• Nie Znaleziono Wyników

Wykrywanie neutrin z gwiazd presupernowych Nowy cel astronomii neutrinowej Andrzej Odrzywolek

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Wykrywanie neutrin z gwiazd presupernowych Nowy cel astronomii neutrinowej Andrzej Odrzywolek"

Copied!
58
0
0

Pełen tekst

(1)

Nowy cel astronomii neutrinowej

Andrzej Odrzywolek

Uniwersytet Jagielloński, IF UJ, ZTWiA

17.10.2007, 18:00

(2)

Zagadnienia powiązane z emisją ν masywnych gwiazd

Typowa gwiazda o masie 15 M (model s15)

−10 5 lat gw. chłodzona neutrinowo

−4 lata spalanie O w jądrze

−8 dni spalanie Si w jądrze

−24 h zdegenerowane jądro „Fe”

−3 h spalanie Si w powłoce

−2 h stygnięcie & deleptonizacja

−0.1 s kolaps grawitacyjny

0 . . . 1 s „mechanizm supernowej”

1 . . . 100 s protogwiazda neutronowa

100s . . . 100 lat „pulsar” lub czarna dziura

(3)

Ewolucja gwiazdy o masie 15 M : kT & µ

Znaczenie temperatury

i potencjału chem. dla

emisji neutrin:

hE ν i = 2 5 µ + 2kT

L ν ∝ kT 9

kT określa średni

poziom wzbudzenia

jąder i zawartość e +

µ określa próg na

wychwyt e oraz

rozpad β

kT określa czas

niezbędny do

osiągnięcia NSE

(4)

Ewolucja gwiazdy o masie 15 M : kT & µ

Znaczenie temperatury

i potencjału chem. dla

emisji neutrin:

hE ν i = 2 5 µ + 2kT

L ν ∝ kT 9

kT określa średni

poziom wzbudzenia

jąder i zawartość e +

µ określa próg na

wychwyt e oraz

rozpad β

kT określa czas

niezbędny do

osiągnięcia NSE

(5)

Ewolucja gwiazdy o masie 15 M : kT & µ

Znaczenie temperatury

i potencjału chem. dla

emisji neutrin:

hE ν i = 2 5 µ + 2kT

L ν ∝ kT 9

kT określa średni

poziom wzbudzenia

jąder i zawartość e +

µ określa próg na

wychwyt e oraz

rozpad β

kT określa czas

niezbędny do

osiągnięcia NSE

(6)

Ewolucja gwiazdy o masie 15 M : kT & µ

Znaczenie temperatury

i potencjału chem. dla

emisji neutrin:

hE ν i = 2 5 µ + 2kT

L ν ∝ kT 9

kT określa średni

poziom wzbudzenia

jąder i zawartość e +

µ określa próg na

wychwyt e oraz

rozpad β

kT określa czas

niezbędny do

osiągnięcia NSE

(7)

Ewolucja gwiazdy o masie 15 M : kT & µ

Znaczenie temperatury

i potencjału chem. dla

emisji neutrin:

hE ν i = 2 5 µ + 2kT

L ν ∝ kT 9

kT określa średni

poziom wzbudzenia

jąder i zawartość e +

µ określa próg na

wychwyt e oraz

rozpad β

kT określa czas

niezbędny do

osiągnięcia NSE

(8)
(9)
(10)
(11)
(12)

Procesy termicznej emisji neutrin

Trzy klasyczne procesy termiczne:

1

Anihilacja par e + e :

e+

e νe,µ,τ

¯νe,µ,τ

Z0

e+

e νe,µ,τ

¯νe,µ,τ

Z0

2

Rozpad plazmonu:

γ e

+

e Z0

ν¯e,µ,τ

νe,µ,τ

γ e+ e

Z0 ν¯e,µ,τ

νe,µ,τ

3

Fotoprodukcja neutrin:

Z

0

e γ

e νe,µ,τ

¯νe,µ,τ

Z0

e γ

e νe,µ,τ

¯νe,µ,τ

Inne potencjalnie istotne procesy:

4

Bremmstrahlung (widmo nieznane)

5

Rekombinacja (proces nieuwzględniany)

(13)

Procesy termicznej emisji neutrin

Trzy klasyczne procesy termiczne:

1

Anihilacja par e + e :

e+

e νe,µ,τ

¯νe,µ,τ

Z0

e+

e νe,µ,τ

¯νe,µ,τ

Z0

2

Rozpad plazmonu:

γ e

+

e Z0

ν¯e,µ,τ

νe,µ,τ

γ e+ e

Z0 ν¯e,µ,τ

νe,µ,τ

3

Fotoprodukcja neutrin:

Z

0

e γ

e νe,µ,τ

¯νe,µ,τ

Z0

e γ

e νe,µ,τ

¯νe,µ,τ

Inne potencjalnie istotne procesy:

4

Bremmstrahlung (widmo nieznane)

5

Rekombinacja (proces nieuwzględniany)

(14)

Procesy termicznej emisji neutrin

Trzy klasyczne procesy termiczne:

1

Anihilacja par e + e :

e+

e νe,µ,τ

¯νe,µ,τ

Z0

e+

e νe,µ,τ

¯νe,µ,τ

Z0

2

Rozpad plazmonu:

γ e

+

e Z0

ν¯e,µ,τ

νe,µ,τ

γ e+ e

Z0 ν¯e,µ,τ

νe,µ,τ

3

Fotoprodukcja neutrin:

Z

0

e γ

e νe,µ,τ

¯νe,µ,τ

Z0

e γ

e νe,µ,τ

¯νe,µ,τ

Inne potencjalnie istotne procesy:

4

Bremmstrahlung (widmo nieznane)

5

Rekombinacja (proces nieuwzględniany)

(15)

Procesy termicznej emisji neutrin

Trzy klasyczne procesy termiczne:

1

Anihilacja par e + e :

e+

e νe,µ,τ

¯νe,µ,τ

Z0

e+

e νe,µ,τ

¯νe,µ,τ

Z0

2

Rozpad plazmonu:

γ e

+

e Z0

ν¯e,µ,τ

νe,µ,τ

γ e+ e

Z0 ν¯e,µ,τ

νe,µ,τ

3

Fotoprodukcja neutrin:

Z

0

e γ

e νe,µ,τ

¯νe,µ,τ

Z0

e γ

e νe,µ,τ

¯νe,µ,τ

Inne potencjalnie istotne procesy:

4

Bremmstrahlung (widmo nieznane)

5

Rekombinacja (proces nieuwzględniany)

(16)

Procesy termicznej emisji neutrin

Trzy klasyczne procesy termiczne:

1

Anihilacja par e + e :

e+

e νe,µ,τ

¯νe,µ,τ

Z0

e+

e νe,µ,τ

¯νe,µ,τ

Z0

2

Rozpad plazmonu:

γ e

+

e Z0

ν¯e,µ,τ

νe,µ,τ

γ e+ e

Z0 ν¯e,µ,τ

νe,µ,τ

3

Fotoprodukcja neutrin:

Z

0

e γ

e νe,µ,τ

¯νe,µ,τ

Z0

e γ

e νe,µ,τ

¯νe,µ,τ

Inne potencjalnie istotne procesy:

4

Bremmstrahlung (widmo nieznane)

5

Rekombinacja (proces nieuwzględniany)

(17)

Procesy słabe jądrowe (tzw. „new URCA”)

e

+

+ (A, Z −1) −→ (A, Z ) + ¯ ν

e

ν

e

+ e

+

+ (A, Z −1) ←− (A, Z )

e

+ (A, Z ) −→ (A, Z −1) + ν

e

¯

ν

e

+ e

+ (A, Z ) ←− (A, Z −1)

λ p (E ν ) =

N

max

X

i ,j =1

(2J i + 1)e

kTEi

G (N, Z , kT ) λ p ij E ν 2 (Q ij ± E ν ) 2

1 + exp  ±E

ν

±Q kT

ij

±µ 

Θ p , p = ε ± , β ±

Problem policzenia widma ν eν e ) jest koncepcyjnie prosty, ale

potrzebujemy ogromnej ilości danych jądrowych:

1

Masy nuklidów

2

Poziomy energetyczne E i oraz ich spiny J i

3

szybkości przejść słabych λ ij pomiędzy poziomami wzbudzonymi

4

składu izotopowego materii (z wyjątkiem NSE)

Pełne dane eksperymentalne dotyczą głównie jąder stabilnych w warunkach

laboratoryjnych. Dla pozostałych często nie znamy nawet masy i T

1/2

.

(18)

Procesy słabe jądrowe (tzw. „new URCA”)

e

+

+ (A, Z −1) −→ (A, Z ) + ¯ ν

e

ν

e

+ e

+

+ (A, Z −1) ←− (A, Z )

e

+ (A, Z ) −→ (A, Z −1) + ν

e

¯

ν

e

+ e

+ (A, Z ) ←− (A, Z −1)

λ p (E ν ) =

N

max

X

i ,j =1

(2J i + 1)e

kTEi

G (N, Z , kT ) λ p ij E ν 2 (Q ij ± E ν ) 2

1 + exp  ±E

ν

±Q kT

ij

±µ 

Θ p , p = ε ± , β ±

Problem policzenia widma ν eν e ) jest koncepcyjnie prosty, ale

potrzebujemy ogromnej ilości danych jądrowych:

1

Masy nuklidów

2

Poziomy energetyczne E i oraz ich spiny J i

3

szybkości przejść słabych λ ij pomiędzy poziomami wzbudzonymi

4

składu izotopowego materii (z wyjątkiem NSE)

Pełne dane eksperymentalne dotyczą głównie jąder stabilnych w warunkach

laboratoryjnych. Dla pozostałych często nie znamy nawet masy i T

1/2

.

(19)

Procesy słabe jądrowe (tzw. „new URCA”)

e

+

+ (A, Z −1) −→ (A, Z ) + ¯ ν

e

ν

e

+ e

+

+ (A, Z −1) ←− (A, Z )

e

+ (A, Z ) −→ (A, Z −1) + ν

e

¯

ν

e

+ e

+ (A, Z ) ←− (A, Z −1)

λ p (E ν ) =

N

max

X

i ,j =1

(2J i + 1)e

kTEi

G (N, Z , kT ) λ p ij E ν 2 (Q ij ± E ν ) 2

1 + exp  ±E

ν

±Q kT

ij

±µ 

Θ p , p = ε ± , β ±

Problem policzenia widma ν eν e ) jest koncepcyjnie prosty, ale

potrzebujemy ogromnej ilości danych jądrowych:

1

Masy nuklidów

2

Poziomy energetyczne E i oraz ich spiny J i

3

szybkości przejść słabych λ ij pomiędzy poziomami wzbudzonymi

4

składu izotopowego materii (z wyjątkiem NSE)

Pełne dane eksperymentalne dotyczą głównie jąder stabilnych w warunkach

laboratoryjnych. Dla pozostałych często nie znamy nawet masy i T

1/2

.

(20)

Procesy słabe jądrowe (tzw. „new URCA”)

e

+

+ (A, Z −1) −→ (A, Z ) + ¯ ν

e

ν

e

+ e

+

+ (A, Z −1) ←− (A, Z )

e

+ (A, Z ) −→ (A, Z −1) + ν

e

¯

ν

e

+ e

+ (A, Z ) ←− (A, Z −1)

λ p (E ν ) =

N

max

X

i ,j =1

(2J i + 1)e

kTEi

G (N, Z , kT ) λ p ij E ν 2 (Q ij ± E ν ) 2

1 + exp  ±E

ν

±Q kT

ij

±µ 

Θ p , p = ε ± , β ±

Problem policzenia widma ν eν e ) jest koncepcyjnie prosty, ale

potrzebujemy ogromnej ilości danych jądrowych:

1

Masy nuklidów

2

Poziomy energetyczne E i oraz ich spiny J i

3

szybkości przejść słabych λ ij pomiędzy poziomami wzbudzonymi

4

składu izotopowego materii (z wyjątkiem NSE)

Pełne dane eksperymentalne dotyczą głównie jąder stabilnych w warunkach

laboratoryjnych. Dla pozostałych często nie znamy nawet masy i T

1/2

.

(21)

Procesy słabe jądrowe (tzw. „new URCA”)

e

+

+ (A, Z −1) −→ (A, Z ) + ¯ ν

e

ν

e

+ e

+

+ (A, Z −1) ←− (A, Z )

e

+ (A, Z ) −→ (A, Z −1) + ν

e

¯

ν

e

+ e

+ (A, Z ) ←− (A, Z −1)

λ p (E ν ) =

N

max

X

i ,j =1

(2J i + 1)e

kTEi

G (N, Z , kT ) λ p ij E ν 2 (Q ij ± E ν ) 2

1 + exp  ±E

ν

±Q kT

ij

±µ 

Θ p , p = ε ± , β ±

Problem policzenia widma ν eν e ) jest koncepcyjnie prosty, ale

potrzebujemy ogromnej ilości danych jądrowych:

1

Masy nuklidów

2

Poziomy energetyczne E i oraz ich spiny J i

3

szybkości przejść słabych λ ij pomiędzy poziomami wzbudzonymi

4

składu izotopowego materii (z wyjątkiem NSE)

Pełne dane eksperymentalne dotyczą głównie jąder stabilnych w warunkach

laboratoryjnych. Dla pozostałych często nie znamy nawet masy i T

1/2

.

(22)

Średnie energie neutrin dla kompilacji FFN

(23)

Średnie energie neutrin dla kompilacji FFN

(24)

Średnie energie neutrin dla kompilacji FFN

(25)

Średnie energie neutrin dla kompilacji FFN

(26)

Średnie energie neutrin dla kompilacji FFN

(27)

Średnie energie neutrin dla kompilacji FFN

(28)

Średnie energie neutrin dla kompilacji FFN

(29)

Średnie energie neutrin dla kompilacji FFN

(30)

Średnie energie neutrin dla kompilacji FFN

(31)

Średnie energie neutrin dla kompilacji FFN

(32)

Emisja termiczna gwiazdy o masie 15 M

(33)

Całkowita emisja termiczna gwiazdy o masie 15 M

100 yr 10 yr 1 yr 100d 10d 1d 3h 1h 10m time BC

0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

EΝ@MeVD

s15

100 yr 10 yr 1 yr 100d 10d 1d 3h 1h 10m time BC

47 48 49 50 51 52

logNΝ@s-1D

s15

2 3 4 5 6 7

logF͞1kpc@s-1cm-2D

(34)

Emisja termiczna gwiazdy o masie 15 i 25 M

(35)

Całkowita emisja termiczna gwiazdy o masie 15 i 25 M

100 yr 10 yr 1 yr100d 10d 1d 3h 1h 10m

time BC

47

48

49

50

51

52

log N

Ν

@s

-1

D

s15

2

3

4

5

6

7

log F

Ν

ž 1 kpc @s

-1

cm

-2

D

(36)

Całkowita emisja termiczna gwiazdy o masie 15 i 25 M

100 yr 10 yr 1 yr100d 10d 1d 3h 1h 10m

time BC

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

E

Ν

@MeV D

s15

(37)

Emisja termiczna gwiazdy o masie 15 M

(38)

Emisja termiczna gwiazdy o masie 25 M

(39)

Y e gwiazdy o masie 15 i 25 M

(40)

Emisja 56 Fe (ν e ) gwiazdy o masie 15 M

(41)

Emisja 56 Fe (¯ ν e ) gwiazdy o masie 15 M

(42)

Emisja ν e & ¯ ν e gwiazdy o masie 15 M

(43)
(44)

Oparta o H 2 O detekcja ¯ ν e

Rys. M. Nakahata (NNN05)

genialnie prosta metoda

detekcji ¯ ν e o energii

hE ν ¯

e

i > 1.8 MeV

0.2% GdCl 3 daje 90%

efektywność wychwytu

neutronu w H 2 O

ułamek kosztu całego

detektora $5/kg

skalowalna do Mt

Ogromne zainteresowanie fizyków,

astrofizyków, geofizyków oraz IAEA !

(45)

Geoneutrina & (geo?)reaktory vs pre-supernova

Wspólny mianownik: detekcja ¯ ν e dla hE ¯ ν

e

i ∼ 2 . . . 6 MeV

1 2 3 4

Antineutrino energy @MeVD

10

3

10

4

10

5

10

6

10

7

Flux ž 1 kpc @cm

-2

s

-1

MeV

-1

D

3 hours

2 days

1 year

10 years

Potrzebujemy sygnału w zakresie energii pozbawionym tła!

(46)

Emisja termiczne versus rozpad β − 56 Fe

1 2 3 4 5 6

E

͏

e

@MeVD

10

32

10

34

10

36

10

38

10

40

10

42

10

44

10

46

10

48

L

͏ e

@erg s D

day

-1

year

-1

hour

-1

e

+

e

-

®Ν

e

 Ν

e

56

Fe

*

®

56

Co

*

+ e

-

+ Ν 

e

O

O

Si

Si

Ne

(47)

Detekcja neutrin z pre-supernowej jest możliwa!

Rys. A. Odrzywolek, „20 years after SN1987A” conference (2007)

(48)

Co dalej?

Udowodniliśmy, że detekcja neutrin z pre-supernowej jest możliwa dla

Betelgeuse i kilkunastu innych bliskich (d¬2 kpc) gwiazd.

Pytanie na dziś brzmi: jak to zrobić dla całej Galaktyki ???

(49)

Co dalej?

Udowodniliśmy, że detekcja neutrin z pre-supernowej jest możliwa dla

Betelgeuse i kilkunastu innych bliskich (d¬2 kpc) gwiazd.

Pytanie na dziś brzmi: jak to zrobić dla całej Galaktyki ???

(50)

Podsumowanie

Tzw. „astronomia neutrinowa” nadal nie wyszła poza Słońce i

SN 1987A

Brak informacji o widmie i możliwości rozdzielenia strumienia

neutrin termicznych i słabych na ν e , ¯ ν e , ν µ blokował rozważania

na temat detekcji innych źródeł

Rozwój astronomii neutrinowej jest bezpośrednio powiązany z

postępem technologicznym: LAGUNA (3 liquids), DUSEL

(deep underground lab), Hyper-K (10xSuper-K) ,

Borexino, SNO+ (low background), HANOHANO

(underwater), GADZOOKS! (gadolinium) i inne

Obserwacje pre-supernowych wydaja się być w zasięgu ręki

(51)

Podsumowanie

Tzw. „astronomia neutrinowa” nadal nie wyszła poza Słońce i

SN 1987A

Brak informacji o widmie i możliwości rozdzielenia strumienia

neutrin termicznych i słabych na ν e , ¯ ν e , ν µ blokował rozważania

na temat detekcji innych źródeł

Rozwój astronomii neutrinowej jest bezpośrednio powiązany z

postępem technologicznym: LAGUNA (3 liquids), DUSEL

(deep underground lab), Hyper-K (10xSuper-K) ,

Borexino, SNO+ (low background), HANOHANO

(underwater), GADZOOKS! (gadolinium) i inne

Obserwacje pre-supernowych wydaja się być w zasięgu ręki

(52)

Podsumowanie

Tzw. „astronomia neutrinowa” nadal nie wyszła poza Słońce i

SN 1987A

Brak informacji o widmie i możliwości rozdzielenia strumienia

neutrin termicznych i słabych na ν e , ¯ ν e , ν µ blokował rozważania

na temat detekcji innych źródeł

Rozwój astronomii neutrinowej jest bezpośrednio powiązany z

postępem technologicznym: LAGUNA (3 liquids), DUSEL

(deep underground lab), Hyper-K (10xSuper-K) ,

Borexino, SNO+ (low background), HANOHANO

(underwater), GADZOOKS! (gadolinium) i inne

Obserwacje pre-supernowych wydaja się być w zasięgu ręki

(53)

Podsumowanie

Tzw. „astronomia neutrinowa” nadal nie wyszła poza Słońce i

SN 1987A

Brak informacji o widmie i możliwości rozdzielenia strumienia

neutrin termicznych i słabych na ν e , ¯ ν e , ν µ blokował rozważania

na temat detekcji innych źródeł

Rozwój astronomii neutrinowej jest bezpośrednio powiązany z

postępem technologicznym: LAGUNA (3 liquids), DUSEL

(deep underground lab), Hyper-K (10xSuper-K) ,

Borexino, SNO+ (low background), HANOHANO

(underwater), GADZOOKS! (gadolinium) i inne

Obserwacje pre-supernowych wydaja się być w zasięgu ręki

(54)

Podsumowanie - c.d.

Wiedza i doświadczenie zebrane w trakcie projektu obliczenia

widma neutrinowego masywnej gwiazdy przekładają się

bezpośrednio na supernowe Ia, białe karły, rozbłyski

rentgenowskie, emisję z dysków akrecyjnych i innych obiektów

astrofizycznych

Realistyczne obliczenia widma neutrin z procesów słabych

wymaga uwzględnienia setek jąder np. obecne modele SNIa

∼400, X-bursts ∼1600 nuklidów

Rozbieżności dla niektórych z jąder sięgają 12 rzędów wielkości

Niewykluczone jest, że astronomia neutrinowa w przyszłości da

wyniki bardziej precyzyjne niz astrofizyka teoretyczna, SN-1987A

tylko rozpoczęła wyścig

(55)

Podsumowanie - c.d.

Wiedza i doświadczenie zebrane w trakcie projektu obliczenia

widma neutrinowego masywnej gwiazdy przekładają się

bezpośrednio na supernowe Ia, białe karły, rozbłyski

rentgenowskie, emisję z dysków akrecyjnych i innych obiektów

astrofizycznych

Realistyczne obliczenia widma neutrin z procesów słabych

wymaga uwzględnienia setek jąder np. obecne modele SNIa

∼400, X-bursts ∼1600 nuklidów

Rozbieżności dla niektórych z jąder sięgają 12 rzędów wielkości

Niewykluczone jest, że astronomia neutrinowa w przyszłości da

wyniki bardziej precyzyjne niz astrofizyka teoretyczna, SN-1987A

tylko rozpoczęła wyścig

(56)

Podsumowanie - c.d.

Wiedza i doświadczenie zebrane w trakcie projektu obliczenia

widma neutrinowego masywnej gwiazdy przekładają się

bezpośrednio na supernowe Ia, białe karły, rozbłyski

rentgenowskie, emisję z dysków akrecyjnych i innych obiektów

astrofizycznych

Realistyczne obliczenia widma neutrin z procesów słabych

wymaga uwzględnienia setek jąder np. obecne modele SNIa

∼400, X-bursts ∼1600 nuklidów

Rozbieżności dla niektórych z jąder sięgają 12 rzędów wielkości

Niewykluczone jest, że astronomia neutrinowa w przyszłości da

wyniki bardziej precyzyjne niz astrofizyka teoretyczna, SN-1987A

tylko rozpoczęła wyścig

(57)

Podsumowanie - c.d.

Wiedza i doświadczenie zebrane w trakcie projektu obliczenia

widma neutrinowego masywnej gwiazdy przekładają się

bezpośrednio na supernowe Ia, białe karły, rozbłyski

rentgenowskie, emisję z dysków akrecyjnych i innych obiektów

astrofizycznych

Realistyczne obliczenia widma neutrin z procesów słabych

wymaga uwzględnienia setek jąder np. obecne modele SNIa

∼400, X-bursts ∼1600 nuklidów

Rozbieżności dla niektórych z jąder sięgają 12 rzędów wielkości

Niewykluczone jest, że astronomia neutrinowa w przyszłości da

wyniki bardziej precyzyjne niz astrofizyka teoretyczna, SN-1987A

tylko rozpoczęła wyścig

(58)

Ważne referencje

Antineutrino detection:

J. F. Beacom and M. R. Vagins, Phys. Rev. Lett. 93, 171101 (2004)

J. G. Learned, White paper on Gigaton Array

Thermal neutrinos:

E. Braaten and D. Segel, Phys. Rev. D 48, 1478 - 1491 (1993)

S. Ratkovic, S. Dutta & M. Prakash, Phys. Rev. D 67, 123002 (2003)

S. Esposito et. al., Mod.Phys.Lett. A17 (2002) 491-502

Itoh et. al. series

M. Misiaszek et. al., Phys. Rev. D74, 043006 (2006)

Pre-supernova stars:

S. E. Woosley, A. Heger, T. A. Weaver, RMP 74, 1015 - 1071 (2002)

R. Hirschi, G. Meynet, A. Maeder, A&A 425, 649-670 (2004)

A. Odrzywołek, 20 years after SN1987A

Cytaty

Powiązane dokumenty