Neutrino’s  and  astronomie  

Maarten  de  Jong  HOVO,  Leiden  –  2010  

Wat  is  een  neutrino?  

Radioactief  verval  (~1920)  

2E Mce

2-­‐deeltjes  verval?  

detector

elektron  

Einstein:  

magneet  

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

Neutrino astronomie

kosmische  straling  

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.”    

P.  Auger  (1938)  

ontdekking  van  uitgebreide    “deeltjes  regens”    

tijd    

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

Kosmische  versnellers  

“CERN  in  the  sky”  

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

Astronomie  

hcE

constante  van  Planck   snelheid  van  het  licht  

Energie  van  ‘deeltje’  

golflengte:  

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  

44 2p e He

Zonne  energie  

263.92 10L WLicht oprbrengst

Neutrinos 38 113

2 1.8 101.6 10 25e

LN s

MeV

Homestake  goud  mijn  (USA)  

37 37e Cl Ar e

0.814e

E MeV

130 ton Chloor

‘omgekeerd verval’

extractie  van  enkele  Ar atomen  (~15  /  maand)  

detectie  principe  

verwacht  

gezien  

Neutrino’s  van  de  zon  

~30  jaar!  

SNU  =  10-­‐

36  s-­‐

1  /  A

tom  

12

Super  Kamiokande  (Japan)  

nucleon        decay              experiment  

~50  kton  puur  water  

12000  PMTs  

Geen  proton  verval  gezien  

Maar  Kamiokande  is  ook  een    neutrino  detector…  

'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

we  zien  ½  neutrino’s  uit  de  zon  

 

neutrino  oscillaties¶  

¶  B.  Pontecorvo,  1957  

1Z Ze N NA A e

Energie  drempel  

eE MeV

2 0.511em c MeV

2e

E m c = ‘steriel’

100

2 105.7m c MeV

1/ 2

Mengen  van  neutrino  toestanden  

1

2

3

eU

massa  toestanden  

zwakke  toestanden  

3  x  3  matrix  (unitair)  

Mengen  van  2  toestanden  

1

2

cos sinsin cos

e

creatie  reizen    door  de  ruimte  

‘rotatie’  

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  

Neutrino  astronomie  

p

Waarom?  

 kosmische  stralen  buigen  af  door  magneet  velden  

 licht  kan  worden  geabsorbeerd  

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  

Antares  

prototype  neutrino  telescoop  

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  

Neutrino  “sky  map”  

Nog  geen  puntbronnen  gevonden…  

plotselinge  Eddie  stromen  

Temperatuur  

Aard  &  Zee  onderzoek  

Frankrijk  

observatorium  voedingsbodem  

Bioluminescentie  

kortstondige  gebeurtenissen  domineren  leven  in  diepzee  

 permanent  observatorium  

tijdprofiel  

Toekomst plannen

KM3NeT: A KM3 Neutrino Telescope

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