10 snelle-neutrinos
Upcoming SlideShare
Loading in...5
×
 

10 snelle-neutrinos

on

  • 1,312 views

 

Statistics

Views

Total Views
1,312
Views on SlideShare
572
Embed Views
740

Actions

Likes
0
Downloads
13
Comments
0

3 Embeds 740

http://www.cdejager.com 737
http://www.astroblogs.nl 2
http://translate.googleusercontent.com 1

Accessibility

Categories

Upload Details

Uploaded via as Microsoft PowerPoint

Usage Rights

© All Rights Reserved

Report content

Flagged as inappropriate Flag as inappropriate
Flag as inappropriate

Select your reason for flagging this presentation as inappropriate.

Cancel
  • Full Name Full Name Comment goes here.
    Are you sure you want to
    Your message goes here
    Processing…
Post Comment
Edit your comment

    10 snelle-neutrinos 10 snelle-neutrinos Presentation Transcript

    • NEUTRINO’SSneller dan het licht ? Of toch niet? C. de Jager
    • Om bang van te worden?• Per seconde vliegen ca. 65 miljard neutrino’s door een vierkante cm – ze zijn afkomstig van de zon, de oerknal en van andere sterren• De vrije weglengte is ongeveer 3 lichtjaren lood• Dit is een laag lood van ca. 25 biljoen km dik• Het begrip ‘vrije weglengte’ betekent dat de kans om die laag lood ongehinderd te kunnen doorlopen, ca. 50% is.
    • Kleine kernreactoren• Een gemiddeld mens heeft een oppervlak van ca. 3500 vierkante cm• Door ons lichaam vliegen dus ca. 200 biljoen neutrino’s per seconde afkomstig van de zon• Per tien dagen wordt er eentje gevangen en dat leidt tot een kernreactie – we zijn dan even een kernreactor!• Wat is een neutrino en hoe is het ontdekt?
    • Eerst iets over elementaire deeltjes• Elementaire deeltjes: de allerkleinste bouwstenen van de natuur• Een neutrino is zo’n elementair deeltje• We kennen meer dan een dozijn elementaire deeltjes• We geven van enkele daarvan de massa, de elektrische lading en de spin (tolsnelheid)
    • Belangrijkste elementaire deeltjes• Proton: kern van waterstofatoom. Massa 1 (= 1,66 10-24 gram); elektrische lading 1; spin ½ (drie afgesproken eenheidsmaten)• Neutron: Massa 1,0014; lading 0; spin ½• Elektron: Massa 0,0005; lading -1; spin ½• Als een proton met een elektron versmelt dan ontstaat een deeltje met iets grotere massa, lading nul en spin ½, het neutron• (Maar … klopt dit wel ?? )
    • Behoudswetten bij natuurkundige processen• Behoud van energie• Behoud van impuls (hoeveelheid beweging = massa maal snelheid)• Behoud van totaal draaimoment (spin)• Deze wetten gelden overal in de natuur• Bij botsingen, gevolgd door vernietiging of versmelting van deeltjes moeten deze wetten alle strikt gehoorzaamd worden.
    • Terug naar proton plus elektron• Als een proton met een elektron versmelt dan zou een deeltje ontstaan met massa 1+ 0,0005 = 1,0005• En lading (-1) + (+1) = 0• En spin ½ + ½ = 1 of ½ ̶ ½ = 0• Maar het neutron heeft 1,0014, 0 en ½• Hier klopt iets niet; vooral die spin !
    • Hoe kwamen we daar achter? Het beslissende experiment• Sommige radioactieve elementen zenden bij hun verval elektronen uit doordat in een atoomkern een neutron overgaat in een proton• Het uitgezonden elektron moet het energieverschil meenemen, maar dat blijkt niet exact zo te zijn; dit geldt ook voor de spin• Waar is die energie gebleven? En die spin?• 1931: Wolfgang Pauli’s “desperate remedie”: een nieuw en onzichtbaar deeltje zonder lading en met spin ½ neemt die energie mee. Hij noemde dit neutron
    • 1934: heel klein deeltje• 1933 werd het echte neutron ontdekt (Chadwick). Bijna dezelfde massa als proton.• 1934: Fermi postuleerde dat in het bètaverval sprake moest zijn van een deeltje met veel geringer massa, geen lading en spin ½• Hij noemde dat het kleine neutron - neutrino• Het neutrino zou veel minder massa hebben dan het elektron of zelfs helemaal geen massa? Dit laatste was een halve eeuw een groot probleem
    • Enorm doordringend vermogen van het neutrino• Geen elektrische lading: dus geen wisselwerking met andere geladen deeltjes zoals de kernen van atomen of hun elektronen• Geen (?) massa: idem• Een neutrino heeft een ‘vrije weglengte’ equivalent aan enkele lichtjaren lood!• Vraag: is het toch wel waarneembaar?? JA!• Wel te detecteren, maar met heel veel moeite
    • En de massa – hoe zit dat?
    • Het anti-elektron• Een proton dat met een elektron versmelt gaat over in een neutron en een neutrino p + e- = n + v• Maar een proton dat spontaan zou overgaan in een neutron produceert dan een neutrino en een positief geladen elektron, een ‘anti-elektron’• Het anti-elektron heet positron
    • Het anti-neutrino• Een proton kan overgaan in neutron plus positief elektron (= positron) plus neutrino:• p → n + e+ + ν , dus ook: n +ν → p + e–• Ook: neutron vervalt in proton plus (negatief) elektron plus antineutrino:• n → p + e– + ν’ , ook: p + ν’ → n + e+ , enz.• Er zijn dus twee soorten neutrino’s ! Beide hebben geen elektrische lading en zeer geringe massa. Men noemt deze twee soorten elektronneutrino’s. Hoe die te ontdekken?
    • OntdekkingExperimenteel werd het neutrino ontdekt in 1956
    • 1956: Reines en Cowan ontdekken neutrino bij kernreactor
    • Savanna River kernreactor• Metingen in kelder, 11 m van reactor en 12 m ondergronds; daar verwacht men 1013 antineutrinos per cm2 en seconde• Vat met geschikte vloeistof, vnl. water (elk watermolecuul bevat 10 protonen en 10 elektronen)• Antineutrino + proton → neutron + positron• Dit positron annihileert (‘versmelt’) heel snel met een elektron. Geeft gammastraling flits die gemeten werd met fotomultipliers• Deze flitsen zijn de aanwijzing voor het bestaan van het neutrino
    • Zijstapje: het mu-meson(muon)• Het muon is een van de vele elementaire deeltjes• Massa is 207 maal die van het elektron• Spin ½• Lading is als van het elektron, dus – 1• We noemen dit wel: het zware elektron• De leeftijd: 2,19 miljoenste seconde; daarna is het vervallen
    • 1962: het mu-neutrino ontdekt• Muonen ontstaan uit kosmische straling door kernreacties in de hoge atmosfeer (15 – 30 km)• [Vraagje: hoe kunnen ze de grond bereiken gezien de korte levensduur? Antw.: ja, want in een zeer snel voortvliegend object treedt tijdvertraging op]• Dit zware elektron ontstaat bij soortgelijke reacties als het gewone en verschijnt tegelijk met een• mu-neutrino: analoog aan elektron-neutrino• Ook bestaat anti-muneutrino
    • Het derde neutrinopaar• Tauneutrino en anti-tauneutrino• Analoog aan elektron- en mu-neutrino, maar deze behoren bij het tau-lepton• Tau-lepton: ontdekt 1977; lading en spin als elektron; massa 3500 × die van elektron, dus bijna 2 maal die van proton of neutron. Instabiel; leeftijd 3×10-13 seconde• In 2000 werd eerste tau-neutrino waargenomen
    • De zonKrachtige bron van neutrino’s
    • Neutrino’s ontstaan bij kernfusie 4 protonen verenigen zich stapsgewijs tot: eenheliumkern + twee positronen + twee elektronneutrino’sen veel straling. De positronen annihileren – geeft ook watstraling
    • Enorme neutrinostroom van zon• Per seconde en per cm2 komen op aarde 6,5×1010 (elektron)-neutrino’s• Ontdekt met experiment van Davies en Bahcall (1967 en daarna); hoe ging dat in zijn werk:• Versmelt in botsing met chloor atoom• Daaruit ontstaat radioactief 37Ar• Het vervalt in 35 dagen; daarbij wordt flitsje van röntgenstraling uitgezonden. Dit is te meten
    • Bahcall en Davies in 1995
    • Metingen in een diepe mijn• Kosmische straling bestaat uit elektrisch geladen deeltjes afkomstig uit het heelal, die met grote snelheid de aarde bombarderen• Ze produceert veel storende straling en deeltjes; die willen we kwijt want deze deeltjes storen de metingen• Ze dringen niet diep in aarde door• Om neutrino’s te meten gaan we dus naar de (verlaten) Homestake goudmijn, South Dakota• Dit was de eerste ondergrondse telescoop!
    • Experiment in de Homestake mijn.378.000 liter perchloorethyleen (C2Cl4)• Ze maten 15 radioactieve argon atomen per maand• het gaat dus om het meten van 15 minuscule lichtflitsjes per maand• (Davies boven op tank)
    • Probleem opgelost?Nee, toen begon het pas goed !
    • Onverwacht resultaat• De gemeten neutrino flux was slechts 36% van wat we van de zon verwachten• Inwendige structuur van de zon is echter heel goed bekend en zonnestraling is gecorreleerd met te verwachten stroom neutrino’s• Ontbrekende neutrino’s: gedurende 40 jaar was dit een hoofdbrekend probleem!• WAAR ZIJN DIE NEUTRINO’S GEBLEVEN?• Opnieuw drieste onderstelling: die zijn onderweg in iets anders overgegaan
    • Neutrino oscillaties• De vergelijking van Schrödinger bepaalt het karakter van de golf die bij een deeltje hoort• Bij neutrino’s blijkt die golf twee deeltjes te beschrijven, met verschillende massa’s• Tijdelijk overheerst het ene deeltje, dan weer het andere• Als (bijvoorbeeld) een mu-neutrino lang genoeg reist kan hij het karakter van een tau-neutrino krijgen en dan weer mu-neutrino, enz• We noemen dit neutrino-oscillaties• In stappen ontdekt
    • Russen en Italianen vermoedden al iets• Neutrino detectoren SAGE (Kaukasus, Rusland) en Gallex/GNO (Italië) maten neutrino’s afkomstig van nabije kernreactoren (jaren ’80)• Resultaat: minder elektron-neutrinos gemeten dan er zouden moeten zijn. Als bij de zon! Wel zagen ze onverwachte mu- neutrino’s. Waarvandaan?
    • Bevestigd door metingen in SuperKamiokande(mijn in Japanse Alpen; 700 meter diep)
    • SuperKamiokande bevat 50 miljoenliter zuiver water. Wand met 11146fotomultiplicatoren
    • Details wand met fotocellen
    • Andere detailopname van wand
    • Hoe meten we? neutrinovangstproduceert elektron of muon• (Immers: n + ν → p + e– ; idem p + ν …)• Geladen deeltje van grote energie (elektron) loopt bijna met lichtsnelheid door het water• Daar is de lichtsnelheid echter slechts ca. 0,75 van die in vacuüm (ca. 220.000 km/s)• Het geladen deeltje loopt dus sneller dan het licht ter plaatse loopt• Produceert zo Čerenkov straling; hoe gaat dat?
    • Hoe ontstaat Čerenkov stralinggolffronten van een bewegende lichtbrona: lichtsnelheid, b: sneller dan licht
    • Hoe ontstaat Čerenkov stralinger zijn dus twee golffronten
    • Hoe ontstaat Čerenkov stralingde Čerenkov cirkel • Fotocellen registeren een kring van licht • Vorm van de kring bepaalt de looprichting • Verschil in snelheid bepaalt het patroon van straling van elektronen en aard van muonen
    • De metingen bevestigen: De zon straalt de verwachtehoeveelheid neutrino’s uit, maar onderweg verandert de soort
    • Zon in neutrinostraling gezien• Ook richting van herkomst is zo te bepalen• Afbeelding: zon in neutrinostraling (Kamiokande)• Belichtingstijd 1500 dagen
    • Een ander bewijs van neutrino-oscillaties• SuperKamiokande onderzocht 4700 kosmische straling- neutrino’s die uit de atmosfeer kwamen – dus van boven• Het waren mu-neutrino’s (afgelegde weg: ca. 20 km)• Van onderen, dus door de aarde komend, zien we echter twee maal minder mu-neutrino’s.• Gemengd met andere (elektron?)-neutrino’s• Dit is gevolg van de langere weg afgelegd (ca. 12000 km); bij neutrino-oscillaties gaat de ene soort over in de andere
    • Massa van het neutrino• Neutrino oscillaties zijn alleen mogelijk wanneer de twee soorten neutrino’s verschillende massa’s hebben• Dus: het neutrino heeft massa! Zo werden twee oude problemen tegelijk opgelost: dat van de zon en het massaprobleem• Direct resultaat: het verschil tussen de massa van elektron- en mu-neutrino• Neutrinomassa is ongeveer een tien-miljoenste deel van die van het elektron
    • Recente massawaardenMassa wordt in energiemaat (elektronVolt) gegeven - E = mc2• Elektron: 511.000 eV = 9,1×10-28 gram• ………………………………………………………• Tau-neutrino: 0,05 eV, dus ca. 10-34 g• Mu-neutrino: 0,005 eV, dus 10-35 g• Elektron neutrino: 0,000 01 eV (?)• Deze getallen zijn nog wat onzeker!
    • En nu: neutrino’s die snellerlopen dan de lichtsnelheid in vacuüm Maar dat is toch onmogelijk? (volgens Einstein)
    • Maar waarom dan wel onmogelijk?• Experimenteel vastgesteld: licht beweegt in vacuüm altijd met zelfde snelheid (c)• Dat is onafhankelijk van de snelheid van de bron! Lichtsnelheid in vacuüm is invariant• Lichtsnelheid c = 299792458 meter/sec• Hieruit leidt men een formule af voor de energie E van een deeltje met rustmassa m0 en snelheid v
    • Snelheid, energie en massa• Deeltjes hebben energie nodig om snelheid van bewegen te krijgen• Hoe dichter bij de lichtsnelheid, des te groter de benodigde energie, want de deeltjes worden zwaarder bij toenemende snelheid• Om met lichtsnelheid te kunnen lopen is zelfs oneindig veel energie nodig• Daarom kan niets sneller dan het licht gaan
    • Niets gaat sneller dan het lichtin vacuüm• Des te sneller het deeltje, des te groter de massa wordt• Als het deeltje sneller dan het licht zou gaan dan wordt massa onbestaanbaar (imaginair)• Kan dat?• Deeltje met imaginaire massa wordt tachyon genoemd• Maar bestaan die wel???
    • Van CERN naar Gran Sasso• In CERN (Geneve, Zwitserland) werden neutrino’s weggeschoten in de richting van de Italiaanse Apenijnen• Van elke miljard uitgezonden neutrino’s werd er een opgevangen in een mijn in Gran Sasso (Italiaanse Apennijnen)• Dit gebeurde in het daar reeds bestaande neutrino observatorium, dat OPERA heet
    • De metingenAfstand CERN –Gran Sasso 730 km
    • Wat er werd gemeten• Eerste reeks metingen in september 2011• Verbeterd in november 2011• Diagram toont verschil t.o.v. de tijd die met exacte lichtsnelheid zou zijn bereikt• Ze kwamen te vroeg aan!• Gemiddeld 62,1 nanoseconde - dit is 18,6 meter• Onzekerheid is ± 1,1 meter
    • Gemeten langs een ingewikkeld traject• Bundel protonen botst op grafiet• Geproduceerde deeltjes worden magnetisch geleid en botsen opnieuw; maken neutrinos• Deze vliegen richting Gran Sasso• Daar gedetecteerd; signaal wordt door kabels en door een 1,5 km lange glasvezel naar detector gevoerd.• Klokken gesynchroniseerd via GPS; afstand ook accuraat gemeten; nauwkeurigheid ca. 20 cm
    • De metingen – ingewikkeld genoeg!
    • Twijfel: er is geen Čerenkov straling waargenomen hoewel dat wel zou moeten (sneller dan het licht) Is er misschien toch iets fout gegaan?
    • Veel vruchteloze verklaringen• Is een neutrino een tachyon? Nee toch?• De kabels zijn ergens toch 18 meter korter dan men gedacht heeft. Maar ze zijn toch goed nagemeten? (Dit is niet het moeilijkste deel van het verhaal)• De relativiteitstheorie is fout – maar die is toch al duizenden malen getest?• En andere onduidelijke verklaringen …
    • Efficiënte controle: maak de afstand groter,bijvoorbeeld 160 000 lichtjaren Dat maakt de metingen zoveel eenvoudiger en vooral duidelijker!
    • Supernova in Grote MagellaanseWolk: SN1987A
    • SN1987A. Rechts: vóór de explosie
    • Supernova: geboorte van eenneutronenster• Als een zware ster ineenstort zullen in de kern elektronen fuseren (versmelten) met de protonen; het worden neutronen• Daarbij worden enorm veel neutrino’s gevormd• [Deze nemen niet minder dan 99% van de explosie energie mee het heelal in• Wat we zien van de explosie is dus maar één procent van de explosie energie!]
    • 10 neutrino’s uit supernova 1987A. Arriveerden drie uurvóór de zichtbare explosie! Maar dat is te verklaren
    • Die neutrino’s waren wel op tijd• Indien ze met dezelfde snelheid waren gevlogen als die van het CERN-Gran Sasso experiment dan zouden ze drie jaar eerder moeten zijn aangekomen• Ze hadden wel duizend maal geringere energie dan die van CERN-Gran Sasso• Maar dat verschil kan niet de verklaring zijn geweest
    • De verklaring (voorjaar 2012) Er blijkt toch een technische fout te zijn gemaakt bij het meten van de tijdstippen met het klokkensysteem
    • De vermoedelijk voornaamste fout• Het GPS signaal van de satelliet wordt bovengronds opgevangen, zowel in Geneve als in Gran Sasso• Het wordt in Gran Sasso door een ruim 8 km lange kabel naar het ondergrondse station gevoerd• Een slecht contact in die kabel vertraagt het overbrengen iets – het gaat hier dan ook om zeer kleine afwijkingen.
    • Twee mogelijke fouten• Eerste fout: een vertraging in de GPS verbinding tussen de klokken in CERN en in Gran Sasso (OPERA) – een slecht contact stoort de tijdmeting• Interne oscillaties in het kloksysteem in Gran Sasso zouden de gemeten tijd langer maken• De effecten van deze twee mogelijke fouten moeten nog nader bestudeerd en tegen elkaar afgewogen worden
    • Schematisch: de meetfouten
    • Wat moeten we hiervan denken?• Stellig een te snelle publicatie; foei!• Een vraag blijft: als neutrino’s massa hebben dan kunnen ze niet met lichtsnelheid lopen – heeft het daarom zin de metingen te herhalen?• Neen, niet daarom, want door de uiterst geringe massa bedraagt het verschil met de lichtsnelheid minder dan een miljardste deel van een procent; vrijwel onmeetbaar klein
    • NEUTRINO’SRaadselachtige objecten Deeltje en golf Neutrino oscillaties