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)

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

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

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

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

Neutrinos atmosféricos

2)(

)(

eeN

NR

Neutrinos atmosféricos• Neutrinos atmosféricos observados desde 1978• Déficit de los neutrinos de muon observado por décadas

Solución

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

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

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

Oscilaciones de neutrinos (3)

PMNSPMNSm Umm

diagUE

H2

,2

,01 2

31221

SakataNakagawaMakiPontecorvo PMNSUU PMNS

Hamiltoniano de oscilación debido a masa:

Simetría CPT

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

CPTV y oscilaciones de neutrinos

CPTVmf HHH

CPTVPMNSCPTVPMSNoscPMNSoscPMNSf UbbdiagUUmm

diagUE

H 3121

231

221 ,,0

2,

2,0

1

ijijbbbCPTVPMNS bbbyU 231312 ,,

Física no estándar-CPT

LL

T

LL

RR

P

LL

LL

C

LL

Consecuencias en la Probabilidad de oscilación

RRLLPP

CPT

RR

CPT

LL

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

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

Telescopio de Neutrinos

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

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

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

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:

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

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

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

Flujos en la detección

38.038.010:0:1

77.177.110:1:0

1110:2:1

Escenario ddde

Considerando solo oscilaciones

Análisis

SRe

Observables

11 SR

1:2:0

177.1 SR

0:1:0138.0 SR

1:0:0

1:0:0

0:1:0

Resultados –Puntos Notables (CPT)

1:2:0

GeV10

GeV10100

2721

2532

b

b

Resultados – Variando (CPT)

Oscilación Estandard 1

Oscilación Estándar 3GeV1010 2927 ijb

Resultados – (CPT+Decaimiento)

Oscilación Estándar 1 Oscilación Estándar 3

GRACIAS!

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”