Pacifick

Jaká známe neutrina

Neutrina – leptony (neinteragují silně)

• nulový náboj
• nulový magnetický moment (velmi malý)
• fermiony (spin 1/2) – “nesnášenlivé” částice
• zatím bodové částice - rozměr zkoumaný v rozptylu menší než dostupné limity ≤ 10^-18 m

1. levotočivost – směr rychlosti opačný k orientaci spinu – helicita
2. pravotočivost – směr rychlosti totožný s orientací spinu - helicita

Slabé interakce nezachovávají paritu (obraz v zrcadle není totožný se zobrazovanou skutečností)

Ve standardním modelu:

1. předpokládá zachování leptonového čísla
2. pozorujeme pouze levotočivé neutrino a pravotočivé antineutrino

1. zachování leptonového čísla → neutrino se liší od antineutrina
2. existence jen levotočivého neutrina → pohyb rychlostí světla (nemožnost “předběhnutí”) → nulovou klidovou hmotnost

→ nemožnost oscilací a nenulové klidové hmotnosti

Rozšíření standardního modelu:

Nezachování leptonového čísla - antineutrino shodné s neutrinem (Majoranův typ)

Možnost oscilací ↔ nenulová klidová hmotnost aspoň některých neutrin ↔ rozdílné hmotnosti

Důležitost hledání oscilací neutrin

Experimenty:

1. Přímá měření → velmi malé horní limity na hmotnosti neutrin
2. Velmi silné evidence pro existenci oscilací

Kvantová fyzika → popis pomocí vlnové funkce (její kvadrát určuje pravděpodobnost výskytu částice

Vlnová funkce neutrina je směs různých stavů (ν_e, ν_μ, ν_τ) .

Jako příklad – oscilace anti ν_μ a anti ν_e:

Stav antineutrina je směsí stavu elektronového a mionového:

Pravděpodobnost přechodu mionového antineutrina v elektronové je:

kde Δm² = |m₁² – m₂²| [eV²]

L – vzdálenost v metrech [m]

E_ν – energie neutrina [MeV] 
  
 

Pravděpodobnost, že ve vzdálenost d nalezneme anti ν_μ je   
a anti ν_e je   _:

Prokázání odlišnosti reakce neutrin a antineutrin:

Částice (antineutrina) vznikající v reaktoru způsobují reakci:

Potvrzeno Davisem (1955). Horní limita v řádu procenta

Možnost, že se jedná o stejné částice - liší jen helicitou (Majoranova neutrina)

Dirackova neutrina – odlišnost neutrina a antineutrina

Majoranova neutrina – neutrino je totožné s antineutrinem → nezachování leptonového čísla

Potvrzení Majoranovi povahy neutrin → bezneutrinový beta rozpad:

Standardní model hmoty a interakcí – popíše téměř všechna známá experimentální fakta

Experimentální skutečnosti nevysvětlitelné v rámci standardního modelu:

1) Asymetrie mezi výskytem hmoty a antihmoty ve vesmíru

2) Evidence pro existenci oscilací neutrin

3) Anomální magnetický moment mionu

Evidence existence oscilací neutrin → nezachování jednotlivých leptonových čísel - kosmické záření, urychlovače a vzdálené detektory

Bezneutrinový dvojný beta rozpad → nezachování celkového leptonového čísla

Nenulovost hmotnosti neutrina

I. Úmělé zdroje:

1. Jaderné reaktory: rozpad beta → velké množství antineutrin z rozpadů neutronů a vznikajících radioaktivních jader:

    

   

   Vlastnosti tohoto zdroje:

    

   1. pouze elektronová antineutrina
   2. nesměrovaný
   3. spojité spektrum energií neutrin a jejich relativně nízká energie (~ keV – MeV)
   4. vysoká intenzita a stabilita
   5. provoz je spojitý v čase (nemožnost pulsního režimu)

Urychlovače:

 

1. protonové urychlovače s tlustým terčem – využití tříštivých reakcí → produkce hadronů →

    

   1. vydělení mezonů π, jejich rozpad na mion a mionové neutrino → případně další rozpad μ a produkce ν_μ a ν_e
   2. rozpady s produkcí tauonů → jejich rozpad na ν_τ
2. urychlovače mionů - následné urychlení mionů vzniklých v případě a) → jejich rozpad → reakce mionů z protony
3. urychlovače elektronů – využití obráceného beta rozpadu:   

Vlastnosti tohoto zdroje:

 

1. produkce různých typů neutrin
2. široká škála energií a možnost volby energie
3. možnost směrování a pulsního režimu

II. Přirozené zdroje:

1. Slunce:

   Hlavní část energie i produkovaných neutrin pochází z pp cyklu, ve kterém se čtyři protony mění na jádro ⁴He:

   4p → ⁴He + 2e⁺ + 2ν_e

   řidčeji z CNO cyklu. Jeho energie závisí na konkrétní reakci.

   Vlastnosti zdroje:

    

   1. zdroj elektronových neutrin
   2. energie v rozsahu řádově ~ 0.01 – 10 MeV
   3. spojité spektrum
   4. tok neutrin na Zemi ~ 10¹⁰ cm^-2s^-1 (pro E ≥ 7 MeV → ~ 10⁶ cm^-2s^-1)

Supernovy:

a) Neutrina vznikají při záchytu elektronů protony:

b) Během kolapsu hvězdy → velmi horká a hustá hmota → vyso-koenergetické procesy → produkce částic s velmi vysokou energií (i neutrin a antineutrin ν_e, ν_μ a ν_τ)

I pro aktivní galaktická jádra a kolabující vesmírné objekty

Vlastnosti tohoto zdroje:

 

1. intenzita klesá se čtvercem vzdálenosti supernovy
2. zdroj neutrin ν_e s energií ~ MeV a neutrin i antineutrin ν_e, ν_μ a ν_τ (až po TeV)
3. velmi krátký záblesk prostorově lokalizovaný

Kosmické záření

1. Primární složka: částice s vysokou energií (až ~ 10¹¹ GeV – dnešní urychlovače ~ 10⁴ GeV), největší část jsou protony a jádra, část i neutrina a anti neutrina ν_e, ν_μ a ν_{τ .}

   Izotropní rozložení – přichází ze všech směrů

   Původ: vzdálenější nerozlišitelné zdroje (supernovy, aktivní já-

   dra galaxií, kolabující objekty …)

 

2. Sekundární složka:

   Srážky částic a jader kosmického záření s jádry atmosféry →

   spousta hadronů → mezi nimi spousta mezonů π:

   π ⁺ → μ⁺ + ν_μ                  π ^- → μ^- + anti -ν_μ

               └→ e⁺ + ν_e + anti-ν_μ     └→ e^- + anti-ν_e + ν_μ

   Intenzivní zdroj neutrin a antineutrin ν_μ a ν_e

   poměr mezi počtem ν_μ a ν_e je R(ν_μ/ν_e) = 2

   zároveň intenzivní zdroj mionů

Vlastnosti tohoto zdroje:

1. Zdroj neutrin a antineutrin ν_μ a ν_e ze všech směrů
2. I velmi vysoké energie

Nutnost odstínění od částic kosmického záření (miony ze sekundární složky) → detektory hluboko do podzemí

Metody detekce:

1. Radiochemické metody:
Pro neutrina s nižší energií. Proces obráceného rozpadu beta:

Například: ν_e + ³⁷Cl → 37Ar + e^- 
                     ν_e + ⁷¹Ga → ⁷¹Ge + e^-