Transcript イントロダクション II (ニュートリノ、超新星、CP非保存)

高エネルギー物理学
講義のシナリオ
１）標準理論の考え方
1a) クォークとレプトン
1b) 力の働く仕組み (ゲージ原理)
1c) 真空とは何か （真空の相転移）
２）素粒子を見る
2a) ニュートリノ
超新星、太陽ニュートリノ、ニュートリノ振動
2b) ＣＰの破れ
物質宇宙の形成
小林-益川行列
甲南大学大学院講義 平成１６年９月１６日
2001.9.21
甲南大学講義04
1
トピック ５ 最近の話題から ニュートリノ
最も謎の深い素粒子
ニュートリノ振動は、
標準理論を越える最初の手掛かり
宇宙との関係
超新星ニュートリノ
太陽ニュートリノ
大気ニュートリノ
ビッグバン残存ニュートリノ
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パウリ
ヴォルフガング・パウリ
1890-1958
ニュートリノの予言
排他原理の発見
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パウリの手紙
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ニュートリノは何処にある？
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星の一生と輪廻
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ヘルツスプルング・ラッセル図
横軸にスペクトル型(表面温度)
縦軸に絶対光度
主系列： 水素燃焼
巨 星：
ヘリウム燃焼
白色矮星： 縮退星
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星の進化と II 型超新星
主系列： 水素燃焼過程 (核融合反応)
重い星の進化過程
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Energy/p=6.7MeV ->He
Energy/p=8.6MeV ->Fe
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II 型超新星のニュートリノ放出
全重力エネルギー ~1053erg
<Eν>
~10-20ＭｅＶ
Ｎν
~1058
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ニュートリノ天文学の創始者
小柴昌俊博士
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宇宙の背景ニュートリノ
←宇宙のサイズ→
ビッグバン
10-32秒
素粒子スープ
1秒
宇
宙
30万年
の
年
齢10億年
n+p ⇄ e++n
n+n ⇄ e- +p
n+n ⇄ e- + e+ ⇄ g+g
原子核合成
e- + e+ → g+g
晴れ上がり
銀河形成
e- +p → g+H
150億年
現在の宇宙
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宇宙背景輻射
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無の粒子
宇宙の背景（残存）ニュートリノ
絶対温度2度 (2x10-4eV)
110個/ｃｍ３/種 ｘ３ 種類
非常に弱い相互作用
検出できたらビッグバン３秒の宇宙が見える！
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背景ニュートリノ
宇宙に最も多く存在する粒子
330/cm3は多いか少ないか？
水1gr = 6x1023個の分子（アヴォガドロ数）
物質(バリオン)は銀河に局在
ニュートリノは全空間に充満
Nbaryon/Nn 〜 10-10
一個のバリオンに100億個のニュートリノ
注：光の数は 400/cm3でより多い
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ク イ ズ
何でも突き抜けるという
ニュートリノを
何でも吸い込むという
ブラックホールに
ぶつけたらどうなるでしょう
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新聞ニュース
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ニュートリノ質量を測定するには
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ニュートリノ検出原理
光電子増倍管
チェレンコフ光
q=42°
太陽ニュートリノの場合
電子ニュートリノ
荷電粒子
e±,m±
電子
チェレンコフ光
反跳電子
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ニュートリノ望遠鏡
５万トンの
水チェレンコフ検出器
内水槽壁面に、11,146本の
50センチ光電子増倍管
外水槽壁面に、1,885本の
20センチ光電子増倍管
スーパーカミオカンデ検出器
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スーパーカミオカンデ検出事象例
nm+nm+p
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ne+ne+p
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上下非対称分布と質量の関係
ニュートリノ振動とは
ある種のニュートリノが
他のニュートリノに変身すること。
見かけ上ニュートリノ数が減る
これが上下非対称の原因
神岡実験結果： 質量 ～ 約0.05eV
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大気ニュートリノ
p, He ... 宇宙線が大気と反応する
下向き粒子
nm
p±, K±
m±
e±
nm
ne
上向き粒子は地球
の裏側からくる
予想１： 上向きと下向きは対称
予想２：
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nm+ nm 〜2
R= n + n
e
e
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スーパーカミオカンデ検出器
データは上下非対称
池ノ山
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ニュートリノ振動の確認実験（Ｋ２Ｋ）
250km
岐阜県神岡市
東大宇宙線研究所
スーパーカミオカンデ
文部省高エネルギー加速器研究機構
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K2K 実験事象例
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K2K長距離基線ニュートリノ振動実験
1.27Δm .L
2
P( νμ  νμ ) = 1 - sin 2θ sin
E
.
2
2
ν
Number of events
Observation:
108
Best Fit:
104.8
Null-oscillation
150.9
Null Oscillation Probability is less than 10-4 (3.9s)
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デイヴィス： 太陽ニュートリノパイオニア
Chlorine (1964 ~ 1994)
0.813 MeV
8B, 7Be
First solar neutrino observation
Established solar neutrino deficit
615-ton C2Cl4, ne(37Cl, 37Ar)eFinal result: 2.56 ± 0.16 ± 0.16
SNU
SSM (BP04) expectation:
8.5  1.8 SNU
Data/SSM = 0.30 ± 0.03
Still important input in the current
global analysis for solar neutrino
SSM BP04: J.N. Bahcall and M.H. Pinsonneault PRL 92, 121301
SNU: 1 n interaction / sec each 1036 target atoms
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Sudbury Neutrino Observatory (SNO)
Confirmation of solar neutrino oscillation
1999 ~
1000 ton D2O
12-m diameter
acrylic vessel
1700 ton H2O
Support structure
for 9500 8-inch PMTs
5300 ton outer H2O
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SNO: 重水標的でニュートリノ振動検出
太陽ニュートリノはne
振動があれば、nm、ntに変換される。
荷電カレント反応でne
fCC = fe
ne + d  p + p + e-
中性カレント反応で全フラックス
ne(nm, nt) + d  p + n + n
n + d  3He + 6.25-MeV g
fNC = fe + fm + ft
= f (all active n)
弾性散乱で Active n
ne(nm, nt) + e-  ne + e-
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fES = fe
+ 0.154  (fm + ft)
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Neutrino flux: fmt > 0
D2O phase
Only ne produced in the
Sun
Wrong Neutrinos nm,t are
coming from the Sun!
Somehow some of ne
were converted to nm,t on
their way from the Sun’s
core to the detector
 neutrino oscillation!
(unit 106/cm2/s)
+0.06
ΦCC =1.59-+0.08
(
stat
)
0.07
-0.08 (sys)
+0.10
ΦES =2.21-+0.31
(
stat
)
0.26
-0.10 (sys)
+0.38
ΦNC =5.21-+0.27
(
stat
)
0.27
-0.38 (sys)
(8B)meas = (0.88  0.04(exp)  0.23(th))(8B)SSM
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原子炉ニュートリノ
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検出： 目的は太陽ニュートリノ振動解特定
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Powerful commercial reactors
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First results from KamLAND
PRL 90, 021802
Dec. 2002
ne disappearance:
99.95 % C.L.
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Impact of KamLAND
http://hitoshi.berkeley.edu/neutrino/
assuming CPT invariance
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大気ニュートリノ振動
太陽ニュートリノ振動
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判ったこと
1a） ミューニュートリノはタウニュートリノに
変身する（大気ニュートリノ振動の存在）
１ｂ） 電子ニュートリノもまた変身する
(太陽ニュートリノ振動の存在)
２） ニュートリノは質量を持つ （新物理の存在）
しかし、非常に小さい（電子の一千万分の一）
～0.02eV  太陽ニュートリノ
～0.05eV  大気ニュートリノ
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What do we want to know?
Known:
Two large mixing angles, maybe one small
3 independent mass splittings, one is positive
Absolute neutrino mass limits
Unknown:
Absolute Mass Scale
How many n’s are there?
Mass Hierarchy?
Is CP Violated?
Are n’s their own antiparticles?
Mena&Parke, hep-ph/0312131
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トピック６： 最近の話題から ＣＰの破れ
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最近のトピック２： ＣＰ対称性の破れ
若きディラック
はじめて相対論と量子論を融合
その必然的な帰結として
反粒子
の存在を予言した。
反粒子は
粒子と質量や寿命は等しく、
電荷の大きさも等しいが、
符号が反対。
すべての素粒子は、反粒
子をもつ。
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ＣＰ の鏡（物質と反物質の鏡映）
エッシャー： リトグラフ；マジックミラー
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Cogito ergo sum
我思う、故に我あり
我思う、故にＣＰあり
宇宙はビッグバンから始まった
粒子と反粒子が同量存在した
現代宇宙は物質
すなわち粒子のみでできている
一体何が起こったか？
René Descartes
1596-1650
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宇宙をつくるには？
サハロフの3条件
１） 宇宙が非平衡状態にあること
２） バリオン数を保存しない素粒子
反応が存在する事
例： p -> e+ p0
３） CP対称性を保存しない素粒子
反応が存在する事
これらが成り立つ時、超高温で高い
対称性を持つ初期宇宙から、現在の
よく冷えた物質優勢の宇宙を作る事
が出来る（ビッグバン宇宙論）。
Andrei Sakharov (1921-1989)
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KEKB Collider
8 GeV e- x 3.5 GeV e+
Mt. Tsukuba
KEKB
11mrad crossing
Belle
~1 km in diameter
Lpeak = 1.39 x 1034 sec-1cm-2
@ 1.2A x 1.6A
253 fb-1 on Y(4S)
274M BB
~287 fb-1
28 fb-1 below Y(4S)
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Peak Luminosity
Integrated Luminosity
Belle 181.4 fb-1
BaBar
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Belle検出器 (SVD)
SV
D
Belle グループ
11ケ国 52機関 268人
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sin2f1=0.726 ± 0.037
e++e- --> U(4S) --> B0+B0
B0 --> J/y + Ks
mm
pp
B0 --> generic(m-,e-,K-)
CP side B0
J/y
m, e
KS
B0
m, e
Tag side
m, e
p
p
z  200mm
ｔ  z をＳＶＤで測定
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Constraint on r-h
f2
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sinf1 (WA) and
Belle’s f2
are consistent
with other
measurements.
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まとめ：
20 世紀における物質観の革命
２０世紀に確立した思想
相対性原理
量子原理
ゲージ原理一般相対論に統合か？
真空の概念
新しい思想
多次元空間
素粒子は紐
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終わり
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Neutrino oscillations:
Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata Matrix
Mass eigenstates

Weak eigenstates
Atmospheric
cij=cosqij, sij=sinqij
CP phase
Sub-dominant
q13 oscillations
Solar
Majorana phases
Only appear in 0nbb decays
A total of 6 parameters: 2 m2, 3 angles, 1 phases
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2 Majorana phases
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Analytical Description
 analytic discussion / full numerical simulations
 degeneracies, correlations, ...  (sin22q13)eff
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BB+SB
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q13 Sensitiviy: Comparison of the next Generation
.
Huber, ML, Rolinec, Schwetz, Winter
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T2K
T2K
NOnA
• different sensitivity reductions by systematics
• correlations & degeneracies lead to severe sensitivity reductions
• break C&D by combining different experiments of comparable potential
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.
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Measurement of CP Violation
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