77

“Csendes fizika” ´ Manno Istvan ´ ´ Magfizikai Kutatoint ´ ezet ´ KFKI, Reszecskees ´ 2007. majus 4.

“Csendes fizika” – p.1/77

Az el˝oadás tartalma Bevezetés “Csendes fizika” A “csendes fizika” kisérletei Ritka események Ritka események számának növelése Háttéresemények Védekezés a háttéresemények ellen I Laboratori Nazionali del Gran Sasso ˝ Foépület A C-terem Bomlások “Csendes fizika” – p.2/77

Az el˝oadás tartalma (folytatás) Megmaradási törvények I Megmaradási törvények II Megmaradási törvények III Cserenkov-sugárzás Cserenkov-sugárzás (ábra) A proton bomlása Protonbomlás (ábra) Super Kamiokande (SK) Super Kamiokande (kép) Protonbomlások a SK-ban A proton bomlásidejének analizálása “Csendes fizika” – p.3/77

Az el˝oadás tartalma (folytatás) Megjegyzés A Standard Modell A neutrínó ˝ A csillagászat fejlodése Az elektromágneses sugárzás Történelem A neutrínó mint kutatási eszköz Hol születnek a neutrínók? Földneutrínók (geoneutrínók) KamLAND KamLAND (kép) “Csendes fizika” – p.4/77

Az el˝oadás tartalma (folytatás) Atmoszférikusneutrínók Mennyi energiát sugároz szét a Nap? Mekkora a Nap életkora? Madách Imre: “Az ember tragédiája” Miért tévedtek a fizikusok? ˝ ragyog a Nap? Mitol Termonukleáris reakciók a Napban A napneutrínók A napneutrínók energiaspektruma A napneutrínó-események szelektálása A neutrínófizika mérföldkövei “Csendes fizika” – p.5/77

Az el˝oadás tartalma (folytatás) A 37 Cl kisérlet A 37 Cl kisérlet (kép) A napneutrínók problémái Oszcillálnak-e a napneutrínók? Megoldották a napneutrínók problémáját A szupernovák A sötét anyag (dark matter) Egzotikus részecskék (mágneses monopólus szuperszimmetrikus részecskék, stb.) ˝ β -bomlás Kettos Távoli gyorsítók nyalábjai “Csendes fizika” – p.6/77

Bevezetés Hiba lenne azt gondolni, hogy az érdekes részecskefizikai˝ kisérleteket a jövoben csak nagy részecskegyorsítók mel˝ lett fogják végezni. Az utóbbi idoben egyre nagyobb érdek˝ lodés kiséri az úgynevezett “csendes fizikát”, azokat a kisérleteket, amelyeket mélyen a föld alatt kis háttérsugárzással rendelkezo˝ laboratóriumokban végeznek.


“Csendes fizika” (Underground physics) ˝ ˝ Az utóbbi idoben egyre nagyobb érdeklodés kiséri az úgynnevezett “csendes fizikát”, azokat a kisérleteket, amelyeket mélyen a föld alatt kis háttérsugárzással rendelkezo˝ laboratóriumokban végeznek. A “Csendes fizika” a fizika egy viszonylag fiatal ága, amely csupán néhány évtizedes múltra tekinthet vissza. A “csendes fizika” két szempontból is találó elnevezés. ˝ Eloször is azért, mivel kozmikus csend uralkodik azokon a helyeken, ahol ezeket a kisérleteket végzik. Másodszor pedig azért, mert ezeken a helyeken nem lehet hallani a Föld felszínén létezo˝ zajokat. “Csendes fizika” – p.8/77

A “csendes fizika” kisérletei Vannak olyan problémák, amelyeket gyorsítós kisérletekkel lehetne tanulmányozni, azonban a jelenlegi gyorsítók ˝ kiindulva olyan nagy gyorsítót kellene építeni, méreteibol ˝ amelynek kerülete nagyobb lenne a Föld egyenlítojénél. Ilyen gyorsító megépítésére nyilvánvalóan nincs mód. ˝ Lehet, hogy az Univerzum születésekor az osrobbanásban (Big Bang) keletkeztek és még ma is léteznek egzotikus részecskék, mivel elkerülték azt, hogy a keletkezésük után találkozva antirészecskéjükkel annihilálódjanak. Ilyen esetben azt tehetjük, hogy építünk egy detektort és várjuk, hogy a részecske áthaladjon a detektoron. “Csendes fizika” – p.9/77

Ritka események Vannak olyan események, amelyek nagyon ritkán következnek be, ilyen események például az olyan bomlások, amelyeknek nagyon kicsi a bomlási állandójuk, vagy olyan részecskék kölcsönhatásai, amelyek az anyaggal nagyon gyengén hatnak kölcsön, nagyon kicsi a hatáskeresztmetszetük, ilyenek például a neutrínó-kölcsönhatások. ˝ A Nagy Magellán-felhoben 1987 február 23-án felragyogott egy szupernova (SN1987A). Ebben a csillagrobbanásban ∼ 1069 neutrínó keletkezett, ezek közül ∼ 1016 haladt át a

Kamiokande II. detektoron és a detektor ezek közül csupán ˝ vett észre (detektált). tizenkattot “Csendes fizika” – p.10/77

A ritka események számának növelése ˝ A ritka események számát az esemény típusától függoen különbözo˝ módon lehet növelni: Nagy céltárgyat kell használni, amelyben sok részecske van (több ezer tonna). Nagy intenzitású részecskenyalábot kell alkalmazni. Ha lehetséges növelni kell a részecskék hatáskeresztmetszetét. Hosszú ideig kell mérni (több év).


Háttéresemények Háttéreseményeknek nevezzük azokat az eseményeket, amelyek a vizsgálni kivánt eseményekhez hasonló nyomot képesek hagyni a detektorban. A kozmikussugárzás és a természetes radioaktivitás háttéreseményeket hoznak létre. Azért, hogy a háttéresemények ne zavarják a vizsgálatra kiválasztott események kiértékelését, a számukat egy meghatározott érték alá kell csökkenteni.


Védekezés a háttéresemények ellen A háttéresemények elleni védekezésnek két módja van. Az aktív esetben fel kell ismerni a háttéreseményeket és a felismert eseményeket ki kell zárni a vizsgálni kivánt események közül (antikoincidencia, trigger, offline software). A passzív esetben, például a kozmikussugárzás ellen vastag anyagréteggel lehet védekezni. Ezért a kisértleteket mélyen a föld alatt, vagy a víz alatt végzik. A

természetes

radioaktivitás

ellen

pedig

úgy

lehet

védekezni, hogy a detektorban és a környezetében a ˝ radioaktivitás szempontjából megfeleloen tiszta anyagokat kell használni. “Csendes fizika” – p.13/77

I Laboratori Nazionali del Gran Sasso


Main Building


Hall-C


Bomlások Általában egy részecske, vagy a részecskéknek egy rendszere akkor stabil, ha vagy a lehetséges legalacsonyabb energia állapotban található, vagy valamilyen “mechanizmus” megakadályozza, hogy a legalacsonyabb energia állapotba kerüljön. Például egy elektron nem bomolhat neutrínóba, sem fotonba, akkor sem, ha azok tömege kisebb mint az elektron tömege, azért mert ebben a bomlásban nem marad meg az elektromos töltés. Az elektromos töltésnek meg kell maradnia egy szimmetria elv (a skalár tér helyi mértékinvarienciája) miatt. “Csendes fizika” – p.17/77

A megmaradási törvények I Egy mennyiség megmaradása annyit jelent, hogy a reakció ˝ értékek összege ugyanakkora, mint a reakció végén elotti kapott értékek összege. Vegyük például az elektromos töltést. A szabad neutron elbomlik: n → p+ + e− + ν¯e ,

ahol a neutron (n) semleges, azaz elektromos töltése 0. A bomlásban keletkezo˝ részecskék töltései: a proton (p) töltése +1, az elektron (e) töltése -1, az antielektronneutrínó (ν¯e ) töltése pedig 0. Így az elektromos töltések összege a ˝ (0) ugyanakkora, mint a bomlás után (0). bomlása elott “Csendes fizika” – p.18/77

A megmaradási törvények II ˝ Az alapveto˝ megmaradási törvények az ido,

a tér

és a Maxwell-egyenletek szimmetria tulajdonságainak a következményei.

Nevezetesen annak, hogy a fizikai

törvények nem változnak meg, invariánsak, ha megvál˝ ˝ toztatjuk az idoskála kezdopontját, a koordinátarendszer ˝ kezdopontját, ha elforgatjuk a koordinátarendszert vagy ha ˝ megváltoztatjuk az elektromos potenciál kezdopontját.


A megmaradási törvények III Vannak olyan megmaradási törvények, amelyek nem alapveto˝ szimmetria tulajdonságokon nyugszanak. Azért tekintjük ezeket megmaradási törvényeknek, mert sohasem figyeltük meg azt, hogy nem teljesülnek.

Abból azonban, hogy nem figyeltük meg a proton bomlását nem következik az, hogy a proton nem bomlik.


Cserenkov-sugárzás Cserenkov-sugárzás akkor jön létre, ha egy elektromosan töltött részecske egy átlátszó közegben gyorsabban halad, mint a fény v > vt = c/n , ahol v a részecske sebessége, vt a fény sebessége az átlátszó anyagban, c a fény sebessége vákuumban, n pedig az átlátszó anyag fénytörésmutatója. A töltött részecske polarizálja az átlátszó anyag molekuláit, amelyek gyorsan visszatérnek az alapállapotukba és közben fotonokat bocsátanak ki. A kibocsátott sugárzás hullámfrontja ϑ szöget zár be a részecske haladási irányával: cos ϑ = vt /v = c/(vn) = 1/(βn) ,

ahol β = v/c . “Csendes fizika” – p.21/77

Cserenkov-sugárzás


A proton bomlása A proton következo˝ bomlása: p → π 0 + e+ π0 → γ + γ

nem mond ellent az alapveto˝ megmaradási törvényeknek. Ilyen bomlást azonban nem találtak. Ennek a magyarázatára 1930-ban Hermann Weyl, E.C.G. Stückelberg és Eugene P. Wigner bevezeték a barionszámot.

A barion-

szám megmaradása azonban nem alapszik olyan alapveto˝ elveken, mint a korábban említett megmaradási törvények. “Csendes fizika” – p.23/77

Protonbomlás


Super Kamiokande (SK) A kisérlet 2000 láb (609.6 m) mélyen van a föld felszine alatt. Ez egy Cserenkov-detektor, amelynek a céltárgya víz (50000(32000) tonna). A vízben neutrínó – elektron szórás megy végbe: νe + e− → νe0 + e0− ,

νµ + e− → νµ0 + e0− ,

Eth = 9 MeV .

A víz egy duplafalú, hengeralakú rozsdamentes acélból készült tartályban van, amelynek belso˝ felületén 11146 ˝ u˝ fotoelektron-sokszorozó darab 20 inch (50.8 cm) átméroj figyeli a tartályban bekövetkezo˝ eseményeket. A hengeralakú detektor méretei: d = 39.3 m, h = 41.4 m. 1996-ban kezdett mérni. “Csendes fizika” – p.25/77

Super Kamiokande


Protonbomlások a SK-ban A proton bomlásának idejét jelenleg 1033 évnél hosszabbra becsüljük. A részecskék bomlását a következo˝ egyenlet írja le: N = N0 e−λt ≈ N0 (1 − λt) , ahol λ = 10−33 /év. A Super Kamiokande céltárgya 50000(32000) víz, ebben a szabad protonok száma: N0 = 3.3 × 1033 .

Ezeket felhasználva, bomlások száma egy év alatt: ∆N = N0 − N = N0 λt = (3.3 × 1033 ) ×

10−33

1év

(1év) = 3.3 .


A proton bomlásidejének analizálása Feltéve, hogy a proton bomlásideje 1033 év, az SK-ban évente átlagosan 3 protonbomlást várunk. A Poisson eloszlás, f (k; µ) = µk e−µ /k! alapján annak a valószínusége, ˝ hogy µ = 3. várhatóérték mellett ne detektáljunk egy bomlást sem: 30 e−3 f (0; 3) = = 0.05 . 0!

Ez nagyon kicsi érték, ami azt sugalja, hogy a proton bomlási állandója a használt értéknél kisebb.


Megjegyzés ˝ Amikor kezdetben felvetodött a proton bomlásának a kérdése, a szakemberek többsége úgy gondolta, hogy a proton stabil. Most, hogy a kisérletek egyre nagyobb értéket adnak a proton bomlásidejének alsó határára a szekemberek többsége biztosra veszi, hogy a proton bomlik.


A Standard Modell


Neutrínó Három elektromosan töltött leptont ismerünk: az elektront (e− ) és a hozzá hasonló, de nála nehezebb müont (µ− ) és a taut (τ − ). Minden töltött leptonhoz tartozik egy elektromosan semleges lepton, egy neutrínó: az elektronhoz az elektronneutrínó (νe ), a müonhoz a müonneutrínó (νµ ), a tauhoz pedig a tauneutrínó (ντ ). A neutrínók a gravitációskölcsönhatáson kívül csak a gyengekölcsönhatásban vesznek részt, ˝ ezért nagyon nehéz detektálni oket.


A csillagászat fejl˝odése A csillagászat a világegyetem megismerésével, az égitestek tanulmányozásával foglalkozó tudomány. Irásos ˝ és régészeti emlékek tanuskodnak arról, hogy elodeink több évezrede már foglalkoztak csillagászati problémákkal. ˝ kezdve egyre több “ablak” nyilt A távcso˝ felfedezésétol ki a csillagos ég tanulmányozására.

Különösen a XX.

század második felében a látható sugárzáson kivül az emberi szem számára láthatatlan sugárzásokkal számos új ˝ jelenséget fedeztek fel például: az osrobbanásból származó kozmikus mikrohullámú háttérsugárzást (CMBR), az aktív galaxis magokat (AGN), a gammasugárzási forrásokat (GRB), stb.


Elektromágneses sugárzás Sugárzás

Hullámhossz (m)

Frekvencia (Hz)

3 × 10−1 < λ < 2 × 103

1.5 × 105 < ν < 3 × 1013

1 × 103 < λ < 2 × 103

1.5 × 105 < ν < 3 × 105

közép

1.5 × 102 < λ < 6 × 102

5 × 105 < ν < 2 × 106

rövid

1.5 × 101 < λ < 5 × 101

6 × 106 < ν < 2 × 107

ultrarövid

1 < λ < 1.5 × 101

2 × 107 < ν < 3 × 108

mikrohullám

3 × 10−5 < λ < 1

3 × 108 < ν < 1013

7.6 × 10−7 < λ < 3 × 10−4

3 × 1012 < ν < 3.9 × 1014

3.8 × 10−7 < λ < 7.6 × 10−7

3.9 × 1014 < ν < 7.8 × 1015

10−8 < λ < 3.8 × 10−7

7.8 × 1014 < ν < 3 × 1016

10−12 < λ < 10−8

3 × 1016 < ν < 3 × 1020

3 × 10−14 < λ < 3 × 10−10

3 × 1018 < ν < 6 × 1022

Rádió hosszú

Infravörös Látható Ultraibolya Röntgen (X) Gamma (γ)


Történelem • 1608 hollandiai távcso˝ • 1590 olasz távcso˝ (Galilei) • 1945 számítógép (Neumann) • 1946 Radarcsillagászat (Bay) • Röntgencsillagászat

• 1964 neutrínócsillagászat • Rádiócsillagászat • Infravöröscsillagászat • Ultraibolyacsillagászat • Gammacsillagászat


A neutrínó mint kutatási eszköz A neutrínók kiváló kutatási eszközök, szondarészecskék. Ennek az a magyarázata, hogy az anyaggal csak gyengén ˝ hatnak kölcsön. Az anyag alig abszorbeálja oket, az ˝ nem hatnak rájuk, így a elektromos és mágneses mezok ˝ egyenes vonalban érkeznek meg a keletkezési helyüktol ˝ detektorhoz, megorizve az információt a keletkezésük ˝ (impulzus, energia, a keletkezési helyükhöz körülményeirol mutató irány). Így a neutrínók eljutnak hozzánk az ˝ ahol érdekes égitesteket Univerzum távoli részeibol, találunk. Más szondarészecskéket az anyag abszorbeál. Az elektromosan töltött részecskéket eltérítik az elektromos és mág˝ neses mezok. “Csendes fizika” – p.35/77

Hol születnek a neutrínók? Részecskegyorsítókban, atombombarobbantásokban, atomreaktorokban. Földben és az atmoszférában. A Napban és a csillagokban a termonukleáris reakciókban. A szupernováknak nevezett csillagrobbanásokban. Az Univerzum más aktív részeiben, mint például az aktív galaxisokban. A sötét anyag annihilációjakor ˝ Az osrobbanásban (háttérneutrínók).


Földneutrínók (geoneutrínók) A geoneutrínók nagyon alkalmasak arra, hogy segítségükkel bepillantsunk a Föld belsejébe végbemeno˝ folyamatokba. ˝ 2004 októberében elso˝ esetben mérték a Föld belsejébol érkezo˝ ún. geoneutrínókat a KamLAND (Kamioka liquid scintillator antineutrino detector) földalatti neutrínó-detektorral. Ezek a neutrínók föleg az 238 U és 232 Th bomlási sorokban keletkeznek a Föld belsejében. A KamLAND egy 1kt folyadészcintillátort tartalmazó detektor. ˝ A szakemberek úgy gondolják, hogy idovel lehetséges lesz ˝ a háromdimenziós komputertomográfiás a Föld belsejérol felvételekhez hasonló felvételeket is készíteni. “Csendes fizika” – p.37/77

KamLAND ˝ u˝ átlátszó balAz 1 kt folyadészcintillátor egy 13 m átméroj lonban van.

A ballon egy fémgömben van, a ballon és

a fémgömb közötti részt egy bufferfolyadék tölti ki.

Az

1800 fotoelektron-sokszorozót a fémgömb belso˝ felületéhez rögzítették. A fémgömböt a Kamiokande II rozsdamentes acéltartályában helyezték el (d = 15.6 m, h = 16.0 m). A detektor központi részét több ezer tonna víz veszi körül. A víz többféle módon védi a detektor központi részét a radioaktív ˝ az üreg sugárzástól. Passzív módon abszorbeálja a kintrol, falából jövo˝ neutronokat. Aktív módon pedig felismeri a detektorba érkezo˝ müonokat.


KamLAND


Mennyi energiát sugároz szét a Nap? 1 cm3 jég a Földön ∼ 40 perc alatt elovad egy nyári napon. A Nap-Föld távolságának megfelelo˝ sugarú (150 millió ˝ álló gömbhély is elolvad kilométer), 1 cm vastag jégbol ∼ 40 perc alatt. A Nap teljes felszínét beborító 0.44 km vastag jégréteg is elolvat ∼ 40 perc alatt. Ez a Föld térfogatának ∼ 2.5-szerese.


Mekkora a Nap életkora? A Nap által szétsugárzott energia és a Nap életkora olyan szoros kapcsolatban áll egymással, mint egy érem két oldala. • Kémiai reakció 3000-4000 év • 1862 Lord Kelvin: gravitáció 20 000 000 év • Charles Darvin: erózió és evolució 300 000 000 év • Mai tudásunk alapján: 4 600 000 000 év


Madách Imre: “Az ember tragédiája” Madách Imre 1860-ban írt drámájában, “Az ember tragédiájában”, Ádám újra meg újra testet ölt a történelem nagy alakjaiban, hogy újabb társadalmi modellt kipróbálva keresse az emberiség célját. A tizenkettedik színben a ˝ a természettudós a falanszter jelenetben a Nap végzetérol ˝ következoképpen elmélkedik: Négy ezredév után a Nap kihül, növényeket nem szül többé a Föld. E négy ezredév tehát a miénk, hogy a Napot pótolni megtanuljuk. Elég ido˝ tudásunknak, hiszem. (Szilárd

Leó

tragédiája”.)

kedvenc

olvasmánya

volt

“Az

ember “Csendes fizika” – p.42/77

Miért tévedtek a fizikusok? A fizikusok a Nap életkorára azért adtak rosszabb becslést, ˝ mint Charles Darvin, mert ebben az idoben a fizikának még hiányoztak azok a részei, amelyek szükségesek a probléma megoldásához. Henri Bequerel 1896-ben fedezi fel a radioaktivitást. Albert Einstein 1905-ben publikálja a speciális relativitás elméletét és ebben a híres E = mc2 képletét.


Mit˝ol ragyog a Nap? Mélyen a Nap belsejében termonukleáris reakciókban 4 proton (p) héliumatommaggá (42 He) alakul: 4p →42 He + 2e+ + 2νe + 26.73 MeV ,

ahol e+ a pozitront, νe pedig az elektronneutrínót jelöli. 1 eV = 1.602 × 10−19 Joule.


Termonukleáris reakciók a Napban

pp-chain 98.5% CNO-cycle 1.5%


A napneutrínók energiaspektruma Solar neutrino spectrum 10

12

10

11

10

10

pp → 7

10

9

10

8

10

7

10

6

10

5

10

4

10

3

10

2

Be →

15

O

13

N

10

17

F B→

8

Be →

7

pep →

-1

1

hep

10


A napneutrínó események szelektálása A napneutrínó-események számának növelése: Nagy céltárgy

(több ezer tonna)

Hosszú mérési ido˝

(több év)

A háttéresemények számának csökkentése: A kozmikussugárzás csökkentése: Passzív:

Védo˝ anyagréteg

Aktív:

µ-vétó

A természetes rádióaktivitás csökkentése: ˝ Külso:

Védo˝ anyagréteg

˝ Belso:

Tiszta anyagok Folyamatos tisztítás

A háttéresemények felismerése és eliminálása. “Csendes fizika” – p.47/77

A neutrínófizika mérföldkövei 1946-ban Bruno Pontecorvo a Cl targetet javasolja neutrínók detektálására: ν +37 Cl → e− +37 Ar .

1957-ben Bruno Pontecorvo felveti a ˝ neutrínó-oszcilláció lehetoségét. 1964-ben Raymond Davis Jr. elkezdi az úttöro˝ Cl-kisérletét a Homestake aranybányában. 1968-ban Raymond Davis bejelenti a Cl-kisérlet eredményeit és a napneutrínók problémáját (SNP).


37

A Cl kisérlet Ezt az úttöro˝ radiokémiai kisérletet 1964-ban kezdi el Ray Davis munkatásaival. A kisérlet 4850 láb mélyen található a Homstake aranybányában. A detektor tartályában 615 tonna tisztítószer (C2 Cl4 ) van. Az elektronneutrínó (νe ) a következo˝ reakciót hozza létre a detektorban: νe +

Az

37 Ar

37

Cl → e− +

37

Ar ,

Eth = 0.814 MeV .

atom instabil. A bomlásideje kb. 35 nap. A

atomok között található

37 Ar

37 Cl

atomok megkeresése hasonló

nagysárendu˝ feladat, mintha a Szahara homoksivatagban egy meghatározott homok szemet kellene megkeresni.


37

A Cl-kisérlet (Homestake)


A napneutrínók problémái ˝ különbség van a mért és jósolt napneutrínó Jelentos fluxusok között. A különbség a mért és a jósolt érték között változik az energiával. 7 Be

- 8 B probléma. A napneutrínó-kisérletek detektálják a 8 B-neutrínókat, de nem detektálják a 7 Be-neutrínókat. Ez pedig ellent mond a pp-lánc logikájának, amely ˝ keletkezik. szerint a 8 B a 7 Be-bol


Oszcillálnak-e a napneutrínók? ˝ A választ erre a kérdésre a következoképpen kaphatjuk: Az elmélet szerint a Napban csak νe elektronneutrínók keletkeznek. Fluxusok: Mérni kell a Napból érkezo˝ νe elektronneutrínók Φ(νe ) fluxusát. Mérni kell a Napból érkezo˝ νx neutrínók Φ(νx ), νx = νe , νµ , ντ , fluxusát a típusuktól függetlenül. A napneutrínók oszcillálnak, ha: Φ(νe ) < Φ(νx ) ,

ν x = ν e , νµ , ντ .


Sudbury Neutrino Observatory (SNO) A detektor 2073 m mélyen van a Creighton bányában, Sudbury Ontario, Kanada. A SNO egy Cserenkov-detektor , ˝ amely azonos idoben (real time) méri a napneutrínókat. A detektor méro˝ térfogata 1000 tonna D2 O nehéz vizet tartalmaz, amelyet 4 m vastag H2 O víz réteg vesz körül. A detektor céltárgyát (méro˝ térfogatát) körülötte koncentrikusan elhelyezett 9456 fotoelektron-sokszorozó figyeli.


Sudbury Neutrino Observatory


ν-kölcsönhatások a SNO detektorban Amikor az elektronneutrínó (νe ) a töltött áram közvetítésével kölcsönhat a deutériummal, akkor egy W + bozon átadására kerül sor és a deutérium neutronja protonná változik: νe + D → p + p + e − ,

(CC) ,

ahol CC – charged current (töltött áram). Amikor a neutrínó νx a semleges áram közvetítésével kölcsönhatásba kerül a deutériummal, akkor egy Z 0 bozon átadására kerül sor: νx + D → νx + n + p,

(NC) ,

ahol NC – neutral current (semleges áram). “Csendes fizika” – p.55/77

Megoldották a napneutrínók problémáját A mérések eredményei: +0.12 6 −2 −1 φCC (ν ) = 1.75±0.07( stat. ) ( sys. )±0.05( theor. )×10 cm s , SN O e −0.11

A φCC SN O (νe ) értéket összehasonlítva a Super Kamiokande (ES)

(SK) nagypontossággal megmért φSK (νx ) értékével, azt kapták, hogy az elérés a hiba 3.3-szorosa: +0.08 6 −2 −1 φES (ν ) = 2.32 ± 0.03(stat.) (sys.) × 10 cm s , x SK −0.07 CC 6 −2 −1 (ν ) − φ (ν ) = 0.57 ± 0.17 × 10 cm s . φES SK x SN O e

Ennek alapján állíthatjuk, hogy a teljes neutrínó-fluxusban nem csak elektronneutrínók vannak. “Csendes fizika” – p.56/77

További eredmények Kiszámították a teljes 8 B-neutrínó fluxust is: (5.44 ± 0.99) × 106 cm−2 s−1 .

Ez pedig kitun ˝ o˝ egyezésben van az elméleti értékkel: 5.05 × 106 cm−2 s−1 .


Szupernovák 1054, kinai csillagászok, Bika csillagkép, Rák-köd, 1600 km/s sebességgel tágul. 1572, Tycho Brache, Cassiopeia csillagkép ˝ neveztél el 1604, Galilei, Kigyó csillagképben, Keplerrol 1987, SN1987A, Nagy Magellán-felho˝ Neutrínók, 23/2/1987 7.33 UT. A szupernovában ∼ 1058 neutrínó keletkezett. Ezek közül a neutrínók közül ∼ 1016 haladt át a Kamiokande II detektoron, amelyek közül a detektor csupán 12-t vett észre (detektált). 27/2/1987 ESO Schmidt teleszkóp (Csille).


Rák-köd (1054)


Tycho Brache (1572)


Kepler (1604)


SN1987A


SN1987A


SN1987A


SN1987A


Kamiokande II KamiokaNDE – Kamioka Nucleon Decay Experiment. A kisérlet 1000 méterre van a föld felszine alatt (2700 m.w.e.) Ez egy Cserenkov-detektor, amelynek a céltárgya víz (2142(680) tonna). A vízben neutrínó – elektron szórás megy végbe: νe + e− → νe0 + e0− ,

Eth = 9 MeV .

A detektor méretei: h=16.0 m, d=15.6 m, V=3058 m3 , 948 20-in PMT, 20% lefedettség. 1985-ben kezdte mérni a napneutrínókat, miután arra alkalmassá tették. 1986-ban figyelték meg a Napból jövo˝ neutrínók irányát.


Nobel laureates in physics in 2002

Raymond Davis and Masatoshi Koshiba “for pioneering contributions to astrophysics, in particular for the detection of cosmic neutrinos”


Sun and Supernova SN1987A


Short Story of Borexino In 1987 prof. R.S. Raghavan from the AT & T Laboratories proposed the Boron Solar Neutrino Experiment. BOREX is an acronym from the original name of the experiment: Boron Solar Neutrino Experiment. The scintillator of this 2000 t detector contains boron: TMB (B(OCH3 )3 ). νe +11 B → β − +11 C∗

(CC) ,

νx +11 B → νx0 +11 B∗

(N C) .

Later the collaboration designed smaller (300 t) detector. The name Borexino means little BOREX, like neutron and neutrino. “Csendes fizika” – p.69/77

Borexino This real time detector is based on liquid scintillation detection technique. It will provide high luminosity, high radiopurity, low energy threshold and so will give unique information about solar neutrinos specifically from the 7 Be-neutrino source. The experiment’s goal is the direct measurement of the flux of 7 Be solar neutrinos of all flavors via neutrino-electron scattering in ultra-pure scintillation liquid: ν + e− → ν + e− . A new technology has been developed for Borexino with the test detector CTF. It enables sub-MeV solar neutrino spectroscopy for the first time. Borexino will also address several other frontier questions in particle physics, astrophysics and geophysics. “Csendes fizika” – p.70/77

Borexino (drawing)


CTF Results The standard method (10−10 – 10−12 ) fall far short of Borexino levels (10−16 ). With the CTF, records were achived in the domain of low background large volume detectors: 14 C

Concentration: 14

232 Th

C/12 C = (1.85 ± 0.13 ± 0.01) × 10−18

impurity: −16 4.4+1.5 × 10 g/g . −1.2

238 U

impurity: (3.5 ± 1.3) × 10−16 g/g . “Csendes fizika” – p.72/77

Counting Test Facility A large volume (4.8 m3 ) liquid scintillation detector has been running in Hall C of the Gran Sasso Underground Laboratory since February 1995. This detector is called the “Counting Test Facility” (CTF). The main goal of the detector facility is the measurement of ultralow background levels in scintillators and the development of processes able to purify them at this level. The detector has been designed to have exeptional sensitivity using a variety of methods to identify backgrounds.


Counting Test Facility 1995 februárjától muködik ˝ egy nagytérfogatú (4.8 m3 ) nemszegmentált folyadékszcintillátoros detektor a Gran Sasso-i földalatti laboratórium C-termében. Ez a detektor a Counting Test Facility elnevezést kapta.

Ennek a detektornak

˝ az volt a fofeladata, hogy különbözo˝ módszerekkel ultraalacsony radioaktivitás értéket mérjen és segítségével kifejlesztsenek olyan módszereket, amelyekkel ez az alacson ˝ keresztül fenttartható és folyamradioaktivitás hosszú idon atosan tisztítható.


CTF Open Structure


Hall-C and the CTF Water Tank


IceCube and GRB in W49B


77

Recommend Documents