujemy:
• Pomiary parametrów/kątów opisujących zjawisko oscylacji q13, q23, q12
• Wyznaczanie hierarchii mas Dm2
• Czy symetria CP jest łamana w
sektorze neutrin? → Pomiar dCP