Neutriner Ett mysterium i b–sönderfallet : elektronens kontinueliga energispektrum Första mätningen av Chadwick (1914) Radium E: 210Bi83 (en radioaktiv.

En presentation över ämnet: "Neutriner Ett mysterium i b–sönderfallet : elektronens kontinueliga energispektrum Första mätningen av Chadwick (1914) Radium E: 210Bi83 (en radioaktiv."— Presentationens avskrift:

1 Neutriner Ett mysterium i b–sönderfallet : elektronens kontinueliga energispektrum Första mätningen av Chadwick (1914) Radium E: 210Bi83 (en radioaktiv isotop som produceras i sönderfallskedjan av 238U) I b–sönderfallet (A, Z)  (A, Z+1) + e–, blir utsända elektronen monoenergetisk: elektronens totala energi E = [M(A, Z) – M(A, Z+1)]c2 (då vi försummar den kinetiska energin på den rekylerande kärnan ½p2/M(A,Z+1) << E) Flera lösningar till detta mysterium föreslogs under 30-talet, inklusive brott mot energiens bevarande i b–sönderfall

2 December 1930: öppet brev från W
December 1930: öppet brev från W. Pauli sänt till ett fysikermöte i Tübingen Zürich, Dec. 4, 1930 Dear Radioactive Ladies and Gentlemen, ...because of the “wrong” statistics of the N and 6Li nuclei and the continuous b-spectrum, I have hit upon a desperate remedy to save the law of conservation of energy. Namely, the possibility that there could exist in the nuclei electrically neutral particles, that I wish to call neutrons, which have spin ½ and obey the exclusion principle The mass of the neutrons should be of the same order of magnitude as the electron mass and in any event not larger than 0.01 proton masses. The continuous b-spectrum would then become understandable by the assumption that in b-decay a neutron is emitted in addition to the electron such that the sum of the energies of the neutron and electron is constant. For the moment, however, I do not dare to publish anything on this idea So, dear Radioactives, examine and judge it. Unfortunately I cannot appear in Tübingen personally, since I am indispensable here in Zürich because of a ball on the night of 6/7 December. .... W. Pauli NOTER Paulis neutron är en lätt partikel  inte neutronen som upptäcks av Chadwick ett år senare Som alla vid denna tid trodde Pauli att om radioaktiva kärnor sände ut partiklar, så var det nödvändigt att dessa måste ha funnits i kärnan före utsändandet

3 Teorien för b-sönderfall
Enrico Fermi (E. Fermi, ) b- sönd. : n  p + e- + n b+ sönderfall: p  n + e+ + n (t.ex., 14O8  14N7 + e+ + n) n: partikeln föreslagen av Pauli (“neutrino” av Fermi) anti-n : dess antipartikel (antineutrino) Fermis teori: en punktväxelverkan mellan fyra spinn ½ partiklar, genom att använda den matematiska formalism av skapelse- och förintelseoperatorer som utvecklats av Jordan  partiklarna som sändes ut i b–sönderfallet behöver inte existera före utsändandet utan kan “skapas” i sönderfallsögonblicket Förutsägningar om –sönderfallets “rate” och elektronens energispektrum är en funktion av endast en parameter: Fermis kopplingskonstant GF (som bestäms från experiment) Energispektrats beroende på neutrinomassan m (från Fermis originalartikel, publicerad i German on Zeitschrift für Physik, efter att ha blivit refuserad i en engelsk version av Nature) Mätbara avvikelser för m > 0 nära ändpunkten (E0 : maximalt tillåten (kinetisk)energi för elektronen)

4  Mycket intensiva källor behövs för detektion av (anti)neutriner
Neutrino detektion Från Fermis teori: n + p  e+ + n n – p växelverkan i tjockleken dx av material rika på väte (t.ex. H2O) Target: yta S, tjocklek dx innehåller n protoner cm–3 Inkom. n: Flux F [ n cm–2 s–1 ] (likformig över ytan S) dx n p “event rate” = F S n s dx interaktioner per sekund s : n – proton tvärsnittet (effektiva protonens area, sedd av de infallande n ) n p interaktionssannolikheten = n s dx = dx / l Fri medelväglängd mellan interaktionerna : l = 1 / n s Interaktionssannolikheten för ändlig targettjocklek T = 1 – exp(–T / l) s( n p)  10–4 7 m2 för 3 MeV n  l  150 ljusår av vatten! Interaktionsannolikheten  T / l mycket liten (~10–18/meter H2O)  Mycket intensiva källor behövs för detektion av (anti)neutriner

5 stort neutronöverskott
Kärnreaktorer: mycket intensiva antineutrino-källor Genomsnittlig fission: n + 235U92  (A1, Z) + (A2, 92 – Z) + 2,5 neutroner+200 MeV nukleider med stort neutronöverskott

6 Kärnreaktorer (fortsättning) :
mycket intensiva antineutrino-källor Kärnreaktorer (fortsättning) : En kedja av b sönderfall med mycket kort livstider: (A, Z) (A, Z + 1) (A, Z + 2) e– n (tills en stabil eller långlivad kärna är uppnådd) I medeltal, 6 n per fission Pt: reaktorns effekt [W] Omvandlingsfaktor MeV  J En typisk reaktor: Pt = 3 x 109 W  5,6 x 1020 n / s (isotropiskt) Kontinueligt n energispektrum – medelenergi ~3 MeV

7 Första neutrinodetektionen
(Reines (NP 1995), Cowan 1953) Eg = 0,511 MeV n + p  e+ + n detekterar 0,511 MeV g-rays from e+e–  g g (Vid t = 0) neutron-“nedbromsning” följd av infångning i Cd kärna  emission av fördröjd g-strålning ( ~30 ms) H2O + CdCl2 I, II, III: Vätskescintillatorer 2 m “Event rate” vid Savannah River nuclear power plant: 3,0  0,2 “event”/timme (efter subtraktion av “eventraten” mätt med reaktorn OFF ) i överensstämmelse med beräkningar

8 Första neutrinodetektionen
n + p  e+ + n Eg = 0,511 MeV

9 KOSMISK STRÅLNING Upptäcktes av V.F. Hess på 1910-talet genom observationer av ökande radioaktivitet med altituden under ballongflygningar Fram till sent 1940-tal, den enda existerande källan för högenergi-partiklar Sammansättningen av kosmisk strålning – två huvudkomponenter Elektromagnetiska “skurar”, som består av många e och g-or, huvudsakligen från: g + kärna  e+e– + kärna (parproduktion); e + kärna  e + g + kärna (“bremsstrahlung”) Typisk fria medelväglängd för dessa processer (“radiation length”, x0 ) beror på Z. För Pb (Z = 82) x0 = 0,56 cm Tjockleken av atmosfären  27 x0 Dimkammarbild av en elektromagnetisk skur. Pb plattor, 1, 27 cm tjocka Myoner ( m ) kan tränga igenom 1 m av Pb utan att växelverka; spår observerades i dimkammare på 1930-talet. Massbestämningen gjordes genom en samtidig mätning av rörelsemängden p = mv(1 – v2/c2)-½ (spårets krökning i ett magnetiskt fält) och hastigheten v: mm = 105,66 MeV/c2  me

10 Myoner ( m ) kan tränga igenom 1 m av Pb utan att växelverka (fortsättning)

11 m Myonens sönderfall m±  e± + n + n
Cosmic ray muon stopping in a cloud chamber and decaying to an electron m decay electron track m±  e± + n + n Sönderfallande elektronens rörelsemängdfördelning Myonen spin = ½ Myonens livstid i vila: tm = 2,197 x s  2,197 ms Myonens fria medelväglängd i flykt: p : myonens rörelsemängd tm c  0,66 km  myoner kan når jordens yta från mer  10 km på grund av tidsdilation (eller längdkontraktion beroende på observationssystem)

12 Partikelväxelverkningar
(som de var kända på 1960-talet) Ordnade i växande styrka: Gravitationell växelverkan Totalt försumbar i partikelfysik (men i princip) oändlig räckvidd Exemple: statisk kraft mellan elektron och proton på avstånd R Gravitation: Elektrostatisk: Kvot fG / fE  4,4 x 10 – 4 0 Svag växelverkan Ansvarig för b sönderfall och för de långsamma fusionsreaktionerna i stjärnornas inre Exempel: i solens inre (T = 15,6 x 106 K) 4p  4He + 2e+ + 2n Solens neutrino “emission rate” ~ 1,84 x neutriner/s Flux av solneutriner på jorden ~ 6,4 x 1010 neutriner cm-2 s –1 Mycket kort växelverkansradie Rint (max. avstånd på vilket två partiklar växelverkar) (Rint = 0 i den ursprungliga formuleringen av Fermis teori) Elektromagnetisk växelverkan Ansvarig för kemiska reaktioner, ljusemission från atomer, etc. Oändlig växelverkansradie (räckvidd) (exempel: växelverkan mellan elektronerna in sändande och mottagande antenner)

13 Stark växelverkan (INTE ELEKTRONEN)
Ansvarig för att hålla ihop protoner och neutroner i atomens kärna Oberoende av elektrisk laddning Interaktionsradie Rint  10 –15 m I relativistisk kvantmekanik så existerar inte statiska kraftfält; växelverkningen mellan två partiklar “förmedlas” av indermediära partiklar som agerar som “kraftförmedlare” Exempel: elektron – proton spridning (en effekt av den elektromagnetiska interaktionen) beskrives som en två-stegs process : 1) inkommande elektron  spridd elektron + foton 2) foton + inkommmande proton  spridd proton Fotonen (g) är förmedlaren i den elektromagnetiska interaktionen Infall. elektron ( Ee , p ) spridd elektron ( Ee , p’ ) Infall. proton ( Ep , – p ) spridd proton ( Ep , – p’ ) g I elektron–protonens tyngdpunktssystem (CMS) q Energi–rörelsemängds bevarande: Eg = 0 pg = p – p ’ ( | p | = | p ’| ) “Massan” av den intermediära fotonen: Q2  Eg2 – pg2 c2 = – 2 p2 c2 ( 1 – cos q ) Fotonen är i ett VIRTUELLT tillstånd då det för reella fotoner gäller Eg2 – pg2 c2 = 0 (massan av reella fotoner är NOLL) – virtuella fotoner kan bara verka över mycket korta distanser på grund av “Obestämdhetsrelationerna”

14 Obestämdhetsrelationerna (1927)
KLASSISK MEKANIK Läge och rörelsemängd hos en partikel kan mätas oberoende (och samtidigt) av varandra och med godtycklig noggrannhet Werner Heisenberg KVANTMEKANIK Mätningen påverkar partikelns tillstånd  läges- och rörelsemängdsmätningarna är korrelerade: (samma för y och z komponenterna) Numeriskt exempel:

15 1937: Teorin för kärnkrafter
(H. Yukawa) Existensen av en ny lätt partikel (“meson”) som förmedlare av krafterna i kärnan Relationen mellan växelverkansradie och mesonens massa m: mc2  200 MeV for Rint  m Hideki Yukawa Yukawas meson blev inledningsvis identifierad med myonen – men i så fall skulle m– stoppas och omedelbart absorberas av kärnan  kärna skulle brytas upp (inte sant för att stoppa m+ på grund av Coulombrepulsionen - m+ kommer aldrig tillräckligt nära kärnan, medan m– bildar “myoniska” atomer) Experiment av Conversi, Pancini, Piccioni (Rome, 1945): hur m– stoppas i materia genom att använda m– från den kosmiska strålningen In lätta material (Z  10) sönderfaller m– huvudsakligen till elektron (såsom m+) In tyngre material, försvinner m– dels genom att sönderfalla till en elektron och dels genom kärninfångning (processen förklarad som m– + p  n + n) och “raten” av kärninfångning är konsistent med den svaga växelverkan myonen är inte Yukawas meson

16 1947: Upptäckten av π - mesonen
(den “riktiga” Yukawapartikeln) Observation av p+  m+  e+ sönderfallskedja i kärnor i en emulsion exponerad för kosmisk strålning på hög höjd Fyra events som visar sönderfalllet av en p+ som kommer till vilo i kärnemulsion Kärnemulsion: en detektor känslig för jonisering med ~1 mm space upplösning (AgBr mikrokristaller upplösta i gelatin) I alla event har myonen en bestämd kinetisk energi (4,1 MeV, som svarar mot räckvidd ~ 600 mm i nuclear emulsion) mp = 139,57 MeV/c2 ; spin = 0 Dominerande sönderfallsmod: p+  m+ + n (och p –  m– + n ) Medellivslängd i vila: tp = 2,6 x 10-8 s = 26 ns p – i vila genomgår nuclear capture, som förväntas för Yukawa partikeln En neutral p – meson (p°) existerar också: m (p°) = 134, 98 MeV /c2 Sönderfall: p°  g + g , livstid = 8,4 x s p – mesoner är de mest producerade partiklarna in proton–proton och proton–kärn kollisioner vid höga energier

17 Varför är en fri proton stabil? (Till skillnad mot en fri neutron)
BEVARADE KVANTTAL Varför är en fri proton stabil? (Till skillnad mot en fri neutron) Möjliga protonsönderfallsmoder (tillåtna av alla kända konservationslagar: Energi, rörelsemängd, elektrisk laddning, rörelsemängdsmoment): p  p° + e+ p  p° + m+ p  p+ + n Inget protonsönderfall är någonsin observerat – protonen är STABIL Övre gräns på protonens medellivstid: tp > år (obs GUT!) Hitta på ett nytt kvanttal : “Baryontalet” B B = 1 for proton, neutron B = -1 for antiproton, antineutron B = 0 for e± , m± , neutriner, mesoner, fotoner Kräv att baryontalet bevaras i alla partikelprocesser: ( i : initialt partikeltillstånd ; f : finalt partikeltillstånd)

18 Hyperoner (spin = ½): m(L) = 1115,7 MeV/c2 ; m(S±) = 1189,4 MeV/c2
Strangeness I slutet av 40-talet: upptäcktes ett flertal tyngre mesoner (K–mesoner) och baryoner (“hyperons”) –som studerades i detalj på 50-talet vid de nya protonsynkrotronerna (3 GeV “cosmotron” vid Brookhaven National Lab och 6 GeV Bevatronen vid Berkeley) Massvärden Mesoner (spin = 0): m(K±) = 493,68 MeV/c2 ; m(K°) = 497,67 MeV/c2 Hyperoner (spin = ½): m(L) = 1115,7 MeV/c2 ; m(S±) = 1189,4 MeV/c2 m(X°) = 1314,8 MeV/c2 ; m(X – ) = 1321,3 MeV/c2 Egenskaper Riklig produktion i proton–kärn, p–kärn kollisioner Produktionstvärsnitt typiskt för stark växelverkan (s > cm2) (1 mb) Produktion i par (exempel: p– + p  K° + L ; K– + p  X – + K+ ) Sönderfaller till lättare partiklar med en livstid av 10–8 – 10–10 s (typiska tider för svagt sönderfall) Exempel på sönderfallsmoder K±  p± p° ; K±  p± p+p– ; K±  p± p° p° ; K°  p+p– ; K°  p° p° ; L  p p– ; L  n p° ; S+  p p° ; S+  n p+ ; S+  n p– ; X –  L p– ; X°  L p°

19 Hitta på ett nytt, additativt kvanttal “Strangeness” (S) som
(Gell-Mann, Nakano, Nishijima, 1953) bevaras i starka växelverkningsprocesser: inte bevaras i svaga sönderfall: S = +1: K+, K° ; S = –1: L, S±, S° ; S = –2 : X°, X– ; S = 0 : alla andra partiklar (och motsatt strangeness –S för motsvarande antipartiklar) Exempel på en K – som stoppats i flytande väte: K – + p  L + p° (strangeness bevarat) följt av sonderfallet L  p + p – (strangeness ej bevarat) p p– K– p°  e+ e– g (ett sällsynt sönderfall) L produceras i A sönderfaller i B

20 Antiprotonens upptäckt (1955)
Tröskelenergi for antiproton (p ) produktion i proton–proton kollisioner Baryontalet bevaras  samtidig produktion av p and p (or p and n) Exempel: Tröskelenergi ~ 6 GeV “Bevatron”: 6 GeV (protonsynkrotron i Berkeley) kör en stråle med 1,19 GeV/c rörelsemängd välj negativt laddade partiklar (mest p – ) förkasta snabba p – med Čerenkoveffekt: ljusemission i transparent medium om partikelhastighet v > c / n (n: brytningsindex) – antiprotoner har v < c / n  inget Čerenkovljus “time of flight” mellan räknarna S1 och S2 (12 m): 40 ns för p – , 51 ns för antiprotoner För en fix rörelsemängd, ger “time of flight” partikeln hastighet och därmed partikelns massa

21 Antiproton-proton-annihilation i vila i en bubbelkammare med flytande väte