Добавил:
okley
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физика нейтрино (2 сем, мага) / Лекция 5
.pdf
Типы нейтрино
Электронное нейтрино (1956 г. Райнес и Коуэн)
Доказательства не тождественности нейтрино и антинейтрино
Эксперимент на реакторе.
Из реакции nep
Дэвисом на реакторе поставлен эксперимент по регистрации реакции + n → p + e-. (2).
Обе реакции при тождественности ν и должны идти с одним и тем же сечением ≈10
Так как в природе нет нейтронных мишеней, эксперимент поставлен на нейтронах, входящих
в состав атомного ядра.
Если процесс (3) возможен, то один из нейтронов ядра 37Cl, превращается в протон, что
приводит к образованию радиоактивного изотопа 37Ar. с периодом полураспада 35 дней.
В качестве мишени использовались 4000 литров перхлорэтилена (C2Cl4). Разработана
специальная методика извлечения радиоактивного изотопа 37Ar. Перхлорэтилен вымораживался, а
выделенный 37Ar помещался затем в пропорциональный счетчик.
Источником фона в основном являются фотоны, взаимодействующие с газом счетчика и
приводящие к образованию комптоновских электронов на всем пути своего движения в счетчике.
Это дает плавное нарастание сигнала. Отсечения фоновых событий возможно по форме переднего
следует ν + n → p + e- (1).
3737
е
(3)
AreCl
-43
см2.
фронта импульсов сигнала так как в случае распада происходит испускание оже-электронов,
приводящих в конечном итоге к образованию порядка 100 электрон-ионных пар, которые
регистрируются счетчиком практически одновременно. Это приводит к резкому переднему фронту
сигнала.
3737
Реакция
е
не зарегистрирована.
AreCl
Для величины измеренного сечения реакции (2) получена лишь верхняя оценка.
. Это значения почти в 45 раз меньше
ожидаемой величины. Таким образом, эксперимент доказал, что нейтрино и антинейтрино
являются разными частицами.
Дэвис, продолжая эксперименты по детектированию нейтрино, через 11 лет, используя ту же
реакцию, создал первый в мире детектор (Homestake) для регистрации солнечных нейтрино,
Эксперимент на ускорителе
Более точным методом проверки тождественности нейтрино и антинейтрино является
исследование на нейтринном канале ускорителя протонов реакций: ))(()( nepepn
,
0
под действием нейтрино от распада
3
eK
ee
(5%)
Если нейтрино и антинейтрино тождественны, то должно образовываться примерно
одинаковое количество электронов и позитронов. События регистрировались в пузырьковой камере.
В эксперименте наблюдали только электроны. Перекрытие состояний < 0.1%
Электронное нейтрино всегда в конечном состоянии появляется в паре с позитроном, а
электронное антинейтрино - в паре с электроном.
enp
epn
n
Двойной без ней тринный бета- распад.
Наиболее точным методом, с помощью которого можно установить тождественность
нейтрино и антинейтрино является наблюдение без нейтринного двойного бета-распада
epn 222
условия реакции
майорановость (
) и масса (спин)!!
Этот процесс лежит за рамками
Стандартной Модели.
Все попытки обнаружить
безнейтринный двойной бета-распад пока
окончились безрезультатно. Период
полураспада ≥ 1024лет. (масса мала)
Мюонное нейтрино
Мюонное нейтрино открыто в 1961 году на протонном
синхротроне AGS (BNL). Это стало возможным благодаря
созданию пучков нейтрино с высокой энергией от распадов:
,
К
,
В 1988 г. Л. Ледерману присуждена Нобелевская премия за
изобретение метода нейтринного пучка и открытие мюонного нейтрино.
Современный нейтринный канал
Открытие тау-лептона на коллайдере SPEAR.
В 1975 году в Phys. Rev. Letters опубликована статья М.Л. Перла «Свидетельство
аномального образования лептонов в е+ - е- аннигиляции»
Магнитный спектрометр
Марк-1.
еее
2
незарегистрированные частицы, не являющиеся адронами.
е-+ е+=
↓ ↓
+
+
-
ν + νе + е+ ν + νμ +μ-
Основной фон содержит адроны (h)
канал реализуется с вероятностью 17.81±0.07%,
е-е+ = D+ + D
↓ ↓
e+ + νe +h μ- +
Наблюдаемое распределение электронов и мюонов по импульсу совпадает
с трехчастичным распадом частицы, которая была названа тау лептоном.
Масса тау лептона 1777±0.7±1.7 Мэв, что почти в 2 раза больше массы протона, и,
следовательно, злементарность и масса не связаны.
За открытие тау лептона Перл получил Нобелевскую премию.
1. Появление тау - лептона указывало на существование третьего поколения элементарных
фермионов.
2. τ-лептон является единственным лептоном, который может распадаться на адроны.
Отношение каналов распада τ−лептона свидетельствует о «трехцветности» кварков.
-
+ h Но адроны не зарегистрированы
Расчет относительной вероятности распадов по существующим
каналам при одноцветном (1) и трехцветном (3) вариантах сильных
взаимодействий дает:
eν 33% (1) 20% (3) 1/5х100%
τ-→ ντ + μν 33% (1) 20% (3)
du 33% (1) 60% (3) 3/5х100%
Экспериментально eν
μν канал составляет 17.37±0.09%
3. Открытие тау - лептона привело к введению 3-го лептонного квантового числа.
Le Lμ Lτ
e-,
e+,
μ-, ν
μ+,
τ-, ντ
τ+,
e
e
μ
+1
-1 0 0 0 0
0
0
0
0
+1
-1 0 0
0 0 +1
-1
Закон сохранения лептонных чисел:
e
e
e
Lμ 1 → 1 + 0 + 0 Lμ 1 → 0 + 0 нарушение лепт. числа
Lе 0 → 0 + 1 + (-1) L
0 → 1 + 0 1 осцилляции нейтрино
e
Разрешен Запрещен 2 поворот спина
С момента открытия тау лептона в 1975 году возникло желание наблюдать тау нейтрино.
Несмотря на косвенные экспериментальные и теоретические свидетельства в пользу существования
тау нейтрино его прямое наблюдение явилось бы важным результатом. Однако, предлагаемые
эксперименты были технически очень сложна и дороги.
Тау-нейтрино впервые наблюдали через 25лет в 2000 г на теватроне FNAL
в эксперименте DONUT (Direct Observation of the NU Tau)
Использование ядерной эмульсии в качестве активной мишени в сочетании со специально
созданным пучком позволило в 1997г решить основные технические проблемы.
Предполагали, что тау нейтрино образуются в последовательном распаде D
возникающего
s ,
при взаимодействии протонного пучка с поглотителем:
p +N → Ds →τ+ +vτ,
Средняя энергия предполагаемого v
пучке, состоящем в основном из мюонных нейтрино - 5%.
В эксперименте искали события с двумя вершинами в эмульсии: первая – образование тау
лептона при взаимодействии тау нейтрино, например, vτ + n → τ- + X (vτ + d → τ- +u), вторая –
распад тау лептона: τ- → vτ + X.
Первая вершина не должна содержать мюона или электрона, характерных для взаимодействия
мюонных и электронных нейтрино.
111ГэВ. Ожидаемая доля таких нейтрино в нейтринном
τ
Поиск таких событий чрезвычайно сложен из -за необходимости просмотра больного
количества ядерной фотоэмульсии (20 литров – 900 человеко-лет).
Главная проблема -регистрация тау лептона.
Использование ядерной эмульсии в качестве активной мишени в сочетании со специально
созданным пучком тау-нейтрино позволило в FNAL решить основные проблемы:
1. Создание пучка предположительно содержащего тау – нейтрино.
2. Создание детектора для регистрации тау – лептона.
D
S
?
Установка расположена на выведенном
протонном пучке ускорителя FNAL, на
расстоянии 37м от поглотителя, на который
сбрасывается пучок протонов с энергией
800 ГэВ. (Beam dump).
Мюоны и
электроны
регистрируются
мюонным
идентификатором и
электромагнитным
калориметром
экспериментальной
установки.
Основной элемент экспериментальной установки – гибридный детектор, состоящий из ядерной
фотоэмульсии и сцинтилляционного файбер - трекового детектора (SFT).
Гибридный детектор состоит из эмульсионных слоев толщиной 100 микрон расположенных между
пластинами из железа толщиной 1мм. По следам в SFT определяют положение вершины в эмульсии с
точностью 5мм х 5мм х 20мм. В этом объеме слои эмульсии просматривает специальное автоматическое
устройство со скоростью 1см2/час.
Если не зарегистрировали µ или электрон, то
основной фон возникает от рождения и распада
очарованных частиц.
В июле 2000 после трех лет анализа найдено 4
тау лептона из 203 нейтринных взаимодействий.
К 2003 году найдено 7 тау лептонов при фоне 1,
2 события.
Определение количества типов нейтрино на коллайдере LEP 200
В различных сериях измерений энергия пучка фиксирована в пике, и измеряется
величина сечения для различных конечных состояний
быть лептонным или адронным. Если добавить нерегистрируемые каналы Гνν получим все
каналы распада, предсказываемые СМ.
Сечение образования резонанса двумя частицами определяется формулой Брейта-Вигнера
→ Z→F. Конечное состояние может
ee
2
4
2
2
)(
EE
R
)12(4
l
max
)(
Е
max
2
С учетом спина частиц
2
)12(4
J
2
)12(
2
EEs
R
Если резонансное состояние
формируется по каналу i, и распадается
по каналу j, сечение умножатся на фактор
4
4/
где
22
4/)(
2
ji
.
2
F
Zee
)12(4
J
2
)12(
)( cm
m
ZZ
4/
ji
EEs
0
Fi
22
4/)(
31212
2222
2190
1023,1
232
Важным является определение парциальной ширины
нерегистрируемых каналов Гνν. Парциальные ширины
зарегистрированных каналов получаются из величины сечения в
пике.
F
12
ширину всех видимых каналов то получится Г
m
Fi
Если из полной ширины ГZ=2,5GeV вычесть
22
ZZ
Так как вклад от
νν.
каждого типа нейтрино рассчитывается по СМ, можно определить, сколько существует типов
нейтрино.
Результаты вычислений Nν = 2.99 ± 0.01, что хорошо согласуется с известным
числом нейтрино.
Предсказания СМ Г
= 2.49 ГэВ. Эксперимент
полн
ГэВ5.2
Стерильное нейтрино
Осцилляции нейтрино подтверждены для расщеплений
10 evm
2,1
252
и
10 evm
3,2
232
«солнечными» и «атмосферными» осцилляциями.
осц
)(
кмL
Наблюдаемые осцилляции совместимы с тремя поколениями нейтрино.
LSND эксперимент (1995 г) наблюдает за 3σ избыток
в пучке
е
эвm
ij
(осцилляция) с ∆m2 ~ 0,2 - 1 эв2 и
22
)(
)(5,2
ГэВЕ
θ ~ 1,50 – 50. Активное нейтрино
вводить нельзя, Это
противоречило бы результатам
измерения ширины Z
0
на LEP, из
которого следует, что существуют
только три аромата нейтрино.
Любое другое нейтрино не должно
участвовать в слабом
взаимодействии. Это нейтрино
назвали стерильным.
Определение массы электронного нейтрино
Ферми рассчитал форму спектра β-электронов, вблизи верхней границы энергии β-
электронов чувствительной к массе mν. Сравнение теоретической формы спектра с
экспериментальной показало, что масса нейтрино много меньше массы электрона.
Для
спектр
0
m
электронов:
2
0
2
dpEEpdppN
)()(
eee
На практике для анализа спектра электронов удобно использовать график Кюри:
2/1
Это прямая, пересекающая ось х в точке Е
К(Е) ≈
0
2
/)(
ppN
ee
Наблюдение верхней границы спектра
электронов имеет смысл для электронов с
энергиями в диапазоне
.
Именно при таких энергиях форма кривой на графике существенно отличается от прямой.
2
2
Для
m
0
спектр электронов:
2
0
2
EEpdppN
eee
1)()(
cm
dp
EE
e
0
.
E
0
Вероятность распада в единицу времени
1
2
0
2
)(
0
dEEEE
5
E
0
30
Соседние файлы в папке Физика нейтрино (2 сем, мага)