Добавил:
okley
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физика нейтрино (2 сем, мага) / Лекция 8
.pdf
Осцилляции атмосферных нейтрино
с энергией большей 2 ГэВ
Источником атмосферных нейтрино являются
распады пионов и мюонов. Пионы рождаются во
взаимодействиях первичны х протонов и более
тяжелых ядер с атмосферой Земли.
Глубина атмосферы ≈ 1030 г/см2,
длина ядерного взаимодействия ≈ 100 г см-2, поэтому
пионы преимущественно рождаются в верхних слоях
атмосферы и из-за короткого времени жизни
практически все распадаются налету. Мюоны с
энергией меньше 2 ГэВ также практически все
распадаются налету. Мюоны
достигают уровня моря.
в общем случае
2/
e
В 1988 году Kamiokande измерил потоки электронных и
мюонных нейтрино и оказалось, что мюонных нейтрино прилетает
существенно меньше, чем ожидалось.
На уровне моря при низких энергиях нейтрино (≤1 ГэВ)
мюонных нейтрино в два раза больше чем электронных нейтрино (от
распадов мюонов). Для нейтрино более высоких энергий это
отношение еще больше, так как число распавшихся налету мюонов
меньше.
e
e
2
1
1
=0,5
e
e
/
,
e
e
2, (≤1 ГэВ)
/
e
(1 + 0,5)/(0,5) =3 (>2 ГэВ)
e
)(1)(2
ee
*
)'(/)(
эксперимNN
e
)(/)(
ожиданияNN
e
16,0638,0
Так возникла атмосферная аномалия. Один из вариантов ее
объяснения — осцилляции. Но были и другие варианты, например,
какие-то новые процессы, приводящие к увеличению электронной
компоненты, или еще более экзотические возможности. Не было
доказательства, что осцилляции действительно происходят.
Эксперимент MACRO
МACRO — это универсальный детектор большой площади. Шесть модулей 12х12х3м3. Одна из
задач детектора - измерение потока атмосферных мюонных нейтрино и поиск нейтринных осцилляций.
В отличии от других экспериментов детектировались не нейтрино, а мюоны,
которые образуются при прохождении нейтрино сквозь Землю.
Только нейтрино может пролететь сквозь Землю и родить мюон на подлете к установке.
Мюоны, входящие в детектор снизу, образуются атмосферными мюонными нейтрино в
веществе Земли. Длину пробега нейтрино в Земле можно оценить, используя измеряемое
направление мюона, приблизительно сохраняющего направление нейтрино.
Треки мюонов, пересекающих детектор, устанавливаются по данным трековых плоскостей,
а разделение на идущие вверх или вниз — по времени пролета, измеряемому сцинтилляционными
счетчиками. Поток мюонов вверх очень низок, менее 100 мюонов в год.
The detector was composed of three subdetectors: liquid scintillation counters, limited streamer
tubes and nuclear track detectors.
Масса детектора 5300 тонн. Нижняя часть
детектора - десять горизонтальных плоскостей
трековых камер, прослоенных поглотителем из
бетона; еще четыре горизонтальных плоскости
находились в верхней части.
Время - пролетная методика дает
коэффициент подавления 107 для мюонов, летящих в
детектор сверху
Измеренный поток мюонов, пересекающих детектор снизу,
в сравнении с ожидаемым.
Угловое распределение идущих вверх мюонов. Угол
измеряется от зенита. Штриховая линия соответствует
расчету (полоса - неопределенность без осцилляции).
Сплошная линия — наилучший фит для осцилляции.
Виден дефицит потока для направлений, близких к
вертикали, т.е. мюонных нейтрино, которые прошли
несколько тысяч километров; их средняя энергия составляет
около 50 ГэВ. Этот факт интерпретируется как указание на
осцилляции с максимальным смешиванием (sin22θ=1.0) и
Δm2 = 2,5 х 10-3 эВ2.
Эксперимент с SK
В середине 1990-х годов рабочий
объем детектора Kamiokande был
кардинально увеличен, и установка
получила приставку «супер-». Это
позволило резко поднять темп регистрации
нейтрино и уменьшить погрешности.
В 1998 году Супер-Камиоканда не
только подтвердила дефицит атмосферных
νμ на большой статистике, но и
опубликовала четкую зависимость
дефицита от зенитного угла.
В 1998 году на
конференции по физике и
астрофизике нейтрино Такааки
Кадзита от имени коллаборации
сделал доклад, в котором
приводил новые данные SuperKamiokande не только по
величине потоков, но и по их
угловому распределению. Такие
данные были и раньше, но тогда
погрешности не позволяли
заметить ничего необычного
x
105.
2
Потоки электронных и мюонных нейтрино низких
и высоких энергий, пришедших с разных направлений.
Угол Θ отсчитывается от зенита:
значение cos Θ = 1 отвечает нейтрино, идущим сверху вниз,
cos Θ = 0 — идущим горизонтально.
cos Θ = −1 — идущим снизу вверх (Rз=6371км),
Голубые полоски - поток в предположении, что
нейтрино не осциллируют, красная гистограмма — поток с
учетом осцилляций.
«Пропажа» далеких мюонных нейтрино означает, что
на своем тысячекилометровом пути к детектору существенная
их часть успела превратиться в другие нейтрино. Более того,
даже понятно в какие: это не электронные нейтрино,
поскольку их поток практически не изменился; значит, это
тау-нейтрино, которые детектор не отслеживал.
Отношение числа наблюдаемых нейтрино к ожидаемому для
осцилляций νμ →vτ.
Четкий минимум в области L./E = 500 км/ГэВ при 10 ГэВ
соответствует длине осцилляций λ = 10000км. Максимальная
энергия нейтрино ограничена на уровне 25 ГэВ.
(Сплошная линия – расчет по МС)
ГэВx
105.2
L
=
осц
3
10000
км
СК установила существование осцилляции мюонных нейтрино возникающих в атмосфере Земли.
Измеренные параметры осцилляции:∆m
В то же время осцилляций ν
и анти-νе не зарегистрировано,
е
что свидетельствует о малости угла θ
2
=2 х10-3эв2, θ = 450.
23
1,3
Нобелевская премия по физике 2015 года была присуждена сразу двум ученым – Артуру
Б.Макдональду из Канады и японцу Такааки Кадзита.
В результате проведенных исследований,
независимо друг от друга они пришли к выводу, что
элементарные частицы нейтрино могут менять
состояние. И поскольку подобные метаморфозы
невозможны без наличия массы, открытие физиков
поставило под сомнения общепринятую
Стандартную модель элементарных частиц,
согласно которой нейтрино массу иметь не должно.
Соседние файлы в папке Физика нейтрино (2 сем, мага)