"Física de Neutrinos"

Transcripción

1 1 Física de Neutrinos ICN UNAM, Departamento de Física, Universidad de Sonora Hermosillo, Sonora, 5 9 de agosto de 2013

2 2 Contenido Clase I: Algo de historia Teoría de masas y mezclas de neutrinos Clase II: Oscilaciones de Neutrinos en el vacío y en materia Clase III: Experimentos de oscilaciones de neutrinos: solares, atmosféricos, reactores, aceleradores. Clase IV: Telescopios de Neutrinos astrofísicos Anomalías y neutrinos estériles Clase V: Escala absoluta de masas de neutrinos, límites de mediciones directas y límites cosmológicos.

3 3 Decaimiento beta nuclear ( ) 1900's: Radioactividad natural: Becquerel, Curie's, Rutherford /1914: L. Meitner, O. Hahn, etc. Estudios detallados del decaimiento Decaimiento Según la conservación de energía:!!

4 4 1930: Pauli: un remedio desesperado I've hit upon a desperate remedy... n... that there could exist in the nuclei... neutral particles, that I wish to call neutrons, which have spin 1/2... W. Pauli...in decay a neutron is emitted together with the electron... n I cannot personally appear in Tübingen... on account of a ball Chadwick descubre el neutrón en 1932, E. Fermi propone llamarlo neutrino.

5 5 1934: Teoría del decaimiento beta (E. Fermi) Fermi construye la primera teoría del decaimiento. (IBD) Interacción de contacto de 4 fermiones Posible método de detección Bethe y Peierls (1934): calculan la sección eficaz usando la teoría de Fermi. Considerada una partícula indetectable

6 6 Es posible detectarlos? 1946 B. Pontecorvo Un momento... Si las fuentes son suficientemente intensas, los detectores suficientemente grandes, y esperamos suficiente tiempo... Propone detectar neutrinos con métodos radioquímicos por medio de reacciones como: Métodos eficientes de separación de Ar en existencia a la fecha. Posibles fuentes intensas: Reactores Nucleares, el Sol

7 : Projecto Poltergeist (Los Alamos) Idea: a) Detonar bomba nuclear (20 kt). b) Al mismo tiempo, dejar caer detector en un vacío. c) Detectar neutrinos por d) Recoger Premio Nobel (opcional) J. Morfín (FNAL) OK, pero no muy fácil de repetir (F. Reines): detectar el n, en coincidencia, permite usar el flujo de un reactor!! (FReactor~ 10 3 FBomba) 1953: El equipo colocó un detector de líquido centellador en las cercanías del reactor de Hanford, WA, observando lo que parecían eventos de IBD.... we had the neutrino by the coattails, but our evidence would not stand up in court. C. Cowan (1964)

8 8 1956: Descubrimiento experimental (Reines & Cowan) F. Reines y C. Cowan, Los Alamos, U.S.A. Fuente: Reactor nuclear de Savannah River, SC (N ~ s-1 en 4 ). Detector: 3 tanques con líquido centellador/pmts 2 blancos de agua con CdCl2 disuelto Nobel de Física, 1995 Frederick Reines obs = (11 ± 2.6 ) cm2 Clyde Cowan Consistente con lo esperado al 5%!! Junio 14 de 1956, telegrama a W. Pauli: We are happy to inform you that we have definitively detected neutrinos from fission fragments by observing inverse beta decay. F. Reines & C. Cowan

9 9 Número leptónico Los neutrinos de reactores producen e+ en los detectores. Según la teoría, tendría sentido llamarlos anti neutrinos Siguiendo idea de Pontevorvo, R. Davis hace experimento radioquímico buscando la reacción Con los 's del reactor de Savannah River. Resultado: Esta reacción no ocurre!! Ray Davis Introducción de un número leptónico de decaimiento de decaimiento

10 : Violación de paridad en el decaimiento 1957 Experimento de Wu del 60Co B 60 Co s B Electrones emitidos en dirección opuesta al campo magnético. el emitido en el decaimiento es derecho (y el es izquierdo) Si esto es cierto en todo sistema de referencia m = 0!! Chien Shiung Wu

11 11 Sabores de neutrinos 1937 descubierto en los rayos cósmicos 1947 Pontecorvo El es una versión pesada del e, y no es el agente nuclear ( de Yukawa) e 1959 Pontecorvo Propone que el neutrino que acompaña al. en el decaimiento del pión es diferente al producido en el decaimiento beta ( +):... tal vez? La sección eficaz crece con E. Propone el primer experimento con un haz de neutrinos.

12 : Experimento de Brookhaven Premio Nobel 1988 y e son partículas distintas Lederman Schwartz Steinberger El neutrino producido en Produce : Pero NO produce e-: Experimento de BNL

13 13 Otros eventos relevantes 1970: Ray Davis reporta haber detectado neutrinos solares a través de la reacción. Observa ~1/3 del flujo esperado. Nace el problema de los neutrinos solares. 1973: Descubrimiento de las interacciones de corriente neutra (NC) de los neutrinos en el experimento Gargamelle (CERN). 1978: Mikheyev, Smirnov y Wolfenstein proponen una solución al problema de los neutrinos solares (efecto MSW) en términos de oscilaciones de neutrinos en materia. 1987: Neutrinos de la supernova SN1987A son detectados en tres detectores: Kamiokande (Japón), IMB (USA), Baksan (URSS).

14 14 Otros eventos relevantes (cont.) 1990s: Experimentos del LEP (CERN) sobre el ancho de decaimiento del establecen que existen solo 3 tipos de neutrinos ligeros activos 3 familias en el ME. 1998: Estudiando neutrinos atmosféricos, Super Kamiokande halla evidencia contundente en favor de las oscilaciones de neutrinos (i.e. masa( ) 0). 2000: El es detectado en el experimento DONUT (Fermilab). 2002: El experimento SNO resuelve el problema de los neutrinos solares. Las oscilaciones en la materia solar ocurren de acuerdo al efecto MSW.

15 15 Otros eventos relevantes (cont.) 2002: El experimento KamLAND (neutrinos de reactores) verifica que hay oscilaciones de neutrinos en el vacío con los parámetros deducidos de las oscilaciones de los neutrinos solares. 2004: El experimento K2K (neutrinos de acelerador) verifica la evidencia de oscilaciones de neutrinos atmosféricos de Super Kamiokande. 2006: El experimento MINOS (neutrinos de acelerador) confirma con mayor precisión la evidencia de oscilaciones de los neutrinos atmosféricos. 2012: Los experimentos Double Chooz, Daya Bay y RENO (neutrinos de reactores) miden con precisión el ángulo de mezcla pequeño 13.

16 16 Masas y Mezcla de neutrinos

17 17 Neutrinos en el modelo estándar (ME) En el ME los neutrinos no tienen masa: m =0 Espectro de masas de fermiones Es posible extender el ME para incluir neutrinos masivos...

18 18 Interacciones de neutrinos Decaimiento del neutrón p n Corriente Cargada (CC Decaimiento del muón Corriente Neutra (NC) p Captura electrónica Decaimiento inverso (CCQE) n n p

19 19 Algunas interacciones importantes de e y Dispersión elástica electrón: Decaimiento inverso: (~1 100 MeV) Dispersión de CC nucleón: (~ GeV) Quasi Elástica (~ GeV) Producción de 's ( >~ 1 GeV ) Dispersión Inelástica Profunda i.e. arriba del umbral de producción de 's y 's ( 's):

20 20 Teoría de fermiones masivos Ecuación de Dirac: Lagrangiano de Dirac: Descomposición quiral: En el ME sólo no masa de Dirac para los neutrinos. Experimentos de oscilaciones muestran que los neutrinos tienen masa Extensión simple del ME: añadir

21 21 Modelo Estándar Extendido Lagrangiano Higgs Leptón de Yukawa Ruptura espontánea de simetría

22 22 Término de masa de Dirac Dentro de encontramos los siguientes términos Que escrito en forma matricial es: Términos como Matriz de masas de Dirac (compleja de 3x3),..., indican que no se conservan Sin embargo, L si se conserva

23 23 Mezcla de neutrinos de Dirac Usando la notación el término de masa de Dirac es simplemente La matriz compleja puede diagonalizarse por medio de una transformación biunitaria: Notación: UL, UR : Matrices de Mezcla

24 24 Matriz de Mezcla, neutrinos de Dirac Matriz Unitaria de N N depende de N 2 parámetros reales: Angulos de mezcla Fases No todas las fases son observables físicos. El único efecto físico de la matriz de mezcla ocurre a través de su presencia en la Corriente Cargada débil leptónica:

25 25 Matriz de Mezcla, neutrinos de Dirac (cont) En términos de los eigenestados de masa: Corriente Cargada débil leptónica El Lagrangiano debe ser invariante bajo transformaciones de fase globales (3 neutrinos + 3 leptones 6 fases arbitrarias): Bajo estas transformaciones, el Lagrangiano se vuelve: 5 fases arbitrarias pueden elegirse para eliminar 5 de las 6 fases en U. sólo 1 fase física.

26 26 Parametrización Estándar de la Matriz de Mezcla Es conveniente expresar la matriz de mezcla (unitaria de 3 x 3) En términos de 4 parámetros: 3 ángulos de mezcla,,, y 1 fase cab cos ab sab sin ab 0 ab /2 0

27 27 Violación de CP Invariantes unitarios: Invariante de Jarlskog: En la parametrización estándar: El invariante de Jarlskog es útil para cuantificar la violación de CP de manera independiente de la parametrización usada. Todo efecto medible de violación de CP dependen de

28 28 Término de masa de Dirac Majorana Término de masa de Dirac: (requiere Pero y ): es izquierdo, y es derecho. Otros posibles términos de masa (de Majorana): Singulete, permitido por Triplete (I3, Y ), prohibido Término de masa de Dirac Majorana: : Matriz de masas de Majorana (compleja y simétrica de 3x3)

29 29 Término de masa de Dirac Majorana (cont) Término de masa de Dirac Majorana: Matriz de masas de Dirac Majorana (compleja y simétrica de 6x6) Diagonalizable por transformación unitaria V:

30 30 Término de masa de Dirac Majorana (cont) Término de masa de Dirac Majorana: CT C C Los campos masivos de Majorana son: Condición de Majorana El campo de Majorana tiene 1/2 grados de libertad del campo de Dirac neutrino = antineutrino

31 Mecanismo de Sube y Baja ( See Saw ) 31 [Minkowski, Phys.Lett.B 67, 42(1977)] [Yanagida (1979); Gell Mann, Ramond, Slansky (1979)] [Mohapatra, Sejanovic, Phys.Rev.Lett., 44, 912, (1980)] Consideremos la matriz de mezcla de Dirac Majorana Supongamos que: Los elementos de M D son generados por el mecanismo usual (M D 100 GeV) (Higgs Yukawa) Los elementos de M R son arbitrariamente grandes: Entonces puede hacerse un cambio de base en donde M D+M es diagonal por bloques (aproximadamente):

32 32 Mecanismo de Sube y Baja ( See Saw ) La nueva base no es muy diferente de la original: <<1 <<1 Pero nos permite identificar que, son campos ligeros, son campos pesados y Sube y Baja Término ligero Término pesado

33 33 Mecanismo de Sube y Baja ( See Saw ) Término ligero de Majorana Ahora si... diagonalizando por una transformación unitaria U: Mezcla Si el See Saw se realiza en la naturaleza, los neutrinos serían partículas de Majorana. Explicaría de manera natural por qué los neutrinos tienen masas tan pequeñas.

34 34 Matriz de Mezcla, neutrinos de Majorana Corriente Cargada débil: U depende de 6 fases El término de masas de Majorana: no es invariante bajo Sólo las 3 fases de los campos de leptones cargados pueden absorber 3 de las fases de U por la izquierda (términos de masa de Dirac). 2 fases de Majorana en U observables, factorizadas por la derecha: U D es análoga a una matriz de mezcla de Dirac, con una fase de Dirac.

35 35 Matriz de Mezcla, neutrinos de Majorana (cont) Parametrización estándar: El invariante de Jarlskog depende sólo de la fase de Dirac