Download - Majorana Neutrino’s en Donkere Materie · 2013-06-07 · Materie en Antimaterie Materie bestaat uit deeltjes Antimaterie bestaat uit antideeltjes Twee verschillende deeltjes omdat

Majorana Neutrino’s en Donkere Materie

Patrick [email protected]

⌫ = ⌫?

Majorana mini-symposium bij de KNAW op 31 mei 2012

mailto:[email protected]

mailto:[email protected]

Patrick Decowski - UvA/Nikhef

Elementaire Deeltjes

• Elementaire deeltjes en geen quasi-deeltjes! ;-)

• Waarom ben ik in elementaire Majorana deeltjes geïnteresseerd?

• Majorana neutrino’s kunnen verklaren waarom het heelal uit materie en niet uit antimaterie bestaat

• Majorana donkere materie deeltjes zouden 85% van de materie in het heelal kunnen zijn


Standaard Model van Deeltjesfysica

u

d

c

s

t

b

νe

e

νμ

μ

ντ

τ

ɣ

g

Z

W

H

Krachtdragers

Higgsquarks

neutrino’s

Materie deeltjes

elektron

atoom kern proton

elektron



Standaard Model heeft 30 jaar heel goed gewerkt

u

d

c

s

t

b

νe

e

νμ

μ

ντ

τ

ɣ

g

Z

W

H

Krachtdragers

Higgsquarks

neutrino’s

Materie deeltjes

elektron

atoom kern proton

elektron



Standaard Model heeft 30 jaar heel goed gewerktSinds ~10 jaar: neutrino’s hebben (kleine) massa

u

d

c

s

t

b

νe

e

νμ

μ

ντ

τ

ɣ

g

Z

W

H

Krachtdragers

Higgsquarks

neutrino’s

Materie deeltjes

elektron

atoom kern proton

elektron


Massa’s van Elementaire Deeltjes

μeV meV eV keV MeV GeV TeV

ν1 ν2 ν3 e

u

d s b

c t

μ τ

prot

on

goud

10-1

2 pro

ton

Is er iets speciaals met neutrino’s? Kunnen wij verklaren waarom neutrino massa’s zo klein zijn?


Zwakke Wisselwerking

Zwakke wisselwerking - één van de kernkrachten

neutron proton elektron neutrino

n ! p + e� + ⌫

Verantwoordelijk voor beta-verval





n ! p + e� + ⌫


bewegingsrichting

Zwakke wisselwerking vertelt ons ook iets over “Spin” - draairichting van neutrinos





n ! p + e� + ⌫


“Linkshandig” ⌫L

bewegingsrichting

Zwakke wisselwerking vertelt ons ook iets over “Spin” - draairichting van neutrinos


Materie en Antimaterie

Materie bestaat uit deeltjes Antimaterie bestaat uit antideeltjes

Twee verschillende deeltjes omdat zeverschillende lading hebben

e- e+





⌫ ⌫Maar hoe is dat voor neutrale deeltjes, zoals het neutrino?

neutrino antineutrino

e- e+







“Linkshandig”⌫L

Spin bewegingsrichting⌫

e- e+







“Linkshandig”⌫L

Spin bewegingsrichting⌫

“Rechtshandig” ⌫R

⌫

e- e+


Waarom net iets meer materie?

Materie Antimaterie

pe-

Oerknal

p

1.000.000.001 1.000.000.000

e+



Materie Antimaterie

pe-

Oerknal

p

1.000.000.001 1.000.000.000

e+

1

Fotonen (lichtdeeltjes)

Nu

Alléén Materie

p

pe+

e-



Materie Antimaterie

pe-

Oerknal

p

1.000.000.001 1.000.000.000

Waarom asymmetrisch?

e+

1

Fotonen (lichtdeeltjes)

Nu

Alléén Materie

p

pe+

e-


Neutrino massa

linkshandig rechtshandig

deeltje

antideeltje

⌫L

⌫R

bekend

bekend

Hoe kunnen neutrino’s in het Standaard Model massa krijgen?


Neutrino massa


deeltje

antideeltje

⌫L

⌫R

bekend

bekend

⌫ 6= ⌫Dirac Neutrino

⌫R ⌫Lzelfde massa

⌫Ronbekend

⌫Lonbekend



Neutrino massa


deeltje

antideeltje

⌫L

⌫R

bekend

bekend



⌫ = ⌫Majorana Neutrino

zwaar neutrinoNLNR


NRzeer zwaar

niet zichtbaar

NLzeer zwaar

niet zichtbaar


Neutrino massa


deeltje

antideeltje

⌫L

⌫R

bekend

bekend




zwaar neutrinoNLNR


NRzeer zwaar

niet zichtbaar

NLzeer zwaar

niet zichtbaar

Neutrinos als Majorana fermionen:

⌫ = ⌫Voor lichte neutrino’s:

N = NMaar ook zware neutrino’s:


Neutrino massa


deeltje

antideeltje

⌫L

⌫R

bekend

bekend




zwaar neutrinoNLNR


NRzeer zwaar

niet zichtbaar

NLzeer zwaar

niet zichtbaar



N = NMaar ook zware neutrino’s:! m⌫ ⇠ m2

DMR

Verklaring voor lichte neutrino’s!

licht zwaar


Maar er is meer…


Maar er is meer…

• Majorana neutrino’s kunnen het Standaard Model elegant aanvullen en neutrino massa verklaren


Maar er is meer…



ν1 ν2 ν3 e

u

d s b

c t

μ τ

Lichte neutrino’s


Maar er is meer…


• Waar zijn die zeer zware neutrino’s?


ν1 ν2 ν3 e

u

d s b

c t

μ τ

Lichte neutrino’s


Maar er is meer…




ν1 ν2 ν3 e

u

d s b

c t

μ τ

Lichte neutrino’s

→ Die zijn net na de oerknal vervallen!


Maar er is meer…



• Maar ook:

• Majorana neutrino’s schenden lepton-getal en “B-L”

• Indien er ook “CP-schending” is: verval van zware neutrino’s maakt een asymmetrie tussen materie en antimaterie


ν1 ν2 ν3 e

u

d s b

c t

μ τ

Lichte neutrino’s



Maar er is meer…



• Maar ook:

• Majorana neutrino’s schenden lepton-getal en “B-L”

• Indien er ook “CP-schending” is: verval van zware neutrino’s maakt een asymmetrie tussen materie en antimaterie


Neutrino massa


deeltje

antideeltje

⌫L

⌫R

bekend

bekend



⌫Ronbekend

⌫Lonbekend


zwaar neutrinoNLNR


NRzeer zwaar

niet zichtbaar

NLzeer zwaar

niet zichtbaar



N = NMaar ook zware neutrino’s:! m⌫ ⇠ m2

DMR

Verklaring voor lichte neutrino’s!

licht zwaar

Materie boven antimaterie


ν1 ν2 ν3 e

u

d s b

c t

μ τ

Lichte neutrino’s



Hoe ontdek je Majorana Neutrino’s?

n n

e-

⌫ ⌫e-

Dubbel beta-vervalatoomkern

136Xe

136Ba

136Cs

beta-verval

dubbelbeta-verval



n n

e-

⌫ ⌫e-


e-

e-

n n

⌫ = ⌫Indien

136Xe

136Ba

136Cs

beta-verval

dubbelbeta-verval

Neutrinoloosdubbel

beta-verval



n n

e-

⌫ ⌫e-


e-

e-

n n

⌫ = ⌫Indien

136Xe

136Ba

136Cs

beta-verval

dubbelbeta-verval

Neutrinoloosdubbel

beta-verval

met neutrino’s

neutrinoloos



n n

e-

⌫ ⌫e-


e-

e-

n n

⌫ = ⌫Indien

136Xe

136Ba

136Cs

beta-verval

dubbelbeta-verval

KamLAND-Zen

400kg 136Xe

Neutrinoloosdubbel

beta-verval


Beweging van sterren

Grote structuren

Verbuiging van licht

Kosmische Achtergrondstraling

Sterke aanwijzingen voor donkere materie

Clusters van sterrenstelsels


Beweging van sterren

Grote structuren

Verbuiging van licht

Kosmische Achtergrondstraling

Sterke aanwijzingen voor donkere materie

Clusters van sterrenstelsels

Op alle afstandsschalen in het Heelal


15%

85%

Donkere materie

“Gewone” Materie

Materie in het heelal

Uit astronomische waarnemingen:


15%

85%

Donkere materie

“Gewone” Materie

Materie in het heelal

Uit astronomische waarnemingen:

Maar waaruit bestaat die donkere materie?


Wat is het donkere materie deeltje?

• Eigenschappen van DM:

• Kan niet geladen zijn, anders zou het zichtbaar zijn

• Moet massa hebben, maar niet te licht

• Moet stabiel zijn, niet vervallen

• Wisselwerkingen met andere deeltjes klein

• …



u

d

c

s

t

b

νe

e

νμ

μ

ντ

τ






• …



u

d

c

s

t

b

νe

e

νμ

μ

ντ

τ






• …

Géén van de deeltjes in het Standaard Model voldoen!



u

d

c

s

t

b

νe

e

νμ

μ

ντ

τ






• …

Géén van de deeltjes in het Standaard Model voldoen!

Nieuw hypothetisch deeltje: de WIMPWeakly Interacting Massive Particle


Supersymmetrie

u

d

c

s

t

b

νe

e

νμ

μ

ντ

τ

quarks

leptonen

fermionen

Standaard Model deeltjes


Supersymmetrie

u

d

c

s

t

b

νe

e

νμ

μ

ντ

τ

quarks

leptonen

fermionen


squarks

sleptonen

bosonen

u

d

c

s

t

b

νe

e

νμ

μ

ντ

τ

~ ~ ~

~ ~ ~

~ ~ ~

~ ~ ~

“Superpartners”


Supersymmetrie

u

d

c

s

t

b

νe

e

νμ

μ

ντ

τ

quarks

leptonen

fermionen


squarks

sleptonen

bosonen

u

d

c

s

t

b

νe

e

νμ

μ

ντ

τ

~ ~ ~

~ ~ ~

~ ~ ~

~ ~ ~

“Superpartners”

Neutralino:Majorana fermionχ ~


Supersymmetrie

u

d

c

s

t

b

νe

e

νμ

μ

ντ

τ

quarks

leptonen

fermionen


squarks

sleptonen

bosonen

u

d

c

s

t

b

νe

e

νμ

μ

ντ

τ

~ ~ ~

~ ~ ~

~ ~ ~

~ ~ ~

“Superpartners”

Supersymmetrie geeft een heel aannemelijk WIMP deeltje

Neutralino:Majorana fermionχ ~


WIMP

Xenon

Elastische botsing

Donkere Materiezit om ons heen

MelkwegstelselZon

WIMPs staan bijna stil in het melkwegstelsel, wij gaan 220km/s

Verwachten ~1 miljard WIMPs/m2/sec


WIMP

Xenon

Elastische botsing

Donkere Materiezit om ons heen

MelkwegstelselZon

WIMPs staan bijna stil in het melkwegstelsel, wij gaan 220km/s

Verwachten ~1 miljard WIMPs/m2/sec

De bostingen zijn heel zeldzaam!


2.5 ton vloeibaar xenon

XENON1T


Conclusie

• Elementaire Majorana fermionen zijn nog niet gezien, maar kunnen een aantal belangrijke natuurkunde problemen oplossen

• Majorana neutrino’s kunnen:

• kleine massa van het neutrino verklaren

• asymmetrie materie en antimaterie verklaren

• Majorana donkere materie deeltjes

• Meest aannemelijke verklaring voor donkere materie - 85% van alles!

• Experimenten om beide te vinden!

Meer weten? http://www.nikhef.nl/~decowski

http://www.nikhef.nl/~decowski

http://www.nikhef.nl/~decowski