NEUTRINOS. - história e primeiras medidas - fontes e detectores - oscilações e massa - futuro

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1 NEUTRINOS - história e rimeiras medidas - fotes e detectores - oscilações e massa - futuro Sofia Adriga (sofia@li.t)::física de Partículas, Nov História breve dos eutrios 1930 Proostos or Pauli, coservação de eergia o declíeo beta 1934 Teoria de Fermi (iteracções V-A) 1956 Primeira observação or Reies e Cowe 1957 Violação da Paridade (Lee e Yag (teor) Wu (ex)) 1958 Medida da Helicidade (Goldhaber) Iteracções Fracas 1962 Observação do eutrio do muão 1991 Medida idirecta de 3 eutrios 1998 Observação do eutrio do tau 1998 Descoberta da oscilação de eutrios atmosféricos 2001 Descoberta da oscilação de eutrios solares 3 eutrios, só têm iteracção fraca, massas róximas de zero 1

2 O (ati-)eutrio do electrão e E(e) = (M1 M2) x A eergia x corresode a uma artícula idetectável. Valor míimo de x > limite ara a massa do eutrio < 2 ev. sqrt(n/ ) Nas variáveis do electrão: dn a GF (4 ) (4 (E o -E) ) N a itegral(e.(e o -E) ) = E o m v >0 (Eo-E) com resolução fiita Eo E O (ati-)eutrio do electrão e Neutrões livres são istáveis, com G~15mi; Núcleos odem ter declíeos b- ou b+ e 25 aos Os eutrios têm aeas iteracção fraca G F a (g/m W ) e Perto de um reactor uclear (fluxo=10 /cm /s) detectam-se ati-eutrios (secção eficaz=10 cm ) com a coicidêcia etre ositrão e eutrão (algus evetos/hora: muitos úcleos o alvo N A =6x10!) 2

3 Neutrio do muão m The liked image caot be dislayed. The file may have bee moved, reamed, or deleted. Verify that the lik oits to the correct file ad locatio. : 0.02ms Piões criados or colisão de rotões com alvos os raios cósmicos e os aceleradores de artículas m: 2.2 ms e Nos detectores erto dos aceleradores são roduzidos muões, e ão electrões. É ecessário que E > m m m 3 Neutrios (ivisiveis) LEP (CERN, ): Colisões ee -> Z -> X Largura e secção eficaz comatível com 3 eutrios s(had)= 12 G ee G had M Z G Z(tot) Exclui outras artículas com M < 45 GeV e acolametos ao Z N= Massa do letão Massa do eutrios t m Electrão 0.5 MeV < 2 ev Muão 106 MeV < 100 kev Tau 1.8 GeV < 10 MeV Massa do eutrio == 0? Porquê? 3

4 Fotes aturais de eutrios e e, m Detectores de eutrios Grade massa de material activo uro (o detector é também alvo); Isolado e rofudo (redução de fudos) 3) 1) 2) W-> electro + missig E? -- radioquímicos cotagem de reacções ucleares, baixa eergia -- Cherekov detecção do letão carregado, eergias itermédias -- citilador o mesmo ríciio, mais luz, mas meos iformação -- emulsão fotográfica recostrução de mais artículas, alta eergia -- detector de traços e calorímetro mais comlexo 4

5 Detectores de emulsão e de traços de eutrios Detectores comlexos de traços+calorimetros, tiicos de acelerador, têm de icluir o alvo Alvo / Calorimetro Detector de traços Câmaras de muões Detectores de emulsão ão são lidos em temo real (ex. OPERA o CNGS) Detectores de Cherekov ara eutrios SuerKamiokade (e SNO e IceCube) Mia sob uma motaha de 1km 50 kto de água ura (40mx40m) PMTs ara detro PMTs ara fora (veto) Electrões e muões (e iões) com velocidades sueriores à da luz a água, emitem luz de Cherekov SNO usa uma esfera com água esada; IceCube usa 1km de gelo o Pólo Sul! 5

6 Recostrução dos evetos em SK Electrão Eergia deositada e direcção do coe de Cherekov Muão Tau? Mais díficil de roduzir e de recostruir Neutrios atmosféricos 1 e : 2 m com as mesmas eergias ~1 GeV (exceto muões de alta eergia que ão decaem); μ Que odem ser detectados de todas as direcções (já que os eutrios quase ão iteragem); μ μ e e Etre a rodução e a detecção, L= 10 km km, a ricial caracteristica é a massa do eutrio O que detectamos são muões e electrões cujas eergias e direcções são semelhates às dos eutrios que os criaram? 6

7 Resultados dos eutrios atmosféricos Déficit de muões; electrões ok Déficit deede da eergia e da direcção, de L/E e chega até 50% a 10 GeV / km O que se assa com os (ati-)eutrios de muão? --> oscilam ara eutrios do tau? Oscilação de eutrios Os eutrios são idetificados elos letões carregados com que são roduzidos e detectados; durate a roagação ao iteragem, a sua úica caracteristica é a massa. []=[ a cosq ][ siq ] b -siq cosq 2 D (E.T-.L) ~ Dm 2 L / 2E Para os eutrios atmosféricos: (mistura máxima) q ~ /2 (L/E) Dm ~ 10 3 ev 7

8 Cofirmação da oscilação em aceleradores Neutrios de muão E/L bem cohecido! N 1-si 2 (2 )si 2 (1.27 m 2 L/E) NC 1a exeriêcia: K2K de KEK a Kamioka, a 235 km Detecção o SK e um equeo SK, esectro de eergia ~ eutrios atmosféricos CC QE (E rec) E (GeV) 2a exeriêcia: MINOS de Fermliab a Souda, 732 km Feixe uro de eutrios ou de ati-eutrios de muão, eergias mais altas, detecção um detector de traços e uma cóia equea erto do feixe 3a exeriêcia: OPERA do CERN ao Gra Sasso, 730 km Feixe uro de eutrios de muão, de muito alta eergia (E = 17 GeV >> mt), detector de emulsão fotográfica ara a recostrução de taus Resultados SK/MINOS Parâmetros de oscilação em eutrios atmosféricos e eutrios de acelerador: Esectro de eergia extraolado dos dados do detector róximo do feixe covoluído com a robabilidade de sobrevivêcia Pmm( Dm, si (2q)) Cofirmação / comlemetaridade: Precisão em Dm : resolução E Precisão em si (2q): estatística 8

9 Neutrios do tau o CNGS - OPERA Aeas um (cadidato) tau observado aálise detalhada desse eveto Vértice rimário com hadrões carregados (1, 3, 5, 6), eutro (7) e rotão (2) E uma artícula carregada que decai! Vértice secudário (4) t -> (8) - + (gamas) 0, comativel com r (BR=25%) Neutrios Solares O Sol é um reactor de fusão: 60 x 10 eutrios/ (cm 2 s) eserados * Mas muito meos eutrios de electrão observados: o Sol a aagar-se??? 9

10 Sudbury Neutrio Observatory (SNO) C C e + d + + e - Fluxo de eutrio de electrão (e recostrução de eergia) N C x + d x + + E S Fluxo de qualquer tio de eutrio (fluxo total do Sol, com oscilação) x + e - x + e - Misto, tal como a água (e recostrução de direcção) 3 métodos diferetes ara detectar eutrões: I catura or D2O; II Catura em Sal (Cl*); III Cotadores dedicados (He) Sudbury Neutrio Observatory (SNO) Detector de Cherekov, mas com água esada e salgada ara detectar os eutrões, uma mia a 2000 m de rofudidade; Searar as 3 iteracções aeas a artir dos siais os PMTs... 10

11 3 iteracções em SNO A artir do temo do sial em cada PMT: * oto de iteracção (ati fudos exteros) * direcção (em ES, o electrão aota o Sol); * isotroia do eveto (um electrão de ES/CC ou vários fotões de catura do eutrão NC) * e eergia visível (~eergia do eutrio CC) Resultados de SNO ES: igual a SK (mas meos reciso) CC : eutrios do electrão 1 = NC: úmero total de eutrios 3 NC: igual ao revisto o modelo do Sol (com mais recisão: distição de modelos e reiicio da física solar com eutrios) Neutrios do electrão oscilam ara eutrios de muão e/ou tau; com arâmetros diferetes dos atmosféricos Z,,e,,e e W e Oscilações a matéria com massa efectiva maior ara eutrio do electrão 11

12 Ati-eutrios de Reactores Nucleares O Sol é um reactor de fusão (eutrios); os reactores a Terra são de fissão (ati-eutrios) Sem efeitos de matéria, só fução de L/E! Detecção or coicidêcia em citilador... W e+ (aiquilação) (catura ~0.1 ms deois) Sol e Reactores Nucleares Solares (como atmosféricos) têm mais estatistica: melhor ara q Reactor (como acelerador) maior recisão em L/E: melhor ara dm 2 Efeitos de matéria seleccioam sial de q/dm 2 Oscilação solar : q~34º Dm 2 ~ 10-5 ev Muito diferete da oscilação atmosférica : [45º; 10-3 ev ] 12

13 Massa e matriz de mistura (PotecorvoMakiNakagawaSakata) Solares Atmosféricos Não observado - ermitiria violação de CP (GIM) Majoraa e ?? 1 m = t m 3 atm~2 x10 3 ev 2 sol~7 x10 5 ev 2 Massa míima? Hierarquia? Origem da massa? Novas simetrias? (Um quarto eutrio?...) m 2 m 1 Origem da massa orquê tão baixa? Higgs / Majoraa -m D L R + h.c. - m M R R + h.c. 0 m D L ---> m D2 /m M 0 L m D m M R 0 m M R [ ][ ] [ ][ ] m D ~ EW ~ 100 GeV ; m M ~ GUT ~ GeV? Higgs/Dirac: eutrio esquerdo de 0.01 ev Majoraa: eutrio direito estéril e esado See-saw mechaism Neutrios de Majoraa têm uma assiatura úica: violação da coservação do úmero letóico ermite declíeo beta dulo sem eutrios (em 25 úcleos) e e se (A,Z) --> (A,Z+1) ão é ossivel mas (A,Z) --> (A,Z+2) é ossivel... Podem sair só dois electrões? Favorecido or ciemática Secção eficaz roorcioal a M(eff) 13

14 Outras medidas com eutrios - Física Solar: fluxos arciais; metalicidade; desidade; etc - SuerNovas: SN1987A em Kamiokade, IMB e Baksa SNEWS aviso ateciado aos detectores de gammas (3h ates ara 50 karsec) - Geofísica: Geo-eutrios medidos em KamLad e Borexio: iformação sobre estrutura e história da Terra - Uiverso oaco à luz: IceCube retede medir eutrios de alta eergia e criar maa de objectos distates de ode a luz ão os ode chegar (or iteracção com o CMB) 14k eutrios 23k eutrios e muões RC Ex. exeriêcia futura: SNO+ Prevista ara 2013 Reutilisar o detector SNO, substituido D2O or citilador liquido, aroveitar 9000 PMTs, e a estrutura, o laboratório mais rofudo ara fazer várias medidas de baixa eergia com muito meos fudos - Etre outras, 0bb do Nd-150 Declíeo Beta Dulo Sem Neutrios 1% resolutio Edoit Eergy Eergy for the Two Electros (MeV) 800 fotões / MeV deositado Resolução ~ raíz de Nfotões Grade fudo de 2bb... Novos sistemas de calibração 14

15 Oscilações, Física Solar e Geofísica em SNO+ Couts/5keV i 3 years CNO Be-7 e Bkg tags B-8 E(MeV) Vácuo:P=0.6 Matéria:P=0.3 trasição a ~2 MeV Sesível a si (2q) e dm Aeas 3 reactores róximos, mesmo esectro E; diferetes L, Maior sesibilidade a dm : maior arte do fluxo solar e: muito bem cohecido (1%) Be-7/B-8: ajuste do modelo solar CNO: metalicidade solar Geo-(ati)eutrios domiam a baixa eergia: medir U e Th o mato e crosta terrestre (3 codições diferetes K/B/S) Coclusões Os eutrios têm massa e oscilam! A massa ão é caracteristica da família (matriz PMNS muito diferete da CKM dos quarks) Mas aida ão sabemos: Qual a sua massa? Porque é tão mais equea que a das outras artículas? Qual o mecaismo que a origia? Se há uma mistura máxima, uma ova simetria, ou um terceiro âgulo de mistura e violação de CP! O roblema dos eutrios solares está resolvido. Coseguimos detectar eutrios de diferetes fotes e eergias e, além de estudar os eutrios, odemos usá-los ara estudar outros objectos: o Sol, SuerNovas ou a Terra, or exemlo. 15