Majorana Neutrino s en Donkere Materie

?

⌫=⌫

Majorana Neutrino’s en Donkere Materie Patrick Decowski [email protected] Majorana mini-symposium bij de KNAW op 31 mei 2012

Elementaire Deeltjes

• Elementaire deeltjes en geen quasi-deeltjes! ;-) • Waarom ben ik in elementaire Majorana deeltjes geïnteresseerd?

• Majorana neutrino’s kunnen verklaren waarom het heelal uit materie en niet uit antimaterie bestaat

• Majorana donkere materie deeltjes zouden 85% van de materie in het heelal kunnen zijn

Patrick Decowski - UvA/Nikhef

Standaard Model van Deeltjesfysica elektron

atoom

quarks

u

kern

c

t

proton

ɣ

d

s

b

g

neutrino’s

νe

νμ

ντ

Z

elektron

e

μ

τ

W

Materie deeltjes


H Higgs

Krachtdragers


atoom

quarks

u

kern

c

t

proton

ɣ

d

s

b

g

neutrino’s

νe

νμ

ντ

Z

elektron

e

μ

τ

W

Materie deeltjes

H Higgs

Krachtdragers

Standaard Model heeft 30 jaar heel goed gewerkt Patrick Decowski - UvA/Nikhef


atoom

quarks

u

kern

c

t

proton

ɣ

d

s

b

g

neutrino’s

νe

νμ

ντ

Z

elektron

e

μ

τ

W

Materie deeltjes

H Higgs

Krachtdragers

Standaard Model heeft 30 jaar heel goed gewerkt Sinds ~10 jaar: neutrino’s hebben (kleine) massa Patrick Decowski - UvA/Nikhef

Massa’s van Elementaire Deeltjes

s c

u

pr ot on

meV 10 -

12

μeV

ν2 ν3

e eV

keV

μ

MeV

t

τ

GeV pr ot on

ν1

b

TeV go ud

d

Is er iets speciaals met neutrino’s? Kunnen wij verklaren waarom neutrino massa’s zo klein zijn? Patrick Decowski - UvA/Nikhef

Zwakke Wisselwerking Zwakke wisselwerking - één van de kernkrachten Verantwoordelijk voor beta-verval

n!p+e +⌫

neutron


proton

elektron

neutrino


n!p+e +⌫

neutron

proton

elektron

neutrino

Zwakke wisselwerking vertelt ons ook iets over “Spin” draairichting van neutrinos bewegingsrichting



n!p+e +⌫

neutron

proton

elektron

neutrino

Zwakke wisselwerking vertelt ons ook iets over “Spin” draairichting van neutrinos bewegingsrichting

“Linkshandig” Patrick Decowski - UvA/Nikhef

⌫L

Materie en Antimaterie Materie bestaat uit deeltjes

Antimaterie bestaat uit antideeltjes

e-

e+ Twee verschillende deeltjes omdat ze verschillende lading hebben




e-


Maar hoe is dat voor neutrale deeltjes, zoals het neutrino?

⌫ Patrick Decowski - UvA/Nikhef

neutrino

⌫

antineutrino



e-



⌫ ⌫

Spin

neutrino

bewegingsrichting

“Linkshandig” ⌫L Patrick Decowski - UvA/Nikhef

⌫

antineutrino



e-



⌫ ⌫

Spin

neutrino

bewegingsrichting

“Linkshandig” ⌫L Patrick Decowski - UvA/Nikhef

⌫

antineutrino

⌫ “Rechtshandig”

⌫R

Waarom net iets meer materie? Oerknal

1.000.000.001

e-

p

Materie


1.000.000.000

e+

p

Antimaterie


1.000.000.001

1.000.000.000

p

e-

e+

Materie

p

Antimaterie

Nu

1 Alléén Materie

p

ee+

p

Fotonen (lichtdeeltjes) Patrick Decowski - UvA/Nikhef


1.000.000.001

1.000.000.000

Waarom asymmetrisch? p

e-

e+

Materie

p

Antimaterie

Nu

1 Alléén Materie

p

ee+

p

Fotonen (lichtdeeltjes) Patrick Decowski - UvA/Nikhef

Neutrino massa Hoe kunnen neutrino’s in het Standaard Model massa krijgen? linkshandig rechtshandig

deeltje

antideeltje


⌫L

bekend

⌫R

bekend


deeltje

antideeltje


⌫L

⌫R

bekend

onbekend

⌫L

⌫R

onbekend

bekend

Dirac Neutrino

⌫ 6= ⌫

zelfde massa ⌫R ⌫L


deeltje

antideeltje


⌫L

bekend

NL

zeer zwaar niet zichtbaar

NR


⌫R

bekend

Dirac Neutrino

⌫ 6= ⌫


Majorana Neutrino

⌫=⌫

zwaar neutrino

NR N L


deeltje

antideeltje

⌫L

bekend

NL


NR


⌫R

bekend

Neutrinos als Majorana fermionen: Voor lichte neutrino’s:

⌫=⌫

Maar ook zware neutrino’s:

N =N


Dirac Neutrino

⌫ 6= ⌫


Majorana Neutrino

⌫=⌫

zwaar neutrino

NR N L


deeltje

antideeltje

⌫L

bekend

NL


NR


⌫R

bekend


⌫=⌫


N =N


Dirac Neutrino

⌫ 6= ⌫


Majorana Neutrino

⌫=⌫

zwaar neutrino

NR N L

Verklaring voor lichte neutrino’s!

! m⌫ ⇠ licht

m2D MR

zwaar

Maar er is meer…


Maar er is meer… neutrino’s kunnen het Standaard Model elegant aanvullen en • Majorana neutrino massa verklaren



Lichte neutrino’s d

s c

u ν1 μeV

meV

ν2 ν3

e eV


keV

μ

MeV

b t

τ

GeV

TeV


• Waar zijn die zeer zware neutrino’s?


s c

u ν1 μeV

meV

ν2 ν3

e eV


keV

μ

MeV

b t

τ

GeV

TeV


• Waar zijn die zeer zware neutrino’s?


s c

u ν1 μeV

meV

ν2 ν3

e eV


keV

μ

MeV

b t

τ

GeV

TeV

→ Die zijn net na de oerknal vervallen!


• Waar zijn die zeer zware neutrino’s? • Maar ook:


• Majorana neutrino’s schenden lepton-getal en “B-L” er ook “CP-schending” is: • Indien verval van zware neutrino’s maakt een asymmetrie tussen materie en antimaterie


s c

u ν1 μeV

meV

ν2 ν3

e eV


keV

μ

MeV

b t

τ

GeV

TeV


• Waar zijn die zeer zware neutrino’s? • Maar ook:


• Majorana neutrino’s schenden lepton-getal en “B-L” er ook “CP-schending” is: • Indien verval van zware neutrino’s maakt een asymmetrie tussen materie en antimaterie

Lichte neutrino’s

Materie boven antimaterie Neutrino massa

Hoe kunnen neutrino’s in het Standaard Model massa krijgen? linkshandig

d

s c

u ν1 μeV

meV

ν2 ν3

e eV

keV

μ

MeV

deeltje

b t

antideeltje

τ

GeV

TeV

⌫NRR

bekend

zeer zwaar onbekend niet zichtbaar

⌫NLL

⌫R

zeer zwaar onbekend niet zichtbaar

bekend


⌫=⌫


N =N



⌫L

rechtshandig

Dirac Neutrino

⌫ 6= ⌫

zelfde massa

⌫R

⌫L

Majorana Neutrino

⌫=⌫

zwaar neutrino

NR N L

Verklaring voor lichte neutrino’s!

! m⌫ ⇠ licht

m2D MR

zwaar

Hoe ontdek je Majorana Neutrino’s? e-

⌫ ⌫ n

136Cs

e-

n atoomkern

Dubbel beta-verval


136Xe

dubbel beta-verval

beta-verval

136Ba


⌫ ⌫ n

136Cs

e-

dubbel beta-verval

n atoomkern

Dubbel beta-verval

e-

Indien

⌫=⌫

n

n


136Xe

eNeutrinoloos dubbel beta-verval

beta-verval

136Ba


⌫ ⌫ n

136Cs

e-

136Xe

dubbel beta-verval

n

beta-verval

136Ba

atoomkern

Dubbel beta-verval met neutrino’s

e-

Indien

⌫=⌫

n

n



neutrinoloos


⌫ ⌫ n

136Cs

e-

136Xe

beta-verval

dubbel beta-verval

n

136Ba

atoomkern

Dubbel beta-verval

e-

400kg 136Xe

Indien

⌫=⌫

n

n



KamLAND-Zen

Sterke aanwijzingen voor donkere materie

Beweging van sterren

Kosmische Achtergrondstraling

Verbuiging van licht Grote structuren

Clusters van sterrenstelsels Patrick Decowski - UvA/Nikhef

Sterke aanwijzingen voor donkere materie Op alle afstandsschalen in het Heelal

Beweging van sterren

Kosmische Achtergrondstraling

Verbuiging van licht Grote structuren

Clusters van sterrenstelsels Patrick Decowski - UvA/Nikhef

Materie in het heelal Uit astronomische waarnemingen: “Gewone” Materie 15%

Donkere materie 85%


Materie in het heelal Uit astronomische waarnemingen: “Gewone” Materie 15%

Donkere materie 85%

Maar waaruit bestaat die donkere materie? Patrick Decowski - UvA/Nikhef

Wat is het donkere materie deeltje?

• Eigenschappen van DM:

• Kan niet geladen zijn, anders zou het zichtbaar zijn

• Moet massa hebben, maar niet te licht • Moet stabiel zijn, niet vervallen • Wisselwerkingen met andere deeltjes klein

•…



• Eigenschappen van DM: •

Kan niet geladen zijn, anders zou het zichtbaar zijn


•…


u

c

t

d

s

b

νe

νμ

ντ

e

μ

τ





u

c

t

d

s

b

νe

νμ

ντ

e

μ

τ

•… Géén van de deeltjes in het Standaard Model voldoen!






u

c

t

d

s

b

νe

νμ

ντ

e

μ

τ

•… Géén van de deeltjes in het Standaard Model voldoen! Nieuw hypothetisch deeltje: de WIMP Weakly Interacting Massive Particle Patrick Decowski - UvA/Nikhef

Supersymmetrie Standaard Model deeltjes quarks

leptonen

u

c

t

d

s

b

νe

νμ

ντ

e

μ

τ

fermionen



leptonen

u

c

t

~ u

~c

~t

~s

~ b

d

s

b

~ d

νe

νμ

ντ

~ νe

~μ ν

~ ντ

e

μ

τ

~ e

~ μ

~ τ

fermionen


“Superpartners”

bosonen

squarks

sleptonen


leptonen

u

c

“Superpartners”

t

~ u

~c

~t

~s

~ b

d

s

b

~ d

νe

νμ

ντ

~ νe

~μ ν

~ ντ

e

μ

τ

~ e

~ μ

~ τ

fermionen

sleptonen

bosonen ~ χ


squarks

Neutralino: Majorana fermion


leptonen

u

c

“Superpartners”

t

~ u

~c

~t

~s

~ b

d

s

b

~ d

νe

νμ

ντ

~ νe

~μ ν

~ ντ

e

μ

τ

~ e

~ μ

~ τ

fermionen

squarks

sleptonen

bosonen ~ χ

Neutralino: Majorana fermion

Supersymmetrie geeft een heel aannemelijk WIMP deeltje Patrick Decowski - UvA/Nikhef

Donkere Materie zit om ons heen Zon Melkwegstelsel WIMPs staan bijna stil in het melkwegstelsel, wij gaan 220km/s Verwachten ~1 miljard WIMPs/m2/sec Elastische botsing Xenon WIMP


Donkere Materie zit om ons heen Zon Melkwegstelsel WIMPs staan bijna stil in het melkwegstelsel, wij gaan 220km/s Verwachten ~1 miljard WIMPs/m2/sec Elastische botsing Xenon WIMP

De bostingen zijn heel zeldzaam! Patrick Decowski - UvA/Nikhef

2.5 ton vloeibaar xenon

XENON1T Patrick Decowski - UvA/Nikhef

Conclusie

• Elementaire Majorana fermionen zijn nog niet gezien, maar

kunnen een aantal belangrijke natuurkunde problemen oplossen

• Majorana neutrino’s kunnen:

• kleine massa van het neutrino verklaren • asymmetrie materie en antimaterie verklaren

• Majorana donkere materie deeltjes

• Meest aannemelijke verklaring voor donkere materie - 85% van alles!

• Experimenten om beide te vinden!

Meer weten? http://www.nikhef.nl/~decowski Patrick Decowski - UvA/Nikhef

Majorana Neutrino s en Donkere Materie

Recommend Documents