Post on 31-Mar-2019
Radioactief verval (II)
Ee
aantal geb
eurten
issen
Energie niet behouden?
gemeten energie spectrum
2Mc
Geachte radioactieve dames en heren,
Ik heb misschien een oplossing gevonden om de wet van energie behoud te redden.
Het gemeten spectrum kan verklaard worden als zo’n onzichtbaar deeltje ontsnapt tegelijkertijd met het elektron zodat de totale energie klopt.
… het bestaan van onzichtbare deeltjes –welke ik aldus neutronen noem– in de atoom kern.
Maar tot nu toe heb ik dit niet durven publiceren en vraag ik u – radioactieve mensen – of het mogelijk is om het bestaan van dit deeltje experimenteel aan te tonen.
Ik geef toe dat dit idee onwaarschijnlijk is omdat de neutronen – als ze bestaan – al veel eerder gezien zouden moeten zijn…
Dus, geliefde radioactieve mensen, denk hierover na en oordeel.
W. Pauli, 4 december 1930
?n p ePauli (1930):
Theorie van de zwakke kracht
n
p e
?
n p
d d u u
d u
e
eW–
Feynman diagram
Fermi:
en p e
neutrino
ee
1950 – Reines & Cowan “Poltergeist”, Savannah River
kernreactor neutrinodetectie
Het bewijs van het bestaan van neutrino’s
n
e
V
-‐250 V
geladen deeltje
e-
Ionisatie kamer (~1910)
elektrische geleidbaarheid
van lucht
radioactiviteit van de Aarde?
druk [cm Hg]
V
Aarde
0
70
60
50
40
30
20
10
V. Hess (1912)
radioactiviteit komt vanuit de ruimte!
kosmische straling
“The results of my observation are best explained by the assumption that a radiation of very great penetrating power enters our atmosphere from above.”
hoogte [km]
20
10
2
4
6
8
18
16
14
12 vrije w
eglengte
1
2
3
5
10
N
pion proton
neutrino
muon
proton
Aarde gezien door kosmische straling
Aarde
Detectie van kosmische straling
fluorescentie (ultraviolet ‘zichtbaar’)
multipixel camera’s (stereoscopisch zicht)
muon detectoren (aankomst tijden richting)
grond oppervalk
Energie spectrum
E [eV/deeltje]
flux [(m
2 sr s GeV
)-‐1]
1010
1027
1 per km2 per jaar
1 per m2 per seconde
plateau
2.7E
1.5 eV =
1010 1020 1 kg
1 m
236 10 ?NA
pR
ZeB
impuls van het deeltje
lading van het deeltje Magnetisch veld
straal v/e cirkel
10.2 1
. .R p Ga u GeV B
Afstand aarde – zon (~150 x 106 km)
Magnetisch veld zon (~10 G)
1p GeV
Fermi schokgolf versneller
radio beelden April 1993–Juni 1998
snelheid:
SN1993J – M81
20000 /V km stijd
E Eversnelling
Poverlevings kans
k stappen 0 (1 )kE E
0 ( )kN N
Simpel model
geladen deeltje
V
interstellaire materie
Fermi schokgolf versneller (II)
0
0
ln( ) ln( )ln( ) ln(1 )N NE E
ln( )ln(1 )
0 0
N EN E
ln( )ln(1 ) 1 2dN E E
dE
Thermodynamica
Relativiteitsleer
gemeten spectrum
Fermi schokgolf versneller (III)
Welke geladen deeltjes?
elektronen protonen
N
p
p
neutrino’s
muonen
astronomie kosmische straling
Synchrotron straling
inverse Compton
verstrooiing
e
e
1’ 1’ 1’ 1’
radio 10-‐8 eV optisch 10 eV Röntgen 104 eV licht deeltjes 1012 eV
breedbandig spectrum
Krab nevel
traditionele astronomie
neutrino astronomie
kosmische stralen (bestaan uit combinaties van
u en d quarks)
Astro-‐deeltjes fysica
lepton
s qu
arks
generaties krachtdragers
'e
'e
e
e
e
detectie principe
2'
'
2
'
22sin (1 )2e e e
e e
e
e
m c EE E
m cE
30eo
Energie en impuls behoud:
atomair elektron
neutrino telescoop
gedetecteerd
zon Zon
e
atomair elektron
Aarde
0.5 0.1gemeten
verwacht
N
N
Neutrino’s wijzen naar de zon
aantal [(dag kton
bin)-‐1]
cos zon
'e
2
1
Reizen van neutrino’s door de ruimte
cos
sin
relatieve amplitudes veranderen met tijd of afstand
e
amplitu
de
2
2 2 42 12 2
( ) ( ) ( )
( )1 sin 2 sin
4
e e e eP x x
m m cx
Ehc
Neutrino oscillaties (II)
amplitude 2
22 1
hc
m m cHeisenberg:
2 1 2 2 2 42 2 1 2 1
'
4
( )2
Em
E hc E hcm m m m c m m cc
Lorentz boost:
golflengte:
KamLAND
55 kernreactoren met totaal vermogen 70 GW (~7% v/d wereldproductie) Neutrino’s worden geproduceerd op 130–220 km afstand van de detector
L/E [km/MeV]
P(e
e) KamLAND (II)
ideaal geval
Neutrino oscillaties KamLAND meting CHOOZ meting
geen oscillaties
23 Februari 1987
Supernova Aarde 160,000 jaar
Tijd correlatie
99% energie is neutrino’s
1% energie is licht
roterend zwart gat
materie
p
+ p
+
omringend licht
0
n
Neutrino telescoop: – oorsprong kosmische straling – ontstaan & kompositie relativistische stralen – werking kosmische deeltjesversnellers
1960 Markov’s idee:
Lengte muon spoor Detectie Cherenkov licht Water is transparant
Zeewater als interactie en detectie medium
Hoe?
neutrino detectie
muon 1 2 3 4 5
~ km
~100 m
muon reist met de lichtsnelheid (300,000 km/s)
detectie Cherenkov licht ns – km
neutrino
interactie
strooiho
ek [grade
n]
neutrino energie [GeV]
s1.5
TeVE
Neutrino richting
neutrino
muon
Neutrino telescoop!
101 102 103 104 105
neutrino energie [GeV]
werkzam
e do
orsned
e [cm
2 ]
1( )A
EN
Vrije weglengte:
Werkzame doorsnede
810 km
“Size matters”
102 103 104 105 106 107
10-‐36
10-‐35
10-‐34
10-‐33
310 GeVE
Architectuur
data transmissie
data filter
meet-‐ gegevens
neutrino detector
machine kamer
analyse
besturing
start stop
2.5 km 500 m
250 Atm.
200x200 m2
200 personen 6 landen 40 km uit de kust bij Toulon gereed 2008
12 lijnen
25 verdiepingen / lijn
Antares
Hydrophoon acoustische positie meting
10” PMT licht detectie
Electronica uitlezing
titanium frame mechanisch drager
Optisch baken tijd calibratie
12 x 25 = 300 detectie eenheden
~1 m
“All-data-to-shore” concept po
sitie
tijd
100 ms
data filter
2 s
offline reconstructie
1 MB/s
bepaling van het muon spoor
1 GB/s
astronomie
Gamma Ray Burst
12/2006 12/2008 1/2008 11/2009
80% geregistreerd
aantal GRB
s
reactietijd [s] datum -‐150 -‐100 -‐50 0 50 100 150
40 km 10,000 km
“All-‐data-‐to-‐shore”
data buffer
GCN
cos( )
aantal geb
eurten
issen
Neutrino detectie
muon
d( )
Aarde
~1000 neutrinos!
D = 2.5 km
Atm. totaal Atm. neutrino’s Atm. muons Antares
plotselinge Eddie stromen
Temperatuur
Aard & Zee onderzoek
Frankrijk
observatorium voedingsbodem
Bioluminescentie
kortstondige gebeurtenissen domineren leven in diepzee
permanent observatorium
tijdprofiel
1976-‐1995
Dumand
1993
Baikal
1996
Nestor
2008
Antares
2011
IceCube
2015
KM3NeT
1998
Nemo
1e generatie – pre-‐prototypes
2000
Amanda
heden toekomst
2e generatie 3e generatie
Evolutie
Samenvatting
Neutrino’s bestaan, wisselwerken zwak met materie, en hebben een zeer kleine massa
Zonneneutrino’s zijn gemeten, neutrino’s oscilleren spontaan
Neutrino’s uit de SN1987A zijn gezien, neutrino flits
Neutrino’s uit andere astrofysische bronnen?
Met het in gebruik nemen van de Antares detector als prototype en met KM3NeT als de toekomstige kubieke kilometer detector is neutrino–astronomie
thans binnen handbereik…
Neutrinos, they are very small. They have no charge and have no mass And do not interact at all. The earth is just a silly ball To them, through which they simply pass, Like dustmaids through a drafty hall Or photons through a sheet of glass. They snub the most exquisite gas, Ignore the most substantial wall, Cold-‐shoulder steel and sounding brass, Insult the stallion in his stall, And scorning barriers of class, Infiltrate you and me! Like tall And painless guillotines, they fall Down through our heads into the grass. At night, they enter at Nepal And pierce the lover and his lass From underneath the bed -‐ you call It wonderful; I call it crass.
John Updike