Introdução à Física de Neutrinos sob uma ótica experimental

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1 17-21 de Julho de /4 Introdução à Física de Neutrinos sob uma ótica experimental Carla Bonifazi 1

2 17-21 de Julho de 2017 Introdução à Física de Neutrinos sob uma ótica experimental Postulados em 1930 por Pauli e rebatizados três anos depois por Fermi, os neutrinos têm permanecido ao longo de todos estes anos como a partícula mais enigmática do modelo padrão. Partículas fundamentais, com massa significativamente pequena - porém não nula - e cuja detecção é extremamente difícil devido a sua fraca interação com a matéria. Experimentos cada vez mais precisos vêm sendo realizados com o intuito de desvendar os mistérios destas partículas e suas interações. Ao longo deste minicurso, realizaremos uma abordagem fenomenológica e experimental no que se refere à física de neutrinos discutindo o conhecimento atual na área e os próximos passos que irão nos permitir responder às perguntas em aberto. Entre os assuntos que vamos abordar podemos mencionar: 1) oscilações, a massa dos neutrinos e sua hierarquia; 2)natureza de Dirac ou Majorana; 3) sabores e neutrinos estéreis; e 4) neutrinos solares, atmosféricos, de supernovas, geoneutrinos e neutrinos de reatores. 2

3 Postulado e detecção do neutrino 3

4 Decaimento Beta Decaimento radioativo no qual um raio beta (elétron/pósitron energético rápido) e um neutrino são emitidos de um núcleo atômico 1899 Rutherford identificou dois decaimentos radioactivos: alfa e beta 1900 Thomson sugeriu que a partícula beta é o elétron 1901 Rutherford e Soddy mostraram que a radioatividade beta envolve a transmutação de átomos em átomos de outro elemento químico 4

5 Decaimento Beta 1911 Meitner e Hahn e 1913 Danysz mostraram que o espectro do decaimento beta tinha múltiplas linhas em um fundo difusivo 1914 Chadwick utilizou um espectrômetro magnético com um contador Geiger e realizou medidas mais acuradas mostrando que o espectro do decaimento beta é contínuo Intensidade A partir da conservação da energia e momento, o elétron produzido no decaimento beta possuía energia cinética fixa, aproximadamente igual à energia liberada (M A,Z - M A,Z+1 ) - m e Energia 5

6 Decaimento Beta 1911 Meitner e Hahn e 1913 Danysz mostraram que o espectro do decaimento beta tinha múltiplas linhas em um fundo difusivo 1914 Chadwick utilizou um espectrômetro magnético com um contador Geiger e realizou medidas mais acuradas mostrando que o espectro do decaimento beta é contínuo Hipóteses: Os elétrons perdem energia no alvo Outro problema: relacionado com a conservação do momento angular. Núcleos com número par de nucleons tem spin 1 enquanto o spin do elétron é 1/2. Por tanto, o momento angular não se conservaria se o decaimento beta for simplesmente a emissão do elétron 6

7 Decaimento Beta 1927 Ellis e Wooster realizaram uma medida calorimétrica do decaimento beta e provaram que a energia detectada era menor do que a energia total liberada 1930 Pauli resolveu o problema sugerindo que no decaimento beta e emitida outra partícula extremadamente leve e neutra à que chamou de nêutron" e que simplesmente não tinha sido observada. 7

8 Decaimento Beta 1927 Ellis e Wooster realizaram uma medida calorimétrica do decaimento beta e provaram que a energia detectada era menor do que a energia total liberada 1930 Pauli resolveu o problema sugerindo que no decaimento beta e emitida outra partícula extremadamente leve e neutra à que chamou de nêutron e que simplesmente não tinha sido observada Se o decaimento beta é um processo de três corpos, a energia liberada é compartilhada entre o elétron e o nêutron, e um espectro contínuo de elétrons será observado. Como nos experimentos de decaimento beta, apenas os elétrons foram detectados, Pauli assumiu que o comprimento de absorção do nêutron era o mesmo ou provavelmente 10 vezes maior que o comprimento de absorção do raio gama. Pauli assumiu ainda que os nêutron tinham spin 1/2 e juntamente com elétrons e prótons foram constituintes de núcleos. Pauli também assumiu que o nêutron, um constituinte dos núcleos, deve ter uma massa diferente de zero. Ele escreveu na carta que a massa dos nêutrons deveria ser da mesma ordem de grandeza que a massa de elétrons e, em qualquer caso, não maior que 0,01 da massa de prótons Naquela época, os prótons e os elétrons eram considerados partículas elementares e os núcleos eram considerados estados unidos de prótons e elétrons. 8

9 Decaimento Beta 1927 Ellis e Wooster realizaram uma medida calorimétrica do decaimento beta e provaram que a energia detectada era menor do que a energia total liberada 1930 Pauli resolveu o problema sugerindo que no decaimento beta e emitida outra partícula extremadamente leve e neutra à que chamou de nêutron" e que simplesmente não tinha sido observada 1932 o nêutron, uma partícula pesada com a massa praticamente igual à massa do próton, foi descoberta por J. Chadwick. Logo depois deste descobrimento, Heisenberg, Majorana and Ivanenko, apresentaram a hipótese de que os núcleos são estados ligados de prótons e nêutrons Fermi re-nomeou o nêutron de Pauli de neutrino que em italiano se refere a pequeno e neutro 9

10 Teoria de Fermi Decaimento beta e processos com neutrinos 1934 Fermi publicou a teoria sobre o decaimento beta. Modelo: Baseado no modelo de Dirac da Teoria Quântica de Campos do Electromagnetismo no qual duas correntes de elétrons exercem força entre elas trocando um fóton. A troca do fóton causam a repulsão entre os elétrons. n! p + e + Fermi representou o decaimento beta como a interação entre duas correntes, cada uma carregando uma carga fraca. A força fraca tem um alcance muito curto. Na teoria de Fermi, ele é zero e as correntes interagem diretamente num único ponto A interação causa a transferencia de carga entre as correntes. A corrente do nêutron ganha uma unidade de carga e se transforma na corrente do próton, enquanto a corrente do elétron perde uma unidade de carga e se transforma na corrente do neutrino. 10

11 Teoria de Fermi Decaimento beta e processos com neutrinos 1934 Fermi publicou a teoria sobre o decaimento beta. Na teoria atual, as correntes interagem a traves da troca Modelo: Baseado no modelo de Dirac da Teoria Quântica de Campos do Electromagnetismo no qual duas correntes de elétrons exercem força entre elas trocando um fóton. A troca do fóton causam a repulsão entre os elétrons. do bóson W, uma partícula pesada, análoga ao fóton. A partícula W carrega uma unidade de carga eléctrica e uma unidade de carga fraca entre las correntes fracas. n! p + e + Fermi representou o decaimento beta como a interação entre duas correntes, cada uma carregando uma carga fraca. A força fraca tem um alcance muito curto. Na teoria de Fermi, ele é zero e as correntes interagem diretamente num único ponto A interação causa a transferencia de carga entre as correntes. A corrente do nêutron ganha uma unidade de carga e se transforma na corrente do próton, enquanto a corrente do elétron perde uma unidade de carga e se transforma na corrente do neutrino. 11

12 Teoria de Fermi Decaimento beta e processos com neutrinos Então o diagrama básico pode ser adaptado para cada reação decidindo quais partículas (ou antipartículas) tem que ser vistas no estado inicial e no estado final. Como todas as reacções vem da mesma interação, então todas elas terão a mesma força dada pela continente de Fermi (G F ) 1934 Bethe e Peierls fizeram a primeira estimativa da seção de choque do neutrino com a núcleo. A mesma foi estimada em: para neutrinos de 2 MeVs. < cm 2 Não existe uma maneira praticamente possível de observar o neutrino 12

13 Detecção do Neutrino 1946 Pontecorvo propus um método radioquímico para a detecção do neutrino. Ele escreveu: O objetivo desta nota é mostrar que a observação experimental de um processo beta inverso produzido por neutrino não está fora de questão com as instalações experimentais modernas e sugerir um método que possa tornar possível uma observação experimental. Consiste no método Cl Ar o qual se baseia na seguinte reacção Cl! e + 37 Ar os átomos de 37 Ar decaem com um tempo de vida media de acerca de 34 dias. A reação Cl Ar foi escolhido pois é factível ter um grande volume de Tetracloreto de Carbono como alvo e que ademais os átomos de 37 Ar tem um tempo de vida conveniente, etc. Muitos anos depois, o método Cl Ar de detecção de neutrinos permitiu a Davis observar os neutrinos solares no primeiro experimento de neutrinos solares 13

14 Detecção do Neutrino 1951 Reines e Cowan trabalhando em Los Alamos, no programa de testes de armas teste de bombas nucleares, idearam o primeiro experimento para a detecção do neutrino livre. Decaimento beta inverso + p! n + e + Fonte de neutrinos: fissão nuclear da bomba Detector: El monstro detector gigante de cintilador orgânico líquido (técnica recentemente desenvolvida). Tolueno dopado com terfenilo (uv > visível) Experimento: 1- Explodir a bomba 2- Ao mesmo tempo deixar o detector cair em um tanque de vácuo 3- Detectar os neutrinos 4- Ganhar o prêmio Nobel 14

15 Detecção do Neutrino 1951 Reines e Cowan trabalhando em Los Alamos, no programa de testes de armas teste de bombas nucleares, idearam o primeiro experimento para a detecção do neutrino livre. Decaimento beta inverso + p! n + e + Fonte de neutrinos: fissão nuclear da bomba Detector: El monstro detector gigante de cintilador orgânico líquido (técnica recentemente desenvolvida). Tolueno dopado com terfenilo (uv > visível) 15

16 Detecção do Neutrino 1952 Reines e Cowan estavam trabalhando na construção do experimento quando uma nova idéia nasceu que mudou dramaticamente o andamento do experimento. Um dos pontos `fracos` deste projeto era a repetibilidade do experimento. Rever a possibilidade de utilizar neutrinos de reatores no lugar de explosão nuclear. Nova ideia: Detectar alem do pósitron o nêutron proveniente do decaimento beta inverso. O nêutron produzido pode ser capturado pode ser capturado por um próton formando deutério ou um outro núcleo presente. No caso do cádmio a probabilidade de ser capturado aumenta e durante o processo é liberada uma energia de 9 MeV em fótons. O tempo médio entre a sinal vendo do pósitron e a captura do nêutron é de uns poucos microsegundos. Isto dá uma melhor assinatura para o evento proveniente do neutrino 16

17 Detecção do Neutrino Vários detectores foram construídos, com diferentes tecnologias e configurações e muitos testes foram feitos. Vários problemas técnicos tiveram que ser resolvidos. Desenvolvimento de instrumentação. Produto secundário desenvolvido: Contador de corpo completo 1953 Detector de Neutrinos Hanford - Localizado no reator nuclear mais poderoso do país na época, em Hanford, Washington. Detector de cintilador líquido com um volume de 10 ft 3 (= 283 l) com 90 fotomultiplicadores de 2 polegadas. Blindagem: parafina e boro ( cm) para nêutrons chumbo ( cm) para raios gama Nada foi observado Conclusão: é fácil nos isolar do ruído que o ser humano faz mais é impossível calar o cosmos 17

18 Detecção do Neutrino 1954 Um grupo formal para a detecção do neutrino foi formado com Reines e Cowan e outros cientistas que também trabalhavam no assunto: Harrison, McGuire e Kruse. Passaram um ano inteiro redesenhando o detector, para poder distinguir melhor entre um evento proveniente do decaimento beta inverso e os eventos induzidos por raios cósmicos. O detector estava formado por dois tanques plásticos (A e B) com 200 litros de água cada um. Os prótons da água são o alvo para o decaimento beta inverso e o cloreto de cádmio dissolvido na água, são o alvo para a captura do nêutron. Estes dois tanques formavam um sanduíche com três detectores cintiladores com 1400 l de cintilador líquido em cada um e vistos por 110 fotomultiplicadores no total. 18

19 Detecção do Neutrino 1955 Experimento no reator de Savannah River em South Carolina O experimento foi instalado em uma pequena área no porão do prédio do reator. Separado do núcleo do reator apenas por 11 m de concreto, suficiente para server de blindagem dos nêutrons produzidos pelo reator. Com 12 m de sobrecarga que ajudariam a eliminar o ruído de fundo causado pela radiação cósmica. Tomaram dados durante 900 horas com o reator ligado e umas 250 horas com o reator desligado. O objetivo imediato era demostrar uma sinal esperada para um evento do neutrino que deveria ser maior quando o reator ligado que desligado. Observaram que a frequência de eventos esperados era 5 vezes maior com o reator ligado que desligado. Taxa = 1 evento por hora. Sendo o cociente de sinal para acidentais de 4 em 1. Uma grande quantidade de testes foram feitos para ficar seguros de que a sinal medida se deveria ao decaimento beta inverso devido à captura do neutrino pelos prótons da água. 19

20 Experimento no reator de Savannah River Detecção do Neutrino 20

21 Experimento no reator de Savannah River Detecção do Neutrino 21

22 Experimento no reator de Savannah River 1956 Detecção do Neutrino Em Junho de 1956 depois de ter completado todos os testes, Reines e Cowan escreveram para Pauli uma carta anunciando a detecção. O experimento foi capaz de determinar a sessão de choque para o decaimento beta inverso. 22

23 Experimento no reator de Savannah River 1956 Detecção do Neutrino A medida da taxa de decaimentos betas inversos por unidade de tempo vai depender de: Fluxo de neutrinos 1013 neutrinos/cm 2 /s Número de prótons no alvo (~ 1028 prótons) Sessão de choque da reação Eficiência do detector A predição teórica foi de cm 2 com 25% de incerteza devido ao espectro de energia dos neutrinos do reator Publicação Julho de 1956, o experimento confirma a existência do neutrino e diz que a sessão de choque medida é consistente com a predita dentro dos 5%. Esta concordância foi por acaso tendo em conta as incertezas associadas ao fluxo de neutrinos e a eficiência do detector. Em 1960 um artigo mais detalhado foi publicado no qual a sessão de choque reportada era duas vezes maior que a reportada em 1956 (segundo Reines, a eficiência do detector tinha sido sobrestimada. Nobel Prize 1995 for the detection of the neutrino 23

24 Neutrinos vem em duas variedades 1962 (Produção e) Detecção do Neutrino do múon Pontecorvo (na Rúsia) e Schwartz (BLN) propuseram um método para geral um feixe puro de neutrinos. No BLN, Lederman e Steinberger, se uniram a Schwartz para por em prática a ideia. Utilizando um Sincrotron de Gradiente Alternado geraram um feixe de prótons de 15 GeV. O feixe colidia em um alvo de Berílio, produzindo um grande números de pions. Os pions que viajavam por uma parede de 21 m de aço de 5kton feira de chapas velhas de um navio de guerra. Os pions decaiam em muons e neutrinos, mas só estes últimos eram capazes de atravessar a parece de aço e chegar a uma câmera de faíscas. A câmera de faíscas tinha 10 ton e estava formada por 90 placas de alumínio de 1 polegada de espessura separada por 11 cm cheia de gás neônio. Quando os neutrinos inundavam a câmara, ocasionalmente atingiria um próton em um núcleo de alumínio, produzindo um nêutron e uma partícula carregada um elétron ou um múon, de acordo com a teoria. Esta partícula carregada ionizaria o gás, criando um traço visível quando a alta tensão é aplicada. 24

25 Neutrinos vem em duas variedades 1962 (Produção e) Detecção do Neutrino do múon p + +! µ + + µ µ 51 eventos detectados Câmera de Faíscas µ + n! µ µ + n! e + p + p p X Nobel Prize 1988 for the neutrino beam method and the demonstration of the doublet structure of the leptons through the discovery of the muon neutrino.

26 Quantos neutrinos esperamos encontrar? 2000 DONUT (Direct Observation of NU Tau) Conceito: criar e feixe de Neutrinos do tau que possa interagir e formar Taus, partículas carregadas que podemos observar. Feixe de prótons de 800 GeV Feixe colidia em um bloco de tungstênio Mésons D s são gerados D S! + Passa por uma blindagem de 36 m para encontrar o detector formado por alvos de emulsão seguido por um espectrômetro. O neutrino do tau interage com o núcleon e produz uma partícula tau detectável nos vários níveis do espectrômetro.! µ + + µ 26 4 eventos detectados

27 Modelo Padrão das Partículas Elementares 27

28 CONTINUARA de Julho de 2017