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Oscilaciones de neutrinos en el experimento T2K

Oscilaciones de neutrinos en el experimento T2K. Federico Sánchez Nieto Investigador titular del IFAE. Semana de la ciencia, 16 Novembre 2011, UAB. Federico Sánchez. Indice. ¿ Que son los neutrinos ? ¿ Cuantas clases de neutrinos hay ? Oscilaciones de neutrinos. El experimento T2K.

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Oscilaciones de neutrinos en el experimento T2K

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  1. Oscilaciones de neutrinos en el experimento T2K Federico Sánchez Nieto Investigador titular del IFAE Semana de la ciencia, 16 Novembre 2011, UAB Federico Sánchez

  2. Indice ¿ Que son los neutrinos ? ¿ Cuantas clases de neutrinos hay ? Oscilaciones de neutrinos. El experimento T2K. ¿Cual es el futuro ? Semana de la ciencia, 16 Novembre 2011, UAB Federico Sánchez

  3. ¿ que son los neutrinos ? “When you ask what are electrons and protons I ought to answer that this question is not a profitable one to ask and does not really have a meaning. The important thing about electrons and protons is not what they are but how they behave - how they move.” P.M. Dirac, Indian Science Congress Badora (1955) Humildemente seguiré el consejo de P.M.Dirac y trataré de contestar a esta pregunta a partir de como se comportan y como los estudiamos. Semana de la ciencia, 16 Novembre 2011, UAB Federico Sánchez

  4. Radioactividad El fenómeno de la radioactividad fue descubierto en 1896 por el físico francés Antoine Henri Becquerel al observar que las sales de uranio podían ennegrecer una placa fotográfica aunque estuvieran separadas de la misma por una lámina de vidrio o un papel negro. La radiactividad es un fenómeno natural que consiste en el cambio de naturaleza de un núcleo con la emisión de otras partículas (núcleos, electrones, rayos gamma,....) Núcleos están formados por protones y neutrones He4 U238 Pa234 Semana de la ciencia, 16 Novembre 2011, UAB Federico Sánchez

  5. Descubrimiento del neutrino Ya por el año 1913 existía un puzzle que tenía en jaque a la comunidad científica. En un tipo de desintegración radioactiva la partícula que se emite es un electrón. (Radioactividad beta). El electron era la única partícula visible en los detectores de la epoca. electron Pa234 U234 Semana de la ciencia, 16 Novembre 2011, UAB Federico Sánchez

  6. Descubrimiento del neutrino Por simple conservación de energía y cantidad de movimiento (como en una colisión de bolas de billar) el electron debería tener una energía definida igual a la diferencia entre las masas del Paladio y el Uranio (E=mc²). electron Pa234 U234 La medida experimental de la energía del electrón no era un número fijo sino una distribución con muchos posibles valores. ¿ Era erroneo el principio de conservación de energía ?. Semana de la ciencia, 16 Novembre 2011, UAB Federico Sánchez

  7. Diciembre 1930: un remedio desesperado electrón neutrino Pa234 U234 W.Pauli propone la existencia de una partícula que balancea la conservación de energía, el neutrino: EPa = EU + Ee + Eν El neutrino era una partícula sin carga eléctrica y con una probabilidad de interacción bajísima. (invisible). “I have done something very bad today by proposing a particle that cannot be detected; it is something no theorist should ever do.” W.Pauli Semana de la ciencia, 16 Novembre 2011, UAB Federico Sánchez

  8. Diciembre 1930: un remedio desesperado Para Pauli los neutrinos eran: Neutros, luego difíciles de detectar. De muy baja masa. Con una probabilidad de interacción muy baja. Pauli les llamó “neutrones”, pero en 1932 Chadwick descubre a los hermanos de los protones con carga neutra que son mucho mas masivos. Fermi propone el nombre de neutrino... En 1933, F. Perrin demuestra que la masa de los neutrinos (si existen) debe ser mucho menor que la masa del electrón. Aunque no por el neutrino. Semana de la ciencia, 16 Novembre 2011, UAB Federico Sánchez

  9. Diciembre 1930: un remedio desesperado No todo el mundo estaba a favor de la idea: Sir Arthur Eddington „In an ordinary way I might say that I do not believe in neutrinos. Dare I say that experimental physicists will not have sufficient ingenuity to make neutrinos.” El problema fundamental era como demostrar la existencia del neutrino: había que detectarlo!. Semana de la ciencia, 16 Novembre 2011, UAB Federico Sánchez

  10. Detectando neutrinos H.Bethe, propuso la manera de detectar neutrinos: desintegración beta inversa. La idea era simple, la desintegración beta es la desintegración de un neutrón en el núcleo: Si esta reacción existe, también su inversa: protón neutrón e- neutrino neutrón protón neutrino e- Semana de la ciencia, 16 Novembre 2011, UAB Federico Sánchez

  11. Detectando neutrinos: una pausa.... En mecánica cuántica los procesos físicos tienen una cierta probabilidad de ocurrir. Esto no significa que no sea determinista, simplemente que la naturaleza tiene varias opciones “predeterminadas” a elegir y lo hace de forma aleatoria. Cualquier fenómeno físico con base cuántica se basa pues en probabilidades. Si queremos ver un fenómeno tendremos que intentarlo un número de veces tal que: probabilidad x numero de intentos ~ 1. Los neutrinos (así como la desintegración radioactivas) tienen una cierta probabilidad de ocurrencia....pero ¿cual es esa probabilidad?. Semana de la ciencia, 16 Novembre 2011, UAB Federico Sánchez

  12. Detectando neutrinos H.Bethe se calculó esta probabilidad basándose en los valores de la velocidad de desintegración beta de un núcleo. La probabilidad que obtuvo fue de 10-44 cm². Esto significa que uno necesita: Un tubo de 1021cm de agua: un billón veces el diámetro de la tierra...., ¡para reducir su numero a la mitad! O una cantidad immensa (1021) de neutrino para verlos en 1m. N neutrinos N/2 neutrinos ... 1 000 000 000 000 Semana de la ciencia, 16 Novembre 2011, UAB Federico Sánchez

  13. Descubrimiento del neutrino En 1956 Reines & Cowan detectaron por primera vez neutrinos. Usaron para ello los neutrinos producidos en la reacciones nucleares de una central nuclear en Savannah River (EEUU). Esta es una fuente muy intensa de neutrinos. Usando una técnica de coincidencia de señales retardadas consiguieron ver la reacción de un neutrino con bajo ruido. Cd Fotón neutrón protón neutrino Fotón e+ Fotón e- Semana de la ciencia, 16 Novembre 2011, UAB Federico Sánchez

  14. ¿Cuantas clases de neutrinos hay? Al final de los años cuarenta del siglo XX, se descubría una partícula similar al electrón pero más masiva (el muón) y otra de naturaleza distinta que se dió en llamar pión. El pión era producida en las interacciones de partículas extraterrestres con la atmosfera de la tierra (rayos cósmicos) Una propiedad de los piones es que se desintegran (de modo similar a la desintegración beta de los núcleos antes citados). En esta desintegración se produce el muón más un neutrino. ¡Es una desintegración beta de piones! muón pión neutrino Semana de la ciencia, 16 Novembre 2011, UAB Federico Sánchez

  15. Descubrimiento del neutrino del muón Experimento se realizó en 1962 BNL (Nueva York) usando una nueva tecnología para acelerar protones a altas energías. Esta tecnología aún se usa en experimentos modernos. Leon Lederman, Melvin Schwartz y Jack Steinberger obtuvieron el premio nobel por el descubrimiento en 1988. Semana de la ciencia, 16 Novembre 2011, UAB Federico Sánchez

  16. ¿Cuantas clases de neutrinos hay? En los años 70 del siglo XX, Perl descubría otra partícula similar al electrón y al muón pero aún más masiva (el tau). El tau se producía en aceleradores de alta energía en colisiones de electrones y positrones (electrones de carga positiva). El neutrino tau fue el último en detectarse en el experimento Donut en 1990 Semana de la ciencia, 16 Novembre 2011, UAB Federico Sánchez

  17. ¿Cuantos neutrinos hay? Las partículas elementales están agrupadas en 3 familias. Cada familia es igual a la anterior pero con masas mayores. La familia de más baja masa es la que constituye la materia ordinaria (protones, neutrones y electrones). Asociado a cada familia hay un neutrino: 3 neutrinos en total. Semana de la ciencia, 16 Novembre 2011, UAB Federico Sánchez

  18. ¿Como distinguir neutrinos? Cuando un neutrino se produce o desaparece puede hacerlo asociado a un: electrón, muón o tau Dependiendo de la partícula asociada los neutrinos se dividen en: neutrino electron neutrino muon neutrino tau electrón neutrino Pa234 U234 muón pión neutrino Electron Neutrino Muon Neutrino Tau Neutrino rho tau neutrino Semana de la ciencia, 16 Novembre 2011, UAB Federico Sánchez

  19. Produce un muón luego el neutrino es del tipo muón. Imagen real de una cámara de burbujas. Veamos un neutrino neutrino Semana de la ciencia, 16 Novembre 2011, UAB Federico Sánchez

  20. Volvemos a los años 50:algunos científicos pensaron en usar los neutrinos para estudiar el sol.Esta era una manera de entender las reacciones nucleares que allí tenían lugar. Oscilaciones de neutrinos: el origen! Semana de la ciencia, 16 Novembre 2011, UAB Federico Sánchez

  21. Neutrinos del sol Semana de la ciencia, 16 Novembre 2011, UAB Federico Sánchez

  22. Neutrinos del Sol El sol es una central nuclear de fusión, cuya reacción neta se pued escribir como: 4p ➝ 4He 2e+ 2 νe . 4 protones dan lugar a un núcleo de Helio con 2 positrones y 2 neutrinos. El sol irradia 4.12x10-12J, por cada núcleo de Helio (o la mitad por cada neutrinos). La irradiación e la tierra es de 1370Watts/m2, así que el flujo de neutrinos es 1370/(2.06x10-12)/m2/sec = 6.65x1010/cm2/sec. Este número se conoce con una precisión del 10% Semana de la ciencia, 16 Novembre 2011, UAB Federico Sánchez

  23. Neutrinos solares en SuperKamiokande Vemos neutrinos del sol: El sol “fotografiado” con neutrinos Los ν’s se producen 8 minutos antes de ser detectados. Los γ se producen 1M de años antes. Semana de la ciencia, 16 Novembre 2011, UAB Federico Sánchez

  24. ...y se midieron… 71±5 71±5 R.Davis M.Koshiba Pero menos de los esperados Semana de la ciencia, 16 Novembre 2011, UAB Federico Sánchez

  25. Una posible solución:oscilaciones de neutrinososcilaciones de neutrinos Algo encajaba con los neutrinos solares: el modelo solar, los experimentos o ambas cosas. ¿ Y si en el sol se producen neutrinos del tipo electrón y se transforman en neutrinos de tipo muon cuando viajan a al tierra? Predicción teórica: “Si los neutrinos tuviesen masa, se “mezclarían”, a través de efectos cuánticos y el neutrino producido podría ser distinto del detectado”. Semana de la ciencia, 16 Novembre 2011, UAB Federico Sánchez

  26. Una posible solución: oscilaciones Es posible que la tierra esté a una distancia tal del sol que la mitad de los neutrinos electrones se han convertido en neutrinos del muón y no los vemos. Neutrino electrón Neutrino electrón+muón Neutrino muón Neutrino electrón+muón Distancia de viaje Se desplazan a diferente velocidad y su proporción cambia a cada distancia. Neutrino masivo La velocidad cambia con la energía así que la proporción es distinta en función de la energía. Neutrino ligero Semana de la ciencia, 16 Novembre 2011, UAB Federico Sánchez

  27. Oscilaciones En un proceso físico se producen neutrinos de un tipo. El neutrino viaja una larga distancia en el espacio y se mezcla. El neutrino interacciona en el detector electrón muón 016 pión neutrino neutrino 015 Sabemos el tipo por su partícula asociada. Sabemos el tipo por su partícula asociada. Neutrino muón Neutrino electrón Sabemos que es así porque a cortas distancias solo vemos neutrinos del muon Semana de la ciencia, 16 Novembre 2011, UAB Federico Sánchez

  28. Una posible solución: oscilaciones Si esta teoría es cierta: Si midiesemos los neutrinos sin distinguir de que tipo son deberíamos recuperar el flujo de neutrinos del sol. El fenómeno debería de ser universal y no solo aplicable a neutrinos del sol --> buscar en otras fuentes de neutrinos. Semana de la ciencia, 16 Novembre 2011, UAB Federico Sánchez

  29. Comprobación definitiva: SNO Cómo medir todas las especies de neutrinos ?: corrientes neutras!. Neutrino Neutrino Electrón Neutrino protón protón neutrón protón E = mc2 Corriente neutra produce neutrinos en el estado final sensible a todos los tipos de neutrinos por igual: electron, muon and tau. No los distingue, pero los mide todos. Corriente cargada produce (electron,muon,tau) en el estado final: los neutrinos solares no tienen energía (~4 masa electron) para producir muones (200 melectron) o taus (4000 melectron). Flujo total de neutrinos Flujo de neutrinos electrón Semana de la ciencia, 16 Novembre 2011, UAB Federico Sánchez

  30. El detector SNO 1000 toneladas de agua pesada (D2O) Mina en Canadá a 2 km de la superficie 10000 foto-multiplicadores Semana de la ciencia, 16 Novembre 2011, UAB Federico Sánchez

  31. El detector SNO SNO midió: Corriente Cargada neutrino+d->proton+proton+elect Corriente neutra (NC) neutrino+d->neutron+proton+neutrino Mezcla de Neutra y Cargada (ES) neutrino+elect->neutrino+elect Semana de la ciencia, 16 Novembre 2011, UAB Federico Sánchez

  32. Conclusiones del detector SNO El flujo total de neutrinos coincide con la predicción del modelo solar. El número de interacciones de los neutrinos electrón son la mitad de lo esperado --> los neutrinos oscilan. Además, si los neutrinos oscilan --> ¡¡¡¡¡ Los neutrinos tienen masa !!!!! Eso sí, muy pequeña: del orden de la millonésima parte de la masa del electrón Semana de la ciencia, 16 Novembre 2011, UAB Federico Sánchez

  33. Neutrinos atmosféricos En la atmósfera también se producen neutrinos por interacción de los rayos cósmicos De hecho se producen ~2 neutrinos de tipo muon por cada uno de tipo electrón. Semana de la ciencia, 16 Novembre 2011, UAB Federico Sánchez

  34. Neutrinos atmosféricos En función del angulo polar los neutrinos viajan distancias diferentes hasta el detector. Recordad que los neutrinos “oscilaban” al recorrer distancias. Las oscilaciones serán distintas en función de la distancia recorrida. Podemos mirar si la razón 2 entre neutrinos electrón y muón se mantiene en función de la distancia. Semana de la ciencia, 16 Novembre 2011, UAB Federico Sánchez

  35. Neutrinos atmosféricos En Superkamiokande se midieron los neutrinos electrón y muón en función del ángulo, observándose: • neutrino muón desaparecen • neutrino electrón no. Conclusión: Oscilaciones de neutrinos del tipo muónico a tipo tau. Los neutrinos tau no son visibles en SK porque no tienen suficiente energía. ~ Distancia de vuelo Semana de la ciencia, 16 Novembre 2011, UAB Federico Sánchez

  36. La historia de los neutrinos en 30 transparencias. Pero, ¿ que hace T2K ? Semana de la ciencia, 16 Novembre 2011, UAB Federico Sánchez

  37. Oscilaciones con 3 ν’s Con 3ν, tenemos: 3 ángulos de mezcla una fase 1 imaginariaδresponsable de la violación de la simetría carga paridad (materia != antimateria) Se han medido dos ángulos: θ12 con los neutrinos solares. θ23 con los neutrinos atmosféricos. T2K está diseñado para medir el tercer ángulo: θ13 Semana de la ciencia, 16 Novembre 2011, UAB Federico Sánchez

  38. Oscilaciones con 3 ν’s Solares: νe -> νμ ,ντ desaparición νe • Atmosféricos:νμ -> ντ desaparición νμ • θ13: νμ <-> νe aparición νe enνμ desaparición νe Semana de la ciencia, 16 Novembre 2011, UAB Federico Sánchez

  39. Midiendo θ13 • T2K produce un haz muy intenso de neutrinos de tipo muon (νμ ) y espera ver la aparición de neutrinos de tipo electron. Semana de la ciencia, 16 Novembre 2011, UAB Federico Sánchez

  40. υμ ➝ υe & υμ ➝ υμ from high intensity accelerator. Eυ ~ 600 MeV. Oscillation distance: 295km. Off-axis technique ➝ narrow energy spectrum. T2K = Tokai to Kamioka Tokyo Semana de la ciencia, 16 Novembre 2011, UAB Federico Sánchez

  41. Los neutrinos viajen por dentro de la tierra Tokyo Semana de la ciencia, 16 Novembre 2011, UAB Federico Sánchez

  42. Concepto MR 280m detectors beam dump p π→νμ ν off-axis primary beamline target station decay pipe muon monitors on-axis Super-Kamiokande 295km 110m 120m 280m Acelerador Haz neutrinos Semana de la ciencia, 16 Novembre 2011, UAB Federico Sánchez

  43. Como se fabrican los neutrinos Los piones + se desintegran produciendo neutrinos y muones Un imán focaliza la dirección de los piones + Producen partículas secundarias de carga + y - (piones) En un acelerador se produce un intenso haz de protones Chocan con un blanco fijo π- μ+ π+ π- π+ νμ π+ ~1 billón de protones cada segundo π- π+ π- Los neutrinos recuerdan la dirección del pión. Desfocaliza el resto ~1 gramo de materia tiene un billón de protones mas. Semana de la ciencia, 16 Novembre 2011, UAB Federico Sánchez

  44. Concepto MR 280m detectors beam dump p π→νμ ν off-axis primary beamline target station decay pipe muon monitors on-axis Super-Kamiokande 295km 110m 120m 280m Acelerador Haz neutrinos Medida flujo neutrinos Semana de la ciencia, 16 Novembre 2011, UAB Federico Sánchez

  45. T2K: detector cercano El detector cercano es un detector complejo con varias funciones: Medida del espectro de neutrinos de tipo muón y electrón. Estudio de las interacciones de neutrinos con núcleos a estas energías. SMRD *NIM, A 637 (2011) pp. 25-46 Semana de la ciencia, 16 Novembre 2011, UAB Federico Sánchez 8

  46. Interacciones en el detector cercano Muón Neutrino Protón Muón producido fuera del detector Semana de la ciencia, 16 Novembre 2011, UAB Federico Sánchez

  47. Interacciones en el detector cercano Muón/Pión ? Muón/Pión ? Muón/Pión ? Neutrino Muón/Pión ? Semana de la ciencia, 16 Novembre 2011, UAB Federico Sánchez

  48. Interacciones en el detector cercano Neutrino Semana de la ciencia, 16 Novembre 2011, UAB Federico Sánchez

  49. Concepto MR 280m detectors beam dump p π→νμ ν off-axis primary beamline target station decay pipe muon monitors on-axis Super-Kamiokande 295km 110m 120m 280m Acelerador Haz neutrinos Medida flujo neutrinos Mezcla Medida flujo neutrinos Semana de la ciencia, 16 Novembre 2011, UAB Federico Sánchez

  50. Detector lejano de T2K: Super-KamiokandeSuper-Kamiokande Mismo detector que descubrió las oscilaciones de neutrinos atmosféricos. 50000 toneladas de agua. Técnica Cherenkov de detección Situado a 1000 metros de profundidad en la mina Kamioka (a 295 km de JPARC) Capaz de distinguir neutrinos electrónicos de los de tipo muón. ID OD Semana de la ciencia, 16 Novembre 2011, UAB Federico Sánchez 9

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