Neutrino’s and astronomie

1. Neutrino’s and astronomie Maarten de Jong HOVO–2014

2. Wat is een neutrino?

3. Radioactief verval (~1920) elektron magneet 2-deeltjes verval? Einstein: detector

4. Radioactief verval (II) gemeten energie spectrum aantal gebeurtenissen Energie niet behouden?

5. W. Pauli, 4 december 1930 Geachte radioactieve dames en heren, Ik heb misschien een oplossing gevonden om de wet van energie behoud te redden. … het bestaan van onzichtbare deeltjes –welke ik aldus neutronen noem– in de atoom kern. Het gemeten spectrum kan verklaard worden als zo’n onzichtbaar deeltje ontsnapt tegelijkertijd met het elektron zodat de totale energie klopt. Maar tot nu toe heb ik dit niet durven publiceren en vraag ik u – radioactieve mensen – of het mogelijk is om het bestaan van dit deeltje experimenteel aan te tonen. Ik geef toe dat dit idee onwaarschijnlijk is omdat de neutronen – als ze bestaan – al veel eerder gezien zouden moeten zijn… Dus, geliefde radioactieve mensen, denk hierover na en oordeel.

6. Pauli (1930): Theorie van de zwakke kracht neutrino Fermi: e W– u d d d u u p n Feynman diagram

7. 1950 – Reines & Cowan“Poltergeist”, Savannah River Het bewijs van het bestaan van neutrino’s neutrinodetectie kernreactor

8. Neutrino astronomie

9. kosmische straling

10. V • Ionisatie kamer (~1910) geladen deeltje e- -250 V elektrische geleidbaarheid van lucht radioactiviteit van de Aarde?

11. V. Hess (1912) 0 10 radioactiviteit komt vanuit de ruimte! 20 30 druk [cm Hg] 40 kosmische straling 50 “The results of my observation are best explained by the assumption that a radiation of very great penetrating power enters our atmosphere from above.” 60 70 V Aarde

12. P. Auger (1938) tijd ontdekking van uitgebreide “deeltjes regens”

13. proton Aarde gezien door kosmische straling N 1 20 pion 18 proton 16 2 14 12 3 muon vrije weglengte hoogte [km] 10 8 neutrino 5 6 4 2 10 Aarde

14. Detectie van kosmische straling fluorescentie (ultraviolet ‘zichtbaar’) grond oppervalk multipixel camera’s (stereoscopisch zicht) muon detectoren (aankomst tijden richting)

15. Energie spectrum plateau 1.5 eV = 1 per m2 per seconde flux [(m2 sr s GeV)-1] 1027 1 m 1 per km2 per jaar 1010 1020 1010 1 kg E [eV/deeltje]

16. impuls van het deeltje straal v/e cirkel lading van het deeltje Magnetisch veld Magnetisch veld zon (~10 mG) Afstand aarde – zon (~150 x 106km)

17. Kosmische versnellers “CERN in the sky”

18. Fermischokgolf versneller snelheid: SN1993J – M81 tijd radio beelden April 1993–Juni 1998

19. Fermi schokgolf versneller (II) Simpel model V versnelling interstellaire materie overlevings kans k stappen geladen deeltje

20. Fermi schokgolf versneller (III) Thermodynamica gemeten spectrum Relativiteitsleer

21. Welke geladen deeltjes? elektronen protonen Synchrotron straling p e N p p inverse Compton verstrooiing e nm m muonen neutrino’s astronomie kosmische straling

22. Astronomie

23. constante van Planck snelheid van het licht golflengte: Energie van ‘deeltje’

24. 1’ 1’ 1’ 1’ radio 10-8 eV optisch 10 eV Röntgen 104 eV licht deeltjes 1012eV Krab nevel breedbandig spectrum

25. Astro-deeltjesfysica kosmische stralen (bestaan uit combinaties van u en d quarks) traditionele astronomie quarks krachtdragers leptons generaties neutrino astronomie

26. Zonne energie ~25 MeV 2 ne Licht oprbrengst Neutrinos

27. Homestake goud mijn (USA) ‘omgekeerd verval’ 130 ton Chloor

28. detectie principe extractie van Aratomen (~15 / maand!)

29. Neutrino’s uit de zon verwacht SNU = 10-36 s-1 / Atom gezien ~30 jaar!

30. Super Kamiokande (Japan) nucleon decay experiment • ~50 kton puur water • 12,000 PMTs

31. Geen proton verval gezien Maar Kamiokande is ook een neutrino detector…

32. detectie principe Energie en impuls behoud: gedetecteerd atomair elektron neutrino telescoop

33. qzon Zon ne Aarde atomair elektron Neutrino’s wijzen naar de zon aantal [(dag kton bin)-1] cos qzon

34. we zien ½ neutrino’s uit de zonneutrino oscillaties¶ ¶ B. Pontecorvo, 1957

35. Energie drempel nm = ‘steriel’

36. Mengen van neutrino toestanden zwakke toestanden massa toestanden 3x3 matrix (unitair)

37. Mengen van 2 toestanden reizen door de ruimte ‘rotatie’ creatie

38. Reizen van neutrino’s door de ruimte n2 amplitude n1 ne relatieve amplitudes veranderen met tijd of afstand

39. Neutrino oscillaties (II) amplitude 2

40. golflengte: Heisenberg: Lorentz boost:

41. Sudbury Neutrino Observatory 1 ktonzwaarwater (D2O) 9600 PMTs

42. Neutrino reacties

43. Resultaten andere neutrino’s behouden neutrino flux geen oscillaties

44. KamLAND 55 kernreactoren met totaal vermogen 70 GW (~7% v/d wereldproductie) Neutrino’s worden geproduceerd op 130–220 km afstand van de detector

45. KamLAND (II) KamLAND meting CHOOZ meting Neutrino oscillaties geen oscillaties P(nene) ideaal geval L/E [km/MeV]

46. 23 Februari 1987 • Tijd correlatie • 99% energie is neutrino’s • 1% energie is licht Supernova 160,000 jaar Aarde

47. Neutrino astronomie

48. Astro-deeltjes Kosmische stralen p, He, .. ! ? n g neutrino’s • Supernova Remnants • Active Galactic Nuclei • Gamma-Ray Bursts • ... Gamma stralen

49. Astro-deeltjes e + ge + g Electro-Magnetisch p + pp+, p‒, p0 p±m±,nm ,ne Hadronisch p0g g p n ? g deeltjes identificatie!

50. Hoe? 1960 Markov’s idee: Zeewater als interactie en detectie medium • Lengte muon spoor • Detectie Cherenkov licht • Water is transparant