中微子ppt
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中微子--选修课件

最近发现
2011年9月,位于意大利格兰萨索国家实验室 (LNGS) 的 OPERA实验宣布观测结果,并刊登于英国《自然》杂 志。研究人员发现,中微子的移动速度比光速还快 。
1970年11月13日,中微子首先在氢气泡室中被观测。一个中 微子撞击氢原子中的一个质子。这撞击发生于照片右方,在 三条轨道散发出来之点。
关于中微子震荡
中微子振荡尚未完全研究清楚,它不仅在 微观世界最基本的规律中起着重要作用, 而且与宇宙的起源与演化有关,例如宇宙 中物质与反物质的不对称很有可能是由中 微子造成。
历史
1982年,日本科学家小柴昌俊在一个深达1000米 的废弃砷矿中领导建造了神冈探测器,最初目标 是探测质子衰变,也可以利用中微子在水中产生 的切连科夫辐射来探测中微子。 1987年2月,在银河系的邻近星系大麦哲伦云中 发生了超新星1987A的爆发。日本的神冈探测器 和美国的Homestake探测器几乎同时接收到了来 自超新星1987A的19个中微子,这是人类首次探 测到来自太阳系以外的中微子,在中微子天文学 的极洲冰层中建造一个立方公里大的中 微子天文望远镜——冰立方。法国、意大利、俄 罗斯也分别在地中海和贝加尔湖中建造中微子天 文望远镜。KamLAND观测到了来自地心的中微 子,可以用来研究地球构造。
1
中微子
Neutrino
简介
中微子(意大利语:Neutrino, 其字面上的意义为“微小的电中 性粒子”,又译作微中子),是 轻子的一种,其自旋量子数为½, 符号为希腊字母 v。
关于中微子
中微子有三种:电中微子、μ 中微子和 τ 中微子,分别对应于相应的轻子:电 子、μ 子和τ 子。
所有中微子都不带电荷,不参与电磁相互作 用和强相互作用,但参与弱相互作用。 中微子没有通常意义上的反粒子 有实验表明,中微子确实有微小但并不为零 的质量。
The Neutrino World - Fermilab Home:中微子的世界-费米实验室的家-PPT精选文档
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17
Determining whether the spectrum is like or like could be a unique contribution of NOnA or its
proton-driver-enhanced successor, or of a Brookhaven Long Base Line program.
cij cos qij sij sin qij
eia1/2 0 0
0
eia2/2
0
0
0 1
q12 ≈ qsol ≈ 32°,
q23 ≈ qatm ≈ 35-55°,
q~13
<
15°
Majorana phases
CP
would lead to P(na nb) ≠ P(na nb). CP
What Cosmology/Astrophysics and Neutrino Physics can Teach Each Other
Steve Barwick <>, John Beacom <>
Theory Discussion Group
n3
From max. atm. mixingn, 3nm+2nt
(Mass)2
n2 n1
Dm2atm
{From nm(Up ) oscillate
{dIPnosbonLul(’Mntt enAm–(nDMeo)Sw=Wnn,)e fraction
} of n2 Dm2sol
From distortion of ne(solar) and ne(reactor)
physics/astrophysics/cosmology have for each other?
The Neutrino World:中微子的世界

In such models, there are N > 3 i, and U is N x N, but still unitary.
11
Just as each neutrino of definite flavor is a superposition of mass eigenstates i, so each mass eigenstate is a superposition of flavors .
The mixing matrix U is 3 x 3 and unitary: UU† = U†U = 1.
Some models include “sterile” neutrinos — neutrinos that experience none of the known forces of nature except gravity.
2
These discoveries come from the observation of
neutrino oscillation.
3
The Physics of Neutrino Oscillation
4
Neutrinos Come in at Least Three Flavors
The known neutrino flavors:
8
Leptonic mixing —
le e, l , l
When W+ l+ + ,
e, , or
the produced neutrino state |> is
|
>
=
i
U*i
|i>
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Just as each neutrino of definite flavor is a superposition of mass eigenstates i, so each mass eigenstate is a superposition of flavors .
The mixing matrix U is 3 x 3 and unitary: UU† = U†U = 1.
Some models include “sterile” neutrinos — neutrinos that experience none of the known forces of nature except gravity.
2
These discoveries come from the observation of
neutrino oscillation.
3
The Physics of Neutrino Oscillation
4
Neutrinos Come in at Least Three Flavors
The known neutrino flavors:
8
Leptonic mixing —
le e, l , l
When W+ l+ + ,
e, , or
the produced neutrino state |> is
|
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中微子介绍
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τ中微 子
中微子只参不非常微弱的弱相互作 用,具有极强的穿透力。穿越地球 直径那么厚的物质,在100亿个中微 子中只有一个会不物质发生反应, 因此中微子的检测非常困难。所以, 在所有基本粒子中,人们对中微子 了解最少。实际上,大多数粒子物 理和核物理过程都伴随着中微子的 产生,例如核反应堆发电(核裂 变)、太阳发光(核聚变)、天然 放射性(贝塔衰变)、超新星爆发、 宇宙射线等等。宇宙中充斥着大量 的中微子,大部分为宇宙大爆炸的 残留,大约为每立斱厘米300个。
粒子物理的研究结果表明, 构成物质世界最基本的粒 子有12种,包括6种夸兊 (上、下、奇异、粲、底、 顶),3种带电轻子(电子、 缪子和陶子)和3种中微子 (电子中微子、缪中微子和 陶中微子)。中微子常用符 号ν表示,它丌带电,质 量非常轻(小于电子的百万 分之一),以接近光速运动。
电子中微子 组成 系 基本粒子 费米子 轻子
中 微 子
性质
发现 发现
研究与发展
发现
1930年,奥地利 物理学家泡利提 出存在中微子的 假说。 1956年,柯温和 弗雷德兊·莱因斯 通过实验观测到 了中微子诱发的 反应:
1962年,美国物理 学家利昂·M·莱德曼 等人发现了中微子有 “味”的属性
这是第一次从实 验上得到中微子
存在的证据 。
发现
以前人们以为中微子是没有质量的,永远以光速飞行。 1998年日本的超级神冈实验发现它们可以从一种类型转变 成另一种类型,称为中微子振荡,间接证明了它们具有微小 的质量。丌过这个质量非常非常小,到现在还没有测出来, 它们的飞行速度非常接近光速,到现在也没有测出不光速的 差别。
中微子振荡示意图。一个电子中微子具有三种质量本征态成分,传 播一段距离后变成电子中微子、μ中微子、τ 中微子的叠加。
超新星中微子
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超新星中微子的介绍
• 按照恒星死亡类型,超新星可以分为两大类:
• (1)Ia型,通常认为是由双星系统中,白矮星吸积伴星超过钱氏 质量而点燃热核爆炸造成的,其结果是把整个白矮星完全销毁, 没有致密残骸。
• (2)其余的所有超新星都是核塌缩型(Core-collapse SNe), 包括II型超新星(如SN1054,SN1987A),Ib 型(如SN2001ig, SN2005cz),Ic 型,电子对不稳定超新星等等。
中微子震荡效应
由于超新星爆发时核力阻止核坍塌产 生的冲击波在超新星内部的传播,会 产生震荡效应,从而导致超新星的物 质密度分布随时间变化而变化,而且
其密度会出现不连续现象,这种效应
也会对中微子的传播和不同味道之间 的中微子相互转换造成影响
大值,这种现象类似于物理学中
常见的共振现象
超新星中微子 研究目的
历史上比较著名的超新星中微子探测装 置有:日本的神冈(Kamiokande)中 微子探测器,美国的IMB中微子探测器, 俄罗斯的Baksan和LSD中微子探测器 近几年来正在运行且可以用于探测超新 星中微子的探测装置有:日本的超级神 冈(KamiokandeⅡ)和KamLAND中 微子探测器,意大利的Borexino、 ICARUS和LVD中微子探测器,加拿大的 SNO中微子探测器,IceCube等。
中微子从超新星内传播过程中3种效应
中微子集体效应
中微子产生以后,中微子与中微子之 间会有弱相互作用,虽然单对中微子 -中微子相互作用很小,但是由于大 量中微子的存在,它们之间的集体相 互作用产生的效应就很大,这种效应 被称为中微子集体效应
MSW效应
中微子在超新星内传播,与超新 星物质之间会有相互作用,这也 会对不同味道中微子之间相互转 换产生影响,当中微子经历的超 新星物质处于某一密度时,中微 子之间的转换会突然达到一个极
中微子1

子的百万分之一
中微子是1930年奥地利物理学家 泡利为了解释β衰变中能量似乎 泡利 不守恒而提出的,1933年正式命 名为中微子,1956年才被观测到。 中微子只参与非常微弱的弱相互 作用,具有最强的穿透力。穿越 地球直径那么厚的物质,在100 亿个中微子中只有一个会与物质 发生反应,因此中微子的检测非 常困难。 实际上,大多数粒子物理和核物理过程都伴随着中微子的产 生,例如核反应堆发电(核裂变)、太阳发光(核聚变)、天然 放射性(贝塔衰变)、超新星爆发、宇宙射线等等。宇宙中充斥 着大量的中微子,大部分为宇宙大爆炸的残留,大约为每立方厘 米100个,秒钟通过我们眼睛的中微子数以十亿计。
欧洲核子研究中心
意大利格兰萨索国家实验室
光速:299792458 米/秒 光速:299792458 中微子速度:299798545 中微子速度:29979854子束流的 步骤:产生高能质子; 步骤:产生高能质子;把 这些质子送到靶上; 这些质子送到靶上;让这 些质子与靶的原子核对撞, 些质子与靶的原子核对撞, 产生次级束流,部分包括p 产生次级束流,部分包括 介子和K介子 介子; 介子和 介子;通过一个磁 角系统将p介子和 介子和K介子引 角系统将p介子和K介子引 向实验Gran Sasso方向; 方向; 向实验 方向 介子和K介子在飞行时在真空隧道里衰变 让p介子和 介子在飞行时在真空隧道里衰变。多数情况下,衰变 介子和 介子在飞行时在真空隧道里衰变。多数情况下, 的结果是一个m子,一个υµ中微子。中微子的飞行方向非常接近 的结果是一个 子 一个 中微子。 中微子 母粒子p介子或 介子的飞行方向;将束流带到一个抑制器, 介子或K介子的飞行方向 母粒子 介子或 介子的飞行方向;将束流带到一个抑制器,该抑 制器吸收除中子和µ子之外的所有东西 中微子继续向Gran 子之外的所有东西。 制器吸收除中子和 子之外的所有东西。中微子继续向 Sasso方向前进,而其它的 子则被一公里内的地球地壳完全吸收。 方向前进, 子则被一公里内的地球地壳完全吸收。 方向前进 而其它的m子则被一公里内的地球地壳完全吸收 所有产生中微子束流的部件都在隧道里和服务走廊里。 所有产生中微子束流的部件都在隧道里和服务走廊里。
中微子是1930年奥地利物理学家 泡利为了解释β衰变中能量似乎 泡利 不守恒而提出的,1933年正式命 名为中微子,1956年才被观测到。 中微子只参与非常微弱的弱相互 作用,具有最强的穿透力。穿越 地球直径那么厚的物质,在100 亿个中微子中只有一个会与物质 发生反应,因此中微子的检测非 常困难。 实际上,大多数粒子物理和核物理过程都伴随着中微子的产 生,例如核反应堆发电(核裂变)、太阳发光(核聚变)、天然 放射性(贝塔衰变)、超新星爆发、宇宙射线等等。宇宙中充斥 着大量的中微子,大部分为宇宙大爆炸的残留,大约为每立方厘 米100个,秒钟通过我们眼睛的中微子数以十亿计。
欧洲核子研究中心
意大利格兰萨索国家实验室
光速:299792458 米/秒 光速:299792458 中微子速度:299798545 中微子速度:29979854子束流的 步骤:产生高能质子; 步骤:产生高能质子;把 这些质子送到靶上; 这些质子送到靶上;让这 些质子与靶的原子核对撞, 些质子与靶的原子核对撞, 产生次级束流,部分包括p 产生次级束流,部分包括 介子和K介子 介子; 介子和 介子;通过一个磁 角系统将p介子和 介子和K介子引 角系统将p介子和K介子引 向实验Gran Sasso方向; 方向; 向实验 方向 介子和K介子在飞行时在真空隧道里衰变 让p介子和 介子在飞行时在真空隧道里衰变。多数情况下,衰变 介子和 介子在飞行时在真空隧道里衰变。多数情况下, 的结果是一个m子,一个υµ中微子。中微子的飞行方向非常接近 的结果是一个 子 一个 中微子。 中微子 母粒子p介子或 介子的飞行方向;将束流带到一个抑制器, 介子或K介子的飞行方向 母粒子 介子或 介子的飞行方向;将束流带到一个抑制器,该抑 制器吸收除中子和µ子之外的所有东西 中微子继续向Gran 子之外的所有东西。 制器吸收除中子和 子之外的所有东西。中微子继续向 Sasso方向前进,而其它的 子则被一公里内的地球地壳完全吸收。 方向前进, 子则被一公里内的地球地壳完全吸收。 方向前进 而其它的m子则被一公里内的地球地壳完全吸收 所有产生中微子束流的部件都在隧道里和服务走廊里。 所有产生中微子束流的部件都在隧道里和服务走廊里。
中微子ppt
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2000年7月21日,美国费米国家实验室宣布 发现了τ子中微子存在的证据。
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回首2011,再看中微子 大亚湾发现新中微子振荡
人民网北京3月9日电(记者 王泓漓)大亚湾 中微子实验国际合作组发言人、中科院高能物理 研究所所长王贻芳8日在北京宣布,大亚湾中微子 实验发现了一种新的中微子振荡,并测量到其振 荡几率。该发现被认为是对物质世界基本规律的 一项新的认识,对中微子物理未来发展方向起到 了决定性作用,并将有助于破解宇宙中“反物质 消失之谜”。
Page 12
上海交通大学物理系主任、粒子物理 宇宙学研究所所长季向东这样阐释这项研 究的意义:“大亚湾实验发现了电子中微 子震荡的新模式,这种模式的发现对了解 为什么在物质远远多于反物质,对解释太 阳系中元素的丰度有极其重要的作用。在 我们所观察到的宇宙中,物质占主要地位, 但为什么如此,到现在还没有一个合理的 解释,大亚湾实验的结果打开了一扇大 门。”
13
另据王贻芳透露,2002年,两名美日科学家 因发现大气中微子振荡、太阳中微子振荡获得了 当年的诺贝尔物理学奖,但第三种振荡一直未被 发现。9年前,中科院高能所研究人员提出设想, 利用大亚湾核反应堆群产生的大量中微子,来寻 找中微子的第三种振荡。“2003年左右,国际上 先后有7个国家提出了8个实验方案,最终有3个 进入建设阶段,这就包括咱们的大亚湾核电站。” 王贻芳称,为抢在竞争对手之前获得物理结果, 科研人员将实验分为两个阶段,此次结果便来自 第一阶段的数据。
Page 9
μ中微子
μ子不像电子那样擅长相互作用,它会在冰中 穿行至少1千米,产生一个光锥。 1962年,美国布鲁克海文国家实验室的物理 学家利昂· M· 莱德曼等人发现了中微子有“味”的 属性,证实了μ子中微子和电子中微子是不同的中 微子。
中微子
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通过测量β粒子和反冲核的能量或动量,根据能量守恒和动量守恒可
以确定第三个粒子的动量和能量,从而定出第三个粒子的质量。用这种方
法测得 mv 0
2)、测量K俘获过程反冲核的能量
K俘获的终态只有两个物体—中微子和反冲核,所以他们的能量都是单
一的。
根据动量守恒以及中微子的能量近似等于衰变能 Ed ,则反冲核的动 能为:
Ed
E
(E 2mec2 )E 2mRc2
E
(1
E 2mRc2
me mR
)
me mR E 2mRc2
Ed E
则此时β粒子的动能大约等于衰变能。
②、中微子的动量和反冲核的动量大小相等,方向相反。
pR p
p 0 E 0
同为半整数或整数。
又因为:β粒子的自旋
I
1 2
为了保持角动量守恒,则中微子的自旋必为半整数。
如:6Be6Li e e
自旋:0 1 1/2
由角动量守恒:Iv
1 2
,
3 2
理论研究表明:Iv
所以:
1 Iv 2
3 2
不合要求
4、统计性
在β衰变过程中,母核、子核的质量数不变,则它们遵从相同的统计性。
获得尽可能大的反冲能。
以上方法就是我们国家著名的物理学家王淦昌先生提出的,他建议用7 Be
的k电子俘获过程去探测中微子的存在.(1942年)
1952年,戴维斯(R﹒Davis)研究了
7 4
Be
的k俘获
7 4
Be
ek 37Li
0.86 MeV
中微子

3
中微子的性质 • 不带电,质量极小 • 与其他物质的相互作用十分微弱
• 自然界广泛存在
• 三种类型:电子中微子、μ中微子和τ中微子
探测面临的难题 •它的质量尚未直接测到且大小未知 •中微子与它的反粒子是否为同一种粒子也不得而知 •中微子振荡还有两个参数未测到,而这两个参数很可能与宇 宙中反物质缺失之谜有关; •它有没有磁矩等等。
17
18
KamLAND
长基线 反应堆 n (对世界 20% 反应堆的中微子灵敏 !)
平均距离160 km 1 千吨液体闪烁体在神岗山洞内
探测太阳 n
还没有物理结果
19
加速器n (1-10 GeV) 实验 :
典型的高能物理实验技术 m 径迹探测 , 对电子或强子的簇射量能器
•
24
探测器的设计
水切伦科夫探测器和RPC构成反符合系统 ,探测宇宙线
RPC 水切伦科夫探测器
中微子探测器
八角形的水池保证AD 被2.5m以上的水层环 绕,吸收散射中子
25
中微子探测器
• 靶层:探测反衰变 • 直径3.1m, 高3.1m • 掺钆液闪
• 集光层:探测从靶层中逃逸的光子 • 纯液闪 • 厚42.5cm, 高3.97m
CC: nm+Nm-+X(shower) NC: nm+N nm +X(shower)
20
CHORUS
NOMAD
21
大亚湾中微子实验
在过去的十几年中,物理学家们发现中微子存在振荡——中微子在空间 传播的时候从一种类型(Flavour;共有三种类型:电子(Electron)中微子 、(Muon)子中微子以及(Tau)子中微子)变成另外一种类型,这种现象意 味着中微子具有质量——的可靠证据。大亚湾反应堆中微子实验被设计成测 量中微子混合中尚未被精确测量的混合角。这些混合角加上其它的一些参数 可以完全标记中微子的振荡效应,如果能够更好地限制混合角的值将会增进 我们对于为什么宇宙中的物质是正物质而非反物质这一现象的理解。
中微子

同样的观测不单在地球上发现,当天 同样的观测不单在地球上发现, 文学家观测超新星SN 1987A的中微子爆 文学家观测超新星SN 1987A的中微子爆 发时, 发时,世界各地有三台中微子侦测器各自 个中微子。有趣的是: 探测到 5 到 11 个中微子。有趣的是:这 些侦测器是在SN 1987A爆发的光线来到 些侦测器是在SN 1987A爆发的光线来到 小时侦测到的。对于这个现像, 地球之前 3 小时侦测到的。对于这个现像, 当时科学家把它解说为因为“ 当时科学家把它解说为因为“中微子于超 新星爆发时比可见光更早被发射出来, 新星爆发时比可见光更早被发射出来,而 不是中微子比光速快” 不是中微子比光速快”,而这个速度亦与 光速接近。然而, 光速接近。然而,对于拥有更高能量的中 微子是否仍然符合标准模型扩展仍然有争 议,当中微子违反了洛伦兹不变性而发生 震荡,其速度有可能会比光速还要快。 震荡,其速度有可能会比光速还要快。
此次研究的中微子束源自位于日内瓦 的欧洲核子研究中心, 的欧洲核子研究中心,接收方则是意大利 罗马附近的意大利国立核物理研究所。 罗马附近的意大利国立核物理研究所。粒 子束的发射方和接收方之间有着 730 公里 的距离,研究者让粒子束以近光速运行, 的距离,研究者让粒子束以近光速运行, 并通过其最后运行的时间和距离来判断中 微子的速度。 微子的速度。中微子束在两地之间的地下 管道中穿梭。 管道中穿梭。
2011 年 9 月,意大利格兰萨索国家 实验室旗下的OPERA实验室宣布观测结果 实验室宣布观测结果, 实验室旗下的OPERA实验室宣布观测结果, 并刊登于英国《自然》杂志。 并刊登于英国《自然》杂志。研究人员发 中微子的移动速度比光速还快。 现,中微子的移动速度比光速还快。根据 这项对渺中微子的研究, 这项对渺中微子的研究,发现当平均能级 GeV的渺中微子从 的渺中微子从CERN走到 达到 17 GeV的渺中微子从CERN走到 LNGS, LNGS,所需的时间比光子在真空移动的 速度还要快 60.7 纳秒,即以光速的 纳秒, 1.0000248 倍运行,是实验的标准差 倍运行, 10 纳秒的六倍,“比光速快 6公里”,证 纳秒的六倍, 公里” 实了这个假设。 实了这个假设。
中微子通信(通信电路新闻PPT)

④中微子通信有着很高的应用价值,如果采用中微子束通信,则将为海 中微子通信有着很高的应用价值,如果采用中微子束通信, 军对潜艇进行保密通信提供强有力的手段;即使是发生了热核战争, 军对潜艇进行保密通信提供强有力的手段;即使是发生了热核战争,安置在 岩石深处的指挥部的中微子束发射机不会受到原子弹的破坏, 岩石深处的指挥部的中微子束发射机不会受到原子弹的破坏,还能正常工 地质学家用中微子波束可给地球拍照,寻找地壳中的矿藏资源。 作;地质学家用中微子波束可给地球拍照,寻找地壳中的矿藏资源。中微子 通信除用于全球人类通信外,还可以穿透月球,与月球背面的空间站联系, 通信除用于全球人类通信外,还可以穿透月球,与月球背面的空间站联系, 或者作为“特殊信使” 遨游太空,与在宇宙中飞行的宇宙飞船直接联系, 或者作为“特殊信使”,遨游太空,与在宇宙中飞行的宇宙飞船直接联系, 为人类征服宇宙服务。科学家还设想发射中微子讯号让它在太空中穿行, 为人类征服宇宙服务。科学家还设想发射中微子讯号让它在太空中穿行,去 寻找外星人。 寻找外星人。
这种光不但囊括了0 见光, 这种光不但囊括了0.38---0.76微米范围内的所有连续分布的可 微米范围内的所有连续分布的可 见光,而且 具有确定的方向性。因此,只要用高灵敏度的光电倍增列阵将“契仑科将“契仑科夫光”全部 收集起来,也就探测到了中微子束“载波” 最后,将中微子束所携带的信息, 收集起来,也就探测到了中微子束“载波”。最后,将中微子束所携带的信息,通 过电缆系统传送到潜艇上的电子设备,进行解调、放大......。至此,便完成了中微子 过电缆系统传送到潜艇上的电子设备, 进行解调、 放大 。 至此, 通信的全过程。 通信的全过程。 美国科学家曾在1978 12月 1978年 美国科学家曾在1978年12月1日,进行了世界上第一次中微子 通信试验,试验的距离是6 4公里。尔后, 通信试验,试验的距离是6.4公里。尔后,他们又在伊利斯诺州和华盛顿之间进行 长达2700公里的地下通信试验。1986年 2700公里的地下通信试验 长达2700公里的地下通信试验。1986年,美国还与原苏联合作进行了中微 子穿透地球的试验。 子穿透地球的试验。
中微子介绍

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2010年5月
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大亚湾中微子 实验国际合作 组。
大亚湾中微子实验国际合 作组发言人王贻芳2012年 3月8日在北京宣布,大亚 湾中微子实验发现了一种 新的中微子振荡,并测量 到其振荡几率。这一重要 成果是对物质世界基本规 律的一项新的认识,对中 微子物理未来发展方向起 到了决定性作用,并将有 助于破解宇宙中“反物质 消失之谜”。
电子中微子 组成 系 群 基本粒子 费米子 轻子
电子中 微子
代
基本相互作用 反粒子 理论
第一代
弱相互作用, 万有引力 反电子中微子 沃尔夫冈· 泡利(1930) Clyde Cowan, 弗雷德里克· 莱因斯 (1956) νe 极小但不为0. 0e
发现者
符号 质量 电荷
色荷
自旋
No
1⁄2
μ子中微 子
发现
1930年,奥地利 物理学家泡利提 出存在中微子的 假说。 1956年,柯温和 弗雷德克·莱因斯 通过实验观测到 了中微子诱发的 反应:
1962年,美国物理 学家利昂·M·莱德曼 等人发现了中微子有 “味”的属性
这是第一次从实 验上得到中微子
存在的证据 。
发现
粒子物理的研究结果表明, 构成物质世界最基本的粒 子有12种,包括6种夸克( 上、下、奇异、粲、底、 顶),3种带电轻子(电子、 缪子和陶子)和3种中微子( 电子中微子、缪中微子和 陶中微子)。中微子常用符 号ν 表示,它不带电,质 量非常轻(小于电子的百万 分之一),以接近光速运动。
中微子振荡是一个量子 力学现象。理论物理学 家布鲁诺·庞蒂科夫 1957年首先提出此猜 想,他认为特定味的某 一中微子可以转化为不 同的味。
中微子
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3
Dark Energy 73% (Cosmological Constant)
Ordinary Matter 4% (of this only about 10% luminous)
Dark Matter 23%
Neutrinos 0.1-2%
4
1. 中微子的发现
但是因为中微子是电中性的,与物质发 生相互作用非常弱,与物质相互作用截面 为1×10-34cm2,非常非常小,相当于吸收 长度非常非常大,大到29光年。大约100 亿个中微子才能发生一次与物质相互作用, 因此中微子是极难探测到,对它的认识经 历了漫长的岁月。
Reines’s first attempt
该实验设想在费米 的劝说下放弃了 9
Hanford experiment
▪ Hanford reactor ▪ 0.3m3 liquid scintillator ▪ 90 2” PMTs ▪ Paraffin(石蜡) to shield neutrons ▪ Lead to shield gammas ▪ Expected events: 0.1~0.3 /min ▪ Observed: 5/min(bkg >>signals)
2. 从太阳中微子丢失到中微子振荡
为了解释这一丢失现象,一种比较被广 泛认可的理论是:太阳中微子自发射到地球 这段距离,一部分电子中微子转换成另一种 中微子。这种由一种轻子到另一种轻子的转 换称为振荡。
22
2. 从太阳中微子丢失到中微子振荡
2001年SNO重水探测器,
利用中微子-电子散射,可
以区别e 2 H 2 p e-以及 x 2 H p n x两种过
科学的突破往往源于技术 的突破
Dark Energy 73% (Cosmological Constant)
Ordinary Matter 4% (of this only about 10% luminous)
Dark Matter 23%
Neutrinos 0.1-2%
4
1. 中微子的发现
但是因为中微子是电中性的,与物质发 生相互作用非常弱,与物质相互作用截面 为1×10-34cm2,非常非常小,相当于吸收 长度非常非常大,大到29光年。大约100 亿个中微子才能发生一次与物质相互作用, 因此中微子是极难探测到,对它的认识经 历了漫长的岁月。
Reines’s first attempt
该实验设想在费米 的劝说下放弃了 9
Hanford experiment
▪ Hanford reactor ▪ 0.3m3 liquid scintillator ▪ 90 2” PMTs ▪ Paraffin(石蜡) to shield neutrons ▪ Lead to shield gammas ▪ Expected events: 0.1~0.3 /min ▪ Observed: 5/min(bkg >>signals)
2. 从太阳中微子丢失到中微子振荡
为了解释这一丢失现象,一种比较被广 泛认可的理论是:太阳中微子自发射到地球 这段距离,一部分电子中微子转换成另一种 中微子。这种由一种轻子到另一种轻子的转 换称为振荡。
22
2. 从太阳中微子丢失到中微子振荡
2001年SNO重水探测器,
利用中微子-电子散射,可
以区别e 2 H 2 p e-以及 x 2 H p n x两种过
科学的突破往往源于技术 的突破
中微子振荡ppt
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当中微子在真空中运动时,每个固定质量的中微子 遵循薛定谔方程的方式传播,所以,一个固定味的 中微子会转换成其他味的中微子。
e U e1 U e 2 U e 3 1 U 1 U U 2 2 3 U 3 U U 2 3 1
电子中微子通过太阳时变成 中微子和 中微子的混合, 后者可以用一个有效中微子代替。
m
t
所以,太阳中微子可以看成一个两中微子振荡问题。
KamLAND实验结果为
同理大气中中微子也可用等效两中微子解释。 超级神冈实验结果为:
sin2 2q atm > 0.90
2 1.9 ´ 10-3 eV 2 < Dmatm < 3.0 ´ 10-3 eV 2
é 2æ L ö ù Pa ®b =sin 2q sin ê Dm ç ÷ ú è 4E ø û ë
2 2
回到三种中微子的情况。这时,传统上U矩阵又叫PMNS 矩阵。有9个参数,考虑到三种味的相因子和三种质量中 微子的相因子。所以,9个参数中五个可以被重取相因子 去掉,只有4个独立参数了。
,q 23 这四个独立参数为q12 ,q 以及相因子,这和中微子是复 13 函数有关。比如,想象在绕第二个轴转动时,我们同时让 n 1 ,n 3 在相反的方向加一个相因子。这个相因子就是第四个参数。
1967年,Ponrecorve继续发展了这个想法。
Bruno Pontecorvo
太阳中微子问题
1960年代,Raymond Davis在Homestake金矿的地下 1478米处放了380立方米的全氯乙烯探测来自太阳的中 微子。而John N.Bahcall根据标准太阳模型计算了到达 地球的太阳核反应产生的电子中微子的通量。 Davis发现探测到的中微子只有Bahcall理论的三分之一。
中微子讲座.ppt

重的右手中微子强质量等级极限
A. Pilaftsis et al, hep-ph/0506107 (PRD);
Resonant Leptogenesis
邢志忠,周顺, hep-ph/0607302.
TeV 重的右手中微子质量近简并极限
理论热点: 检验Seesaw?
18
对撞机与TeV右手中微子
LHC
通过辐射修正产生CP破坏
罗舒, 梅建伟, 邢志忠, hep-ph/0507065 (PRD) 邢志忠, hep-ph/0510312 (PLB) 罗舒, 邢志忠, hep-ph/0603091 (PLB)
Dirac中微子的RGE跑动 vs. Majorana中微子的RGE跑动
M. Lindner, M. Ratz, M. Schmidt, hep-ph/0506280 (JHEP)
BAIKAL Russia
NEMO Catania, Italy
NESTOR Pylos, Greece
AMANDA and IceCube South Pole, Antarctica
理论热点: 超高能中微子望远镜 21
F. Halzen, D. Hooper, hep-ph/0510048 (PRD)
Parity Nonconservation in the
Weak Interaction),Dallas
5月31日,R. Davis Jr.
逝世,享年92岁
[2002 诺贝尔奖得主]
Majorana
6月13日-19日,Neutrino 2006 国际会议,Santa Fe
1906-2006
100年纪念
W. Grimus, H. Kuhbock, hep-ph/0607197 ……
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100亿个穿过地球的中微子中,大约会 有一个中微子与物质发生碰撞。
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100亿中只有1个,这也太少了,但是别忘了,宇宙中所 有的恒星还有地球上各种核电站无时无刻不在产生中微子, 所以中微子非常非常的多,平均每秒钟就会有1万亿个中 微子穿过我们每个人的身体,中微子是宇宙中数量最多的 粒子之一,茫茫的宇宙空间中,大约每立方厘米的体积内 就有300个中微子。
6 14
C N e ?
7 14
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1 0
2、中微子怎么发现的
现在我们已经知道,泡利说的这种神秘粒子,其实就是中 微子。 但是作为严谨的科学家,泡利有自知之明,他猜测存在中 微子这种粒子后,顿时亚历山大,甚至有点后悔。 为什么呢?因为泡利预言存在这种小粒子,可是这种小粒 子无论如何是不能被观测到的,那这几乎等于没说。因为 我们可以随意套用这种预言,比如,我也可以预言,咱们 每个人的肚子里面都长着一棵树,可是无论如何我们是看 不到这棵树的,就算钻到肚子里面也看不见。所以,泡利 意识到自己犯下了一个非常大的错误,他感到很郁闷,为 此,他自己也这样承认,向别人写信:“我做了件糟糕的 事,我预言了一种无法观测到的粒子……”
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2、中微子怎么发现的
还有一次,泡利想去一个地方,但不知道怎么走,一位同 事告诉了他。后来这位同事问他那天是否找到了想去的地 方,泡利不仅没有表达谢意,反而讽刺说“在不谈论物理 学的时候,你的思路总是很清晰。” 你看,既然泡利对别人都这样,那他对自己就更严了。所 以泡利预言存在不能被观测到的中微子后,他的苦恼是可 以理解的。泡利是1958年去世的,在他去世的前两年, 也就是1956年,泡利终于可以扬眉吐气了,因为美国科
物理学发展简史
19世纪的最后一天,欧洲著名的科学家欢聚一堂。会上, 英国著名物理学家威廉.汤姆生发表了新年祝词。他在回 顾物理学所取得的伟大成就时说,物理大厦已经落成,所 剩只是一些修饰工作。同时,他在展望20世纪物理学前景 时,却若有所思地讲道:“经典物理学它的美丽而晴朗的 天空却被两朵乌云笼罩了,”“第一朵乌云出现在光的波 动理论上,另一朵乌云与黑体辐射有关,后来诞生了量子 理论和爱因斯坦的相对论。
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2、中微子怎么发现的
泡利是个很可爱的科学家,他不但对自己要求严格,对别 人也要求很严,同时说话很刻薄,他总是喜欢给别的物理 学家挑刺,而且不留情面。泡利的这种完美主义是出了名 的。
一次,他看了一位年轻的物理学家写的一篇论文后,
评价说“这论文不只不正确,它甚至连错误都算不上”。 还有一次,一个意大利物理学家做完报告,准 备离开会议室时,泡利对他说“我从来没听过这 么糟糕的报告。”,泡利说完后,他又突然回过 头,对瑞士的一个物理化学家说“我想如果你做 这次报告的话,情况可能会更糟糕。”
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2、中微子怎么发现的
在信上,泡利说“我有一个置之死地而后生的想 法,为了确保能量守恒定律的正确性,我认为在 贝塔衰变的过程中,除了发射出电子外,还有一 种神秘的看不见的粒子,就是这种粒子带走了部 分的能量……”。1931年的时候,他又一次在物 理学大会上提出并修正了他的看法。他说:“这 种粒子是不带电的,没有质量的,也是不与任何 物质发生作用的,所以我们是探测不到的。
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3、太阳中微子消失之谜
中微子家族有三兄弟,这三兄弟分别叫“电子中微子”、 “陶中微子”、“缪中微子”。这三种中微子在飞行的途 中会互相变化,飞一会儿,你变成我,再飞一会儿,我又 变成你。它们总是变来变去的,这种现象就叫做中微子振 荡。
中微子振荡示意图
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3、太阳中微子消失之谜
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3、太阳中微子消失之谜
上文咱们说了,超级神冈探测器由小柴昌俊负责领导,而 今年获诺贝尔奖的梶田隆章恰好受业于小柴昌俊。 小柴昌俊曾经说:“在继承我衣钵的弟子当中,有2人足 以获得诺贝尔奖”。这里的两人,其中一个就是指梶田隆 章,而今年,2015年,梶田隆章果然就获奖了。 梶田隆章的获奖理由是:发现了中微子存在着质量!
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2、中微子怎么发现的
话说,好几十年前,全世界的物理学家们被一个问题深深地 困扰着,这就是‘贝塔衰变’中能量不守恒的问题。 贝塔衰变很好理解,咱们以碳元素为例。碳元素排在第六位, 通常它的原子核里面有6个质子和6个中子,可是呢,有的碳 原子核里面却有8个中子,6加上8等于14。所以,咱们把这 类原子叫做碳14。 碳14很神奇,它们会向外发射电子。原来,碳14的原子核 很不稳定,它里面的某个中子有变身术,会变成1个质子加 上1个电子!
那么,戴维斯为什么非要在地下1500米深处探测中微子 呢?在地上不挺好?
因为地面上有大量的来自宇宙空间的射线,这些射线会干 扰实验。所以,咱们国家大亚湾的那个中微子探测装置同 样也是设在大山里面,为的是让厚厚的岩石挡住各种射线。
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大亚湾中微子实验项目地上外景
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大亚湾近点实验厅 EH1(地下 100 米)。两个直径 5 米、高 5 米、重 110 吨的中微子探测器成功安装在巨 型水池之中
但是,你怎么证明两粒碳14不一样?无法证明,因为,所 有的碳14是一模一样的!
怎么办?
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2、中微子怎么发现的
面对这个问题,当时的科学家们可是伤透了脑筋,不管怎么折腾,总 是找不到原因。搞到最后,实在实在是没办法了,当时的著名科学家 波尔只好说,我猜,能量守恒定律可能不是正确的。至少在微观世界, 能量守恒定律是不通用的。 这下,波尔可是栽了个大跟斗,闹出了笑话。 因为能量守恒定律是我们这个宇宙的法 则,它还从没失效过。如果为了解释小
中微子
-------开启通向新物理学的大门
(北京时间2015年6日17时45分),加拿大物理学家阿 瑟· 麦克唐纳、日本物理学家梶田隆章获得此奖,以表彰 他们通过中微子震荡现象,发现中微子有质量。
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中微子是什么?怎么被发现的?
中微子怎么 就可能开启通向新物理学的大门?
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Hale Waihona Puke 1、什么是中微子? 中微子,名字中既然有一个“子”,这说明它是一种 小粒子;同时它还有一个“中”字,说明它跟我们熟 悉的中子一样,也不带电,中性的;还有一个‘微’ 字,说明中微子非常非常小,比中子电子还要小得多 得多,甚至于,以前的科学家们还认为中微子是没有 质量的。只是后来,人们才认为,中微子是有质量的, 但非常非常小,有点接近零,几乎比电子轻一百万倍, 也正因为这样,中微子非常神奇,它的速度非常快, 不到1秒钟,它就能穿过地球。
2、中微子怎么发现的
咱们来打个比方,有几把完全一样的手枪,当然,手枪子 弹也是完全一样的。可现在呢,朝相同的方向射击,有一 把手机能把子弹射到300米远的地方,有一把呢,只能射 到270米的地方,还有一把更可怜,只能射到250米远的 地方。你们说这奇怪不奇怪? 为什么子弹射程不一样? 是不是有的子弹,弹药比较少,有的比较多?是不是每个 碳14都不一样?
学家莱因斯和柯温探测到了中微子存在的证据,
这让莱因斯在1995年获得了诺贝尔物理学奖,而柯温呢, 因为他已去世多年,所以没有获奖。
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2、中微子怎么发现的
--中微子确实存在!
泡利按理也应该获奖,但他老人家早在 1945年的时候就把诺贝尔物理学奖拿到手 了。
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说完了证实中微子确实存在的证据后,科学家们的信心更 足了,其中就有一个雄心勃勃的美国科学家,名叫戴维斯。 他准备在地下1500米深处探测那些从太阳发射出来的中 微子。 中微子穿透力超强,不到一秒的功夫,就把整个地球给穿 过去了。怎么探测?别急,
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3、太阳中微子消失之谜
戴维斯说,我的实验没问题。 言下之意是,太阳中微子消失之谜,责任不在我,可能在 天体物理学家的头上。 可是呢,天体物理学家们也很委屈,他们算啊算啊,计算 了好多遍,最终还是坚定地说:我们对太阳模型的计算绝 对没有错! 奇怪了,既然谁都没有错,那到底谁错了呢?这就是著名 的“太阳中微子消失之谜”。
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3、太阳中微子消失之谜
戴维斯的实验是这样的: 他将615吨四氯乙烯液体灌入地下1500米深处的一个大池 子里,然后数十年如一日地等待中微子的降临。根据天体 物理学家对太阳的认识,经过严密计算太阳发射中微子的 数量情况,戴维斯得出结论,他那个装满四氯乙烯的大池 子每天应该能捕获一个中微子。然而,经过多年的观察, 平均下来,他四天才能逮到一个。其余的中微子跑哪去了? 当时,也就是1968年左右,科学家们很困惑,要么是戴 维斯的实验不精确,要么是天体物理学家们对于太阳的认 识有错误。戴维斯一年又一年不断地完善实验,最终结果 还是一样。
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3、太阳中微子消失之谜
戴维斯不管那么多,还是常年在那1500米深的金矿里干着捕 捉中微子的伟大事业,他这一干就是30年。在这30年中,他 总共才探测到大约2000个中微子。 后来呢,在日本的神冈,同样也有一个大型中微子探测器, 叫超级神冈探测器,由一个叫小柴昌俊的日本科学家负责领 导。经过多年的实验,小柴昌俊他们也发现,确实存在中微 子消失的现象。 哦,原来这不怪戴维斯,因为两个探测器都同时证明了中微 子消失的现象。那么,为什么会有一部分中微子消失呢? 1998年的时候,这个谜题终于被解开了,因为在这一年,超 级神冈探测器证明了中微子具有一种神奇的本领——中微子 在飞行的途中会变身!就像悟空能变成一只小猪一样。
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1、什么是中微子?
别说地球,它甚至能穿过太阳。太阳每分每秒都在产生大 量的中微子,平均每秒钟,会有好多万亿个来自太阳的中 微子穿过每个人的身体。
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2、中微子怎么发现的
既然中微子嗖一下就穿过了地球,穿过我们每个 人的身体,怎么去抓住它?抓不住它,你又怎么 证明存在中微子这种粒子? 事实也是如此,当初,中微子只是一种推测出来 的粒子而已。而这里面,故事还挺有趣。