Fsica de Neutrinos - Universidad de Sonorapaginas.fisica.uson.mx/eff.2013/Neutrinos_1.pdf · 2013....

1

Alexis A. Aguilar Arévalo "Física de Neutrinos" VIII Escuela de Física Fundamental Hermosillo, Sonora, 59 Agosto, 2013

Física de Neutrinos

Alexis A. Aguilar Arévalo ICNUNAM

VIII Escuela de Física Fundamental,Departamento de Física, Universidad de Sonora

Hermosillo, Sonora, 59 de agosto de 2013

2


● 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.

Contenido

3


Decaimiento beta nuclear ()

1900's: Radioactividad natural: Becquerel, Curie's, Rutherford ...

Decaimiento

Según la conservación de energía:

1911/1914: L. Meitner, O. Hahn, etc. Estudios detallados del decaimiento

!!

4


“n”

1930: Pauli: “un remedio desesperado”

Chadwick descubreel neutrón en 1932, E. Fermi propone llamarlo neutrino.

W. Pauli

“n”

on account of a ball

I cannot personallyappear in Tübingen...

...in decay a neutronis emitted together with the electron ...

... that there couldexist in the nuclei ... neutral particles, thatI wish to call neutrons,which have spin 1/2 ...

I've hit upon adesperate remedy...

5


1934: Teoría del decaimiento beta (E. Fermi)

Fermi construye la primera teoría del decaimiento .

Bethe y Peierls (1934): calculan la sección eficaz usando la teoría de Fermi.

Considerada una “partícula indetectable”

Interacción de contacto de 4 fermiones Posible método de detección

(IBD)

6


¿Es posible detectarlos?

1946 B. Pontecorvo

Propone detectar neutrinos con métodos radioquímicos por medio de reacciones como:

Un momento ... Si las fuentes son suficientemente intensas, los detectores suficientemente grandes, y esperamos suficiente tiempo ...

Posibles fuentes intensas: Reactores Nucleares, el Sol

Métodos eficientes de separación de Ar en existencia a la fecha.

7


19511956: Projecto “Poltergeist” (Los Alamos)

OK, pero no muy fácil de repetir ...

1953: El equipo colocó un detector de líquido centellador en las cercaníasdel reactor de Hanford, WA, observando lo que parecían eventos de IBD.

1952 (F. Reines): detectar el n, en coincidencia, permite usar el flujode un reactor!! (F

Reactor~ 103 F

Bomba)

“... we had the neutrino by the coattails, but our evidence would not stand up in court”. C. Cowan (1964)

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)

8


1956: Descubrimiento experimental (Reines & Cowan)

Frederick Reines Clyde Cowan

F. Reines y C. Cowan, Los Alamos, U.S.A.

Fuente: Reactor nuclear de Savannah River, SC(N

~ 5.6 1020 s-1 en 4).

Detector: 3 tanques con líquido centellador/PMTs 2 blancos de agua con CdCl2 disuelto

Junio 14 de 1956, telegrama a W. Pauli:“We are happy to inform you that we havedefinitively detected neutrinos from fission fragments by observing inverse beta decay. ”

F. Reines & C. Cowan

Nobel de Física, 1995

obs

= (11 ± 2.6 ) 10-44 cm2 Consistente conlo esperado al 5% !!

9


Número leptónico

1956 Siguiendo idea de Pontevorvo, R. Davis haceexperimento radioquímico buscando la reacción

Resultado: Esta reacción no ocurre !!

Los neutrinos de reactores producen e+ en los detectores. Según la teoría, tendría sentido llamarlos antineutrinos.

Ray Davis

Con los 's del reactor de Savannah River.

Introducción de un “número leptónico”

de decaimiento

de decaimiento

10


1957: Violación de paridad en el decaimiento

1957 Experimento de Wu del 60Co

60Cos || B

B

Electrones emitidos en direcciónopuesta al campo magnético.

el emitido en el decaimientoes derecho (y el es izquierdo)

Si esto es cierto en todo sistemade referencia m

= 0 !!

ChienShiung Wu

11


Sabores de neutrinos

1937 descubierto en los rayos cósmicos

1947 PontecorvoEl es una versión pesada del e, y no es el agente nuclear ( de Yukawa)

1959 PontecorvoPropone 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.

e

12


1962: Experimento de Brookhaven

Lederman Schwartz Steinberger

El neutrino producido en

Produce :

Pero NO produce e-:

Premio Nobel 1988

y

e son partículas distintas

Experimento de BNL

13


1987: Neutrinos de la supernova SN1987A son detectados en tres detectores: Kamiokande (Japón), IMB (USA) , Baksan (URSS).

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.

14


Otros eventos relevantes (cont.)

2002: El experimento SNO resuelve el problema de los neutrinos solares. Las oscilaciones en la materia solar ocurren de acuerdo al efecto MSW.

2000: El es detectado en el experimento DONUT (Fermilab).

1998: Estudiando neutrinos atmosféricos, SuperKamiokande halla evidencia contundente en favor de las oscilaciones de neutrinos (i.e. masa() ≠ 0).

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.

15


Otros eventos relevantes (cont.)

2006: El experimento MINOS (neutrinos de acelerador) confirma con mayor precisión la evidencia de oscilaciones de los neutrinos atmosféricos.

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 SuperKamiokande.

2012: Los experimentos DoubleChooz, DayaBay y RENO (neutrinos de reactores) miden con precisión el ángulo de mezcla pequeño 13.

16


Masas y Mezcla de neutrinos

17


Neutrinos en el modelo estándar (ME)

Espectro de masas de fermiones

En el ME los neutrinos no tienen masa: m=0

Es posible extender el ME para incluir neutrinos masivos ...

18


Interacciones de neutrinos

n p

p n

Corriente Cargada (CC Corriente Neutra (NC)

np

Decaimiento del neutrón

Decaimiento del muón Decaimiento inverso (CCQE) Captura electrónica

19


Algunas interacciones importantes de e y

Dispersión de CC nucleón:

Dispersión elástica electrón:

QuasiElástica

i.e. arriba del umbral de producción de 's y 's ('s):

(~0.1 – 100 GeV)

(~0.4 – 100 GeV)

( >~ 1 GeV )

Dispersión Inelástica Profunda

(~1 – 100 MeV)

Decaimiento inverso:

Producción de 's

20


Teoría de fermiones masivos

Ecuación de Dirac:

Lagrangiano de Dirac:

Descomposición quiral:

Experimentos de oscilaciones muestran que los neutrinos tienen masa

En el ME sólo

no masa de Dirac para los neutrinos.

Extensión simple del ME: añadir

21


Modelo Estándar “Extendido”

Lagrangiano HiggsLeptón de Yukawa

Ruptura espontánea de simetría

22


Término de masa de Dirac

Matriz de masas de Dirac (compleja de 3x3)

Términos como , ... , indican que no se conservan

Sin embargo, L si se conserva

Dentro de encontramos los siguientes términos

Que escrito en forma matricial es:

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 unatransformación biunitaria:

Notación:

UL, UR : Matrices de Mezcla

24


Matriz de Mezcla, neutrinos de Dirac

Angulos de mezcla

Fases

Matriz Unitaria de N N depende de N 2 parámetros reales:

No todas las fases son observables físicos.

El único efecto físico de la matriz de mezcla ocurre a través de supresencia en la Corriente Cargada débil leptónica:

25


Matriz de Mezcla, neutrinos de Dirac (cont)

Corriente Cargada débil leptónica

En términos de los eigenestados de masa:

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


Parametrización Estándar de la Matriz de Mezcla

cab cos ab sab sin ab 0 ab /2 0

Es conveniente expresar la matriz de mezcla (unitaria de 3 x 3)

En términos de 4 parámetros: 3 ángulos de mezcla , , , y 1 fase

27


Violación de CP

Invariantes unitarios:

En la parametrización estándar:

El invariante de Jarlskog es útil para cuantificar la violación de CP demanera independiente de la parametrización usada.

Todo efecto medible de violación de CP dependen de

Invariante de Jarlskog:

28


Término de masa de DiracMajorana

Término de masa de Dirac:

Pero es “izquierdo”, y es “derecho”.

Otros posibles términos de masa (de Majorana):

Término de masa de DiracMajorana:

Singulete, permitido por

Triplete (I3, Y), prohibido

(requiere y ):

: Matriz de masas de Majorana (compleja y simétrica de 3x3)

29


Término de masa de DiracMajorana (cont)


Matriz de masas de DiracMajorana (compleja y simétrica de 6x6)

Diagonalizable por transformación unitaria V:

30


Término de masa de DiracMajorana (cont)


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

CT C C

31


Mecanismo de Sube y Baja (“SeeSaw”)[Minkowski, Phys.Lett.B 67, 42(1977)][Yanagida (1979); GellMann, Ramond, Slansky (1979)] [Mohapatra, Sejanovic, Phys.Rev.Lett., 44, 912, (1980)]

Consideremos la matriz de mezcla de DiracMajorana

Los elementos de M D son generados por el mecanismo usual (M D 100 GeV) (HiggsYukawa)

Supongamos que:

Los elementos de M R son arbitrariamente grandes:

Entonces puede hacerse un cambio de base en donde M D+M es diagonal porbloques (aproximadamente):

32


Mecanismo de Sube y Baja (“SeeSaw”)

La nueva base no es muy diferente de la original:

33


Mecanismo de Sube y Baja (“SeeSaw”)

Término “ligero” de Majorana

Ahora si ... diagonalizando por una transformación unitaria U:

Mezcla

Si el SeeSaw se realiza en la naturaleza, los neutrinos serían partículasde Majorana. Explicaría de manera natural por qué los neutrinos tienenmasas tan pequeñas.

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 3de 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


Matriz de Mezcla, neutrinos de Majorana (cont)

Parametrización estándar:

El invariante de Jarlskog depende sólo de la fase de Dirac

Fsica de Neutrinos - Universidad de Sonorapaginas.fisica.uson.mx/eff.2013/Neutrinos_1.pdf · 2013....

Documents

Transcript of Fsica de Neutrinos - Universidad de Sonorapaginas.fisica.uson.mx/eff.2013/Neutrinos_1.pdf · 2013....