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鬼 粒 子 - 神 秘 的 中 微 子<br />
朱 明 中<br />
明 白 中 微 子<br />
香 港 中 文 大 學 物 理 系<br />
09/03/2012<br />
/
大 亞 灣 中 微 子 實 驗 合 作 組<br />
38 院 校 , ~ 230 中 港 台 、 美 國 、 捷 克 、 及 俄 國 的 科 研 人 員<br />
以 八 年 辛 勞 ( 及 $$), 換 來 …<br />
http://news.sciencemag.org/sciencenow/2012/03/physicists-in-china-nail-a key.html?ref=em#.T1lirabX_wA.email<br />
http://www.nature.com/news/neutrino-oscillations-measured-with-record-precision-1.10202<br />
http://paper.wenweipo.com/2012/03/09/ED1203090001.htm<br />
http://www.takungpao.com.hk/news/12/03/09/ZM-1459631.htmtakungpao hk/news/12/03/09/ZM 1459631 htm<br />
零 的 機 率 是 千 萬 分 之 一<br />
2
鬼 粒 子 - 神 秘 的 中 微 子<br />
- 中 微 子 何 方 神 聖 ? 有 甚 麽 重 要 ?<br />
- 中 微 子 變 臉 的 把 戲<br />
- 捉 鬼 : 如 何 測 量 中 微 子 ?<br />
- 香 港 捉 鬼 敢 死 隊<br />
http://paper.wenweipo.com/2012/03/09/ED1203090001.htm<br />
http://www.takungpao.com.hk/news/12/03/09/ZM-1459631.htm<br />
http://news.mingpao.com/20120309/gfc1.htm<br />
3
中 微 子 何 方 神 聖 ? 有 甚 麽 重 要 ?<br />
http://www.youtube.com/watch?v=Mu2sja4lYMQ<br />
p// / MQ
中 微 子 Neutrino<br />
• 基 本 粒 子 之 一 ( 如 電 子 )<br />
• 有 三 種 : e<br />
<br />
<br />
• 不 帶 電 荷<br />
• 只 有 弱 作 用 及 重 力 , 沒 有 強 作<br />
用 及 電 磁 力<br />
穿 透 力 極 高 : 幽 靈 粒 子<br />
• 帶 有 質 量 , 但 極 小<br />
(
中 微 子 Neutrino<br />
• 核 融 合 反 應 中 製 造 , 如 太 陽 核 心 :<br />
每 秒 發 出 約 2x10 38 中 微 子 !<br />
地 球 每 秒 每 平 方 公 分 接 收 約 四 百 億 粒<br />
每 秒 每 平 方 公 分 接 收 核 電 廠 發 出 約 一 億 粒<br />
每 人 每 天 約 發 出 三 億 粒 ( 體 內 放 射 性 元 素 )<br />
全 宇 宙 每 立 方 公 分 約 有 三 百 粒 為 宇 宙 初 開<br />
大 爆 炸 所 製<br />
http://wwwlapp.in2p3.fr/neutrinos
中 微 子 的 發 現<br />
• 在 - 衰 變 中 放 射 , 如 : 電 預 期 : 如<br />
<br />
子<br />
n p e m n -m p –m e ~ 1.4x10 -30 kg<br />
數<br />
14 <br />
C 14<br />
量<br />
C <br />
14 N<br />
e<br />
n<br />
<br />
p<br />
• 電 子 能 量 有 大 有 小 :<br />
能 量 / 動 量 不 守 恆 ?<br />
• 泡 利 (W. Pauli): 有 另 一 不 帶 電 荷 粒 子 (1930)<br />
• 費 米 (E. Fermi): 中 微 子 (neutrino)<br />
• F. Reines, C. Cowan 實 驗 發 現 (1953)<br />
e -<br />
費 米<br />
http://wwwlapp.in2p3.fr/neutrinos/anhistory.html<br />
只 有 二 粒<br />
子 分 配 能<br />
量 及 動 量 ,<br />
只 有 一 個<br />
可 能<br />
能<br />
電 子 能 量<br />
泡 利
中 微 子 的 發 現<br />
• 在 - 衰 變 中 放 射 , 如 : 電<br />
實 驗 結 果<br />
<br />
子<br />
n p e e<br />
數<br />
14 <br />
p<br />
C<br />
14 量<br />
N e e <br />
n e -<br />
• 電 子 能 量 有 大 有 小 :<br />
能 量 / 動 量 不 守 恆 ?<br />
• 泡 利 (W. Pauli): 有 另 一 不 帶 電 荷 粒 子 (1930)<br />
• 費 米 (E. Fermi): 中 微 子 (neutrino)<br />
• F. Reines, C. Cowan 實 驗 發 現 (1953)<br />
e<br />
電 子 能 量<br />
能<br />
http://wwwlapp.in2p3.fr/neutrinos/anhistory.html
哇 鬼 計 劃 Project Poltergeist<br />
Hanford<br />
反 - 衰 變 :<br />
1953<br />
Cowan<br />
Reines<br />
大 量 中 微 子 、<br />
大 型 探 射 器 (p)<br />
- 液 閃 體 Liquid Scintillator<br />
- 雙 重 重 合<br />
- 大 量 屏 蔽<br />
最 後 計 劃 : 改 用<br />
核 反 應 堆<br />
原 計 劃 : 探 測 原 子 彈 放 射 的 中<br />
微 子 (2s)<br />
‘The Reines-Cowan Experiment’, Los Alamos Science 25 (1997).<br />
Hanford Neutrino Detector ‘Herr Auge’:<br />
300l CdLS + 90 2” PMTs
發 現 中 微 子<br />
反 中 微 子 源 : 核 反 應 堆<br />
F. Reines, Nobel<br />
Physics Prize 1995<br />
Savannah River neutrino detector<br />
每 秒 產 生 ~10 20 反 中 微 子<br />
光 電 管<br />
PMTs<br />
H 2O +<br />
CdCl 2<br />
C. L. Cowan and F. Reines, Phys. Rev. 117, 160 (1960).<br />
Illustration from http://library.lanl.gov/cgi-bin/getfile?25-02.pdf
中 微 子 有 甚 麽 重 要 ?
中 微 子 天 文 學<br />
• 高 溫 、 高 密 度 星 體 放 射 大 量 中 微 子<br />
• 中 微 子 穿 透 性 強 , 帶 有 星 體 內 部 資 訊<br />
• 如 : 恆 星 核 心<br />
• 星 球 爆 炸 : 超 新 星 (supernova)<br />
• 超 新 星 遺 留 致 密 星 (compact star)<br />
• 大 爆 炸 (Big Bang) → 宇 宙 中 微 子 背 景<br />
…<br />
http://cupp.oulu.fi/neutrino/
超 新 星 中 微 子<br />
• 超 新 星 : 高 溫 高 壓 物 質<br />
• 超 新 星 必 經 極 密 極 熱 階 段 :<br />
產 生 大 量 ( 幾 秒 內 ~10 58 ) 中 微 子<br />
• 中 微 子 被 困 短 時 間 , 之 後 帶 走 大 部 份 能 量<br />
• 帶 有 超 新 星 內 部 資 料 : 超 新 星 爆 炸 機 制 ?
超 新 星 中 微 子<br />
SN1987A<br />
Superkamiokande 及 IMB 測 得<br />
SN1987A 之 中 微 子<br />
@Anglo-Australian Observatory<br />
中 微 子 與 光 子 經 過 十 六 萬<br />
年 在 幾 小 時 之 間 到 達 地 球<br />
http://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/doc/sk/index.html<br />
http://cupp.oulu.fi/neutrino/nd-sn.html |v-c|/c < 2×10 -9
2012 年 出 現 兩 個 太 陽 ?<br />
http://hk.apple.nextmedia.com/template/apple/art_main.php?iss_id=2011<br />
0124&sec_id=15335&art_id=14900470
銀 河 系 內 下<br />
一 超 新 星 ?<br />
http://hk.apple.nextmedia.com/template/apple/art_main.p<br />
hp?iss_id=20110124&sec_id=15335&art_id=14900470<br />
Orion 獵 户 座<br />
image credit NASA<br />
Betelgeuse 參 宿 四<br />
Credit: Xavier Haubois (Observatoire de Paris) et al.<br />
http://www.solstation.com/x-objects/betelgeuse.htm<br />
紅 巨 星 , 距 離 430100 (643 147) 光 年<br />
變 星 : 光 度 變 化 0.2 – 1.2 等 , 5.7 年 周 期<br />
12-17 倍 太 陽 質 量 , 半 徑 ~550-920 倍<br />
表 面 温 度 ~ 3600 66 K
宇 宙 簡 史<br />
高 温<br />
高 密<br />
Figure courtesy NASA/WMAP<br />
大 爆 炸 宇 宙 膨 脹<br />
137 億 年
AMS in<br />
space<br />
大 件 事 : 反 物 質 失 踪 了 !<br />
宇 宙 早 期 高 温 度 : 能 量 >> 質 量<br />
宇 宙 膨 脹 → 温 度 下 降 → 能 量 轉 化 成<br />
質 量 → 物 質 與 反 物 質 的 數 量 應 相 若<br />
p<br />
<br />
<br />
加 速 器<br />
反<br />
物<br />
質<br />
宇<br />
宙<br />
大 爆 炸<br />
答 案 可 能 在<br />
中 微 子 處 !<br />
http://alpha-new new.web.cern.ch/<br />
web ch/<br />
From Prof. Ting’s talk in HK<br />
物<br />
質<br />
宇<br />
宙
中 微 子 宇 宙 學 Neutrino Cosmology<br />
• 大 爆 炸 製 造 大 量 中 微 子 → 觀 測 宇 宙 中 微 子 可 驗 證<br />
大 爆 炸 理 論 , 及 得 知 宇 宙 最 早 期 狀 況 資 料 : 理 論 上<br />
可 「 看 」 到 的 最 遠 景 像<br />
• 中 微 子 反 應 可 能 解 釋 宇 宙 物 質 – 反 物 質 的 不 對 稱 :<br />
• 例 如 S e S e , (S 為 假 設 存 在 的 大 質 量 粒 子 )<br />
再 影 響 其 他 粒 子 (p, n, ..). 參 數 : CP<br />
• CP 是 否 足 夠 大 ? 先 要 知 道 13<br />
‧ 中 微 子 數 量 及 質 量 影 響 宇 宙 結 構 ( 星 系 、 星 系 團<br />
等 ) 之 演 化
中 微 子 變 臉 的 把 戲
中 微 子 振 盪<br />
eg.:<br />
<br />
e<br />
<br />
e<br />
核 反 應 堆 : 4 e<br />
距 離 4 e<br />
21
中 微 子 振 盪<br />
eg.:<br />
<br />
e<br />
<br />
e<br />
核 反 應 堆 : 4 e<br />
3 e<br />
22<br />
距 離
中 微 子 振 盪<br />
eg.:<br />
<br />
e<br />
<br />
e<br />
核 反 應 堆 : 4 e<br />
2 e<br />
23<br />
距 離
中 微 子 振 盪<br />
eg.:<br />
<br />
e<br />
<br />
e<br />
核 反 應 堆 : 4 e<br />
3 e<br />
24<br />
距 離
中 微 子 振 盪<br />
eg.:<br />
<br />
e<br />
<br />
e<br />
變 臉 機 率 以 混 合 角 表 達 sin 2 2<br />
三 種 中 微 子 三 個 混 合 角 12 , 23 ,<br />
13<br />
核 反 應 堆 : 4 e<br />
25 距 離<br />
4 e
中 微 子 振 盪 (Neutrino Oscillation)<br />
• 經 典 力 學 粒 子 : (x, p=mv, E, m, …), 同 一 時 間 各 只 有 一 個 數 值<br />
• 量 子 力 學 : 可 同 時 有 多 個 數 值 ( 狀 態 )<br />
• 例 如 : |x> = a|x 1 > + b|x 2 > + c|x 3 > + …<br />
• 量 子 粒 子 可 同 時 有 多 個 質 量<br />
• | e > = a| 1 > + b| 2 > + c| 3 >, 質 量 m 1 m 2 m 3<br />
• 量 子 粒 子 亦 有 波 動 性 質 : 波 長 = h/p<br />
• 單 一 能 量 中 微 子 同 時 有 3 個 動 量 p’s 3 個 波 長 ’s<br />
• 波 動 的 干 涉 現 象 搏 動 (beats) = 機 率 振 盪<br />
例 如 : 兩 個 波 長 干 涉<br />
1<br />
2<br />
e<br />
26
中 微 子 混 合 角 (mixing angles)<br />
t = 0: | e >=a a | 1 >+b b | 2 ><br />
單 一 粒 子 : |a| 2 + |b| 2 = 1<br />
可 以 用 a = cos 12 , b = sin 12<br />
| 2 > | e ><br />
混 合 角<br />
| e > cos<br />
12 = 12 sin 12 | 1 ><br />
-sin 12 cos 12<br />
| 1 > | ><br />
| 2 ><br />
Mixing matrix<br />
-sin 12 cos 12<br />
27
捉 鬼 : 如 何 測 量 中 微 子 ?<br />
28
如 何 測 量 中 微 子<br />
光 電 管<br />
Gd<br />
Gd-doped d d liquid id scintillator<br />
ill<br />
滲 釓 液 閃 體<br />
光 電 管<br />
29
如 何 測 量 中 微 子<br />
Gd<br />
閃 爍<br />
scintillation<br />
Gd-doped d d liquid id scintillator<br />
ill<br />
30
如 何 測 量 中 微 子<br />
Gd<br />
scintillation<br />
Prompt =<br />
快 訊 號<br />
annihilation<br />
湮 滅<br />
Gd-doped d d liquid id scintillator<br />
ill<br />
31
如 何 測 量 中 微 子<br />
Gd<br />
Gd 捕 捉 n 8<br />
MeV ’s: delayed<br />
(s) 滯 後 訊 號<br />
<br />
Gd<br />
scintillation<br />
Prompt =<br />
annih.+ scint.<br />
annihilation<br />
Gd-doped liquid scintillator<br />
32
大 亞 灣 Daya Bay<br />
~40 km<br />
33
大 亞 灣 中 微 子 振 盪 實 驗<br />
13<br />
準 確 量 度 中 微 子 的 一 個 重 要 參 數 。<br />
有 助 解 答 反 物 質 失 踪 之 謎 !<br />
高 功 率 , 高 山 = 中 微 子 實 驗 理 想 地 點<br />
每 秒 產 生 10 21 反 中 微 子 ! 阻 隔 大 部 份 宇 宙 射 線<br />
近 端 反 中 微 子 探 測 器<br />
http://tech.hexun.com.tw/2011-09-03/133075412.html<br />
34
大 亞 灣 中 微 子 振 盪 實 驗<br />
Powerful reactors by mountains<br />
大 亞 灣 遠 端 實 驗 室<br />
RPCs<br />
反 中 微 子 探 測 器<br />
純 水<br />
35<br />
35
大 亞 灣 近 端 實 驗 室<br />
36
大 亞 灣 遠 端 實 驗 室<br />
37
The Daya Bay Anti-neutrino Detector (AD)<br />
1 st DayaBay AD, 05/10<br />
SSV<br />
4mAV<br />
3mAV<br />
~ 100-355 m of rocks above<br />
8”<br />
PMT<br />
38<br />
Scintillation +<br />
annihilation<br />
prompt light<br />
Total mass: ~110t<br />
Buffer: 40t<br />
mineral oil<br />
gamma-catcher: 20t LS<br />
192 8” ”low-bg PMTs<br />
Target: 20t Gd-LS<br />
RPC muon 3m Acrylic<br />
veto Vessel<br />
4m AV<br />
Water shielding and<br />
Cerenkov muon veto<br />
captured by Gd <br />
8 MeV delayed light<br />
Auto calibration<br />
system<br />
Low-bg<br />
steel tank<br />
HK MO<br />
system<br />
energy resolution: (7.5%/E + 0.9%)
Interior of Antineutrino Detector<br />
34<br />
39
( 消<br />
) 機<br />
L 與 反 應 堆 距 離<br />
40<br />
振<br />
盪<br />
失<br />
率<br />
/Nno_osc Nobs/
( 消<br />
41<br />
振<br />
盪<br />
Daya Bay<br />
新 一 代 中 微 子 精 確 實 驗<br />
失<br />
機<br />
率<br />
) 機<br />
Nobs/Nno_osc
發 現 13<br />
• 觀 測 到 電 子 類 中 微 子 消 失<br />
• 遠 端 消 失 ~ 6%<br />
antineutrino detectors<br />
42
香 港 捉 鬼 敢 死 隊<br />
43
瀟 聰 安 裝 探 射 器<br />
瀟 聰 , MC 2 值 班<br />
Yanchang measuring Radon<br />
level in Daya Bay<br />
44
HK members involved in AD filling<br />
Jianyi and Xiaocong testing MO system<br />
Raymond and Xiaocong installing<br />
MO Clarity Box<br />
Kai and Soap working in an experimental hall 45
Over 40 students from<br />
CUHK and HKU have<br />
been involved!<br />
Aberdeen Tunnel Laboratory<br />
Muon tracker: 6 layers of proportional<br />
p<br />
tubes and plastic scintillators<br />
Easy access to tunnel, but can only from<br />
1am – 5am, 2-4 nights/week.<br />
Neutron<br />
detector<br />
~ 250m of rocks,<br />
~ Daya Bay environment<br />
A satellite lab of Daya Bay<br />
Allows study of underground<br />
cosmic rays 46
Wilson<br />
Adrian<br />
The CUHK Cosmic Muon Telescope<br />
1.2 Zenith angle distribution of muons<br />
0.8<br />
04 0.4<br />
Lo<br />
R()/R(0)<br />
0 0<br />
o<br />
40 o 80 o <br />
Siu John<br />
Soap<br />
Ho<br />
Ming<br />
Surface muon rate<br />
measured;<br />
simulation input<br />
verified.<br />
NA dome<br />
Kai<br />
Zephy<br />
47<br />
Rock
鬼 粒 子 - 神 秘 的 中 微 子<br />
- 中 微 子 何 方 神 聖 ? 有 甚 麽 重 要 ?<br />
- 中 微 子 變 臉 的 把 戲<br />
- 捉 鬼 : 如 何 測 量 中 微 子 ?<br />
- 香 港 捉 鬼 敢 死 隊<br />
http://paper.wenweipo.com/2012/03/09/ED1203090001.htm<br />
http://www.takungpao.com.hk/news/12/03/09/ZM-1459631.htm<br />
http://news.mingpao.com/20120309/gfc1.htm<br />
48
鬼 粒 子 - 神 秘 的 中 微 子<br />
朱 明 中<br />
明 白 中 微 子<br />
香 港 中 文 大 學 物 理 系<br />
09/03/2012<br />
/
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