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Neutrinos ultra-energéticos
Alberto Gago MedinaPontificia Universidad Católica del Perú
(PUCP)Coloquio de Física
2 de Junio 2011 basada en parte en JHEP1004:066,2010 (M.Bustamante, A.M.G, C. Peña-Garay)
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las Tres Familias
de la Materia
Neutrinos
millones100cm10
cm10
)(
)(241
233
e
ee
e
Neutrinos leptones sin carga que interactúan
débilmente con la materia
Z
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Neutrinos • (1930) W. Pauli propone
una nueva partícula para salvar la incompatibilidad entre el espectro observado (continuo) de la energía del electrón y el esperado (monocromático)
eZAZA )1,(),(
XeZAZA )1,(),(
(1956)- F. Reines y C.Cowan detectaron por primera vez el neutrino usando la reacción dentro del proyecto que bautizaron como Poltergeist
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Neutrino solares-Anomalia
• Experimentos de neutrinos solares– Demostrar fusion en
el Sol– Primera evidencia
de oscilaciones
Experimento Datos/ MS
Homestake (e37Cl->37Ar+e)
0.340.03
Sage + Gallex (e71Ga->71Ge+e)
0.560.04
Superkamiokande (xe->xe)
0.460.02
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Neutrinos solares - Solucion
• Sudbury Neutrino Observatory ( blanco de D2O ) observa:
– Corriente cargada
– Corriente neutra
• Flujo total de neutrinos solares consistente con elmodelo solar
X Xd pn ed ppe xe →
xe
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Neutrinos atmosféricos
2)(
)(
eeN
NR
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Neutrinos atmosféricos• Neutrinos atmosféricos observados desde 1978• Déficit de los neutrinos de muon observado por décadas
Solución
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Oscilaciones de Neutrinos
.
.
.
.2
1
e
Los neutrinos tienen masas diferentes oscilaciones de neutrinos
Pontecorvo(1958,1969) y Maki et. al. (1962) primeros en sugerir el fenomeno de oscilaciones de neutrinos
2
1
cossin
sincos
Oscilaciones 2
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Oscilaciones de neutrinosProbabilidad de oscilación
Señales de oscilación
2
2221
2222
4
sin2sin4
)(sin2sin
m
EL
L
L
E
LmmP
osc
osc
Kamland: 3MeV neutrinos, 180km MINOS: 3000MeV neutrinos, 735km
Es necesario un sistema de 3
)m(27.1
)MeV(2
L
Em
Datos de Super-Kamiokande 2004
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Oscilaciones de neutrinos (3)
3
2
1
321
321
321
3
2
1
U
UUU
UUU
UUU eeee 221
231
321
2 mm
mmm
& scales
,,
100
0
0
0
010
0
0
0
001
1212
1212
1313
1313
2323
2323 cs
sc
ces
esc
cs
scUi
i
Reactor & LBL
Fase de CP
Atms & LBL Solar & ReactorNo se conoce aún:
03 eU
Limites en
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Oscilaciones de neutrinos (3)
PMNSPMNSm Umm
diagUE
H2
,2
,01 2
31221
SakataNakagawaMakiPontecorvo PMNSUU PMNS
Hamiltoniano de oscilación debido a masa:
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Simetría CPT
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Violación de CPT (CPTV) en el sector de neutrinos
D. Colladay and V. A. Kostelecky (Phys. Rev. D58: 116002, 1998)
proponen terminos que violan CPT en el sector de neutrinos como:
Surgen de un rompimiento espontáneo de simetría CPT de teorias de cuerdas
CPT-par CPT-impar
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CPTV y oscilaciones de neutrinos
CPTVmf HHH
CPTVPMNSCPTVPMSNoscPMNSoscPMNSf UbbdiagUUmm
diagUE
H 3121
231
221 ,,0
2,
2,0
1
ijijbbbCPTVPMNS bbbyU 231312 ,,
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Física no estándar-CPT
LL
T
LL
RR
P
LL
LL
C
LL
Consecuencias en la Probabilidad de oscilación
RRLLPP
CPT
RR
CPT
LL
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Fuente de neutrinos
Escenario ideal: Nucleos Activos de Galaxia(AGN) donde se
pueden producir neutrinos de energías de un orden de 1021 eV.
E
Hm
1~
Dado que:
El HCPTV se torna mas relevante conforme la energia crece
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gammas
protones E>1019 eV ( 150 Mly )
protones E<1019 eV
neutrinos
Aceleradorcosmico
Universo opaco para fotones y protones
protones
GZK cutoff, 60EeV, 150 Mly
fotones
PeV (borde de la Galaxia)
GZK : Greisen-Zatsepin-Kuzmin
Propagación de Partículas en el Universo
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Telescopio de Neutrinos
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Rayos Cósmicos Composición: mayormente protones y partículas alfa
Espectro de Energía obedece una ley de potencias:
E
•“Knee” 1015 eV, galáctico, SN shocks.
•“Ankle” 1018eV extragaláctico, Núcleos activos de galaxias
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Aceleradores Cósmicos Criterio de Hillas
RBE max
E : Energía B : Campo Magnético R: Tamaño de la Región factor de Lorentz
Encima de línea roja: fuentes capaces de acelerar protones hasta energías de 1021 eV
Encima de línea verde: fuentes capaces de acelerar nucleos de fierro hasta energías de 1020 eV
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Mecanismos de aceleración
• El espectro de rayos cósmicos se explica a través del choque de aceleración difuso
• Este se explica a través del mecanismo de Fermi
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Núcleos Activos de Galaxias
Aceleracion de Fermi
Jets
Agujero Negro
Disco de Acrecion
Ondas de Choque
)( 0 pnp
Xπππpp 0Neutrinos producidos en el jet
vía:
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Escenarios
e
e
e
e
Razones de flujo en la producción (e : : )
El típico(1 : 2 : 0)
)( 0 pnp
Xπππpp 0
Fuente de neutrones
(Foto desintegración Nuclear)
Otros : (0 : 1 : 0)
(1 : 0 : 0)
Muones absorbidos
antes de decaer
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Flujos en la detección
PPP
PPP
PPP
ppe
pe
d
ppe
pe
d
ep
ep
eepe
de
xx
xx
xx
ppe
d
ppe
d
ppe
de
12
1
12
1
21
122
122 cossin x0
4 1323
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Flujos en la detección
xx
xx
xx
ppe
d
ppe
d
ppe
de
12
1
12
1
21
xx
x
pe
d
pe
d
pe
de
21
x
x
x
pd
pd
pde
12
1
12
1
pe
d
pe
d
pe
de
1:2:0 0:1:0 1:0:0
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Flujos en la detección
38.038.010:0:1
77.177.110:1:0
1110:2:1
Escenario ddde
Considerando solo oscilaciones
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Análisis
SRe
Observables
11 SR
1:2:0
177.1 SR
0:1:0138.0 SR
1:0:0
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1:0:0
0:1:0
Resultados –Puntos Notables (CPT)
1:2:0
GeV10
GeV10100
2721
2532
b
b
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Resultados – Variando (CPT)
Oscilación Estandard 1
Oscilación Estándar 3GeV1010 2927 ijb
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Resultados – (CPT+Decaimiento)
Oscilación Estándar 1 Oscilación Estándar 3
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GRACIAS!
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Núcleos Activos de Galaxias
• Centro compacto de muy alta luminosidad en todo el rango del espectro electromagnético
• Esta radiación es producto de la fricción debido a la rotación del disco de acrecimiento que alimenta de materia que al super masivo agujero negro central (106 masas solares)
• Eventualmente pueden producir “jets”