Enrique Arrieta Díaz Southern Methodist University Planetario de Bogotá Diciembre 19, 2015.

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1 Enrique Arrieta Díaz Southern Methodist University Planetario de Bogotá Diciembre 19, 2015

2  Vamos a aprender sobre neutrinos  ¿Por qué son importantes?  ¿Cómo se estudian los neutrinos?  Detalles sobre el experimento NOvA y su importancia para la ciencia 12/19/201515E. Arrieta Díaz, Planetario de Bogotá2

3 Radio Universo visible En esta imagen: Energía Oscura: 75% Materia Oscura: 20% Materia ‘Normal’: 5% 10 26 m 10 26 = 100’000’000’000’000’000’000’000’000 Un cero representa un order de magnitud 12/19/201515E. Arrieta Díaz, Planetario de Bogotá3

4 10 20 m Galaxia Radio Si una galaxia fuera del tamaño de un Renault 4… El universo visible sería del tamaño de Colombia 12/19/201515E. Arrieta Díaz, Planetario de Bogotá4

5 Estrella 10 8 m Radio Si una estrella fuera del tamaño de una partícula de polvo… Su galaxia sería del tamaño de Colombia 12/19/201515E. Arrieta Díaz, Planetario de Bogotá5

6 Animal 10 0 m Radio 12/19/201515E. Arrieta Díaz, Planetario de Bogotá6

7 10 -6 m 10 -6 = 0.000001 Si una célula fuera del tamaño de un Renault 4… El animal donde habita sería del tamaño de Colombia Radio 12/19/201515E. Arrieta Díaz, Planetario de Bogotá7

8 Si un átomo fuera del tamaño de un Renault 4… Una célula sería del tamaño de Bogotá Radio 10 -10 m protón Núcleo 12/19/201515E. Arrieta Díaz, Planetario de Bogotá8

9 12/19/201515E. Arrieta Díaz, Planetario de Bogotá9 Si el átomo fuera del tamaño de un estadio de fútbol… ¡El núcleo sería del tamaño del centro del campo! Toda la materia que conocemos está hecha de átomos, por lo tanto… ¡La materia es casi vacía! 12/19/201515E. Arrieta Díaz, Planetario de Bogotá9

10 Radio 10 -15 m Este viaje nos llevó por 40 órdenes de magnitud hasta llegar al extraño mundo de las partículas elementales 12/19/201515E. Arrieta Díaz, Planetario de Bogotá10

11 Todos los átomos están compuestos de quarks en el núcleo, y de electrones orbitando a su alrededor Las partículas elementales componen toda la materia normal Tanto quarks como electrones son fundamentales, es decir, no tienen estructura… Son energía hecha materia El Modelo Estándar explica como interactúan las partículas elementales entre sí Cómo se atraen, cómo se repelen… Cómo se crean, cómo se destruyen… El Modelo Estándar contiene, sin embargo, mas que quarks y electrones… 12/19/201515E. Arrieta Díaz, Planetario de Bogotá11

12 Bosones Quarks: -1/3 Quarks: +2/3 Leptones: -1 Neutrinos: 0 El Modelo Estándar es la teoría mas precisa jamás desarrollada por la humanidad Los resultados experimentales y sus predicciones teóricas concuerdan en 9 cifras decimales Cada quark viene en 3 colores La masa crece en las direcciones indicadas Y… ¿Qué pasa con la masa de los neutrinos? ¿Cómo se ordena? 12/19/201515E. Arrieta Díaz, Planetario de Bogotá12

13 Leptones: -1 Quarks: -1/3 Quarks: +2/3 Leptones: -1 Bosones Quarks: +1/3 Quarks: -2/3 Leptones: +1 Neutrinos: 0 Las partículas de antimateria tienen la misma masa que sus contra partes de matería, pero sus cargas eléctricas cambian de signo Este modelo incluye también antimateria - - + + Cuando una partícula de materia se encuentra con su contra parte de antimateria, toda su masa y energía se transforman en luz… ¡Se aniquilan! 12/19/201515E. Arrieta Díaz, Planetario de Bogotá13

14 Bosones Quarks: -1/3 Quarks: +2/3 Leptones: -1 Neutrinos: 0 Cada átomo en el universo, incluyendo nuestros átomos, están hechos de estas 3 partículas Transmite La interacción electromagnética La interacción fuerte (color) La interacción débil electrón up down fotones (luz) fotones (luz) gluones Responsable de: Imanes Cualquier cosa que involucre luz Mantiene los electrones alrededor de los protones en los átomos Mantiene juntas las moléculas Higgs Dota de masa a la mayoría de las partículas 12/19/201515E. Arrieta Díaz, Planetario de Bogotá14

15 Responsable de: desarmar “cosas” radioactividad Responsable de: mantener los quarks dentro de los núcleos Quarks: -1/3 Quarks: +2/3 Leptones: -1 Neutrinos: 0 Transmite La interacción electromagnética La interacción fuerte (color) La interacción débil 1 10 2 10 -4 Intensidad 12/19/201515E. Arrieta Díaz, Planetario de Bogotá15

16 Bosones Quarks: -1/3 Quarks: +2/3 Leptons: -1 Neutrinos: 0 Dentro del Modelo Estándar los neutrinos no tienen masa La interacción débil Los ν son observados a través de la interacción débil Corriente Neutra Corriente Cargada 12/19/201515E. Arrieta Díaz, Planetario de Bogotá16

17 Interacción electromagnética Interacción fuerte (color) Interacción débil 1 10 2 10 -4 Plomo (Pb) 10 16 m (un año luz) Neutrinos Su baja intensidad da como resultado que los neutrinos casi nunca interactúen con la materia Solo la mitad de los neutrinos incidentes serán “atrapados” por este ladrillo de plomo 12/19/201515E. Arrieta Díaz, Planetario de Bogotá17

18 12/19/201515E. Arrieta Díaz, Planetario de Bogotá18 Introducción al decaimiento de partículas Partícula inestable Propiedades iniciales Energía en reposo: M Momento: 0 Spin: 1 Carga: 0 Propiedades finales Energía en reposo: m’ Momento: p Spin: ½ Carga: +1 Propiedades finales Energía en reposo: m Momento: -p Spin: ½ Carga: -1 M > m + m’ ¡Conservación de Energía! ¡Conservación de Momento! ¡Conservación de Carga! ¡¡¡Conservación!!!

19 Decaimiento beta Energía en reposo del neutrón: 940 Energía en reposo del protón: 938 Energía en reposo del electrón: 0.5 El neutrón empieza en reposo El protón queda casi en reposo (pesado), v p El electrón se mueve muy rápido (liviano), v e Electrón y protón deben: siempre tener su misma velocidad, v p y v e Eso es… ¡¿Imposible!? 19 Velocidades observadas V e (predicción) 12/19/201515E. Arrieta Díaz, Planetario de Bogotá ¿Conservación de energía? ¿Conservación de momento? Debe existir una nueva partícula… W. PauliE. Fermi ¡Llamémosla neutrino! En la década de 1930 los físicos notaron que el decaimiento beta no… ¡Conservaba la energía ni el momento! n n p+p+ p+p+ e-e- e-e- Nunca la vamos a encontrar…

20 12/19/201515E. Arrieta Díaz, Planetario de Bogotá20 neutrón protón electrón Sin embargo, si hay 3 partículas al final: 0 = p p + p e + p ν ¡Las velocidades ya no están fijas! Con solo electrón y protón al final: Se deben mover en direcciones opuestas (v e y v p ): 0 = p p - p e En 1953 F. Reines y C. L. Cowan Jr. descubrieron el neutrino, confirmando la idea de Pauli

21 12/19/201515E. Arrieta Díaz, Planetario de Bogotá21 neutron proton electron However, if there are 3 particles at the end: 0 = p 1 + p 2 + p 3 With only electron & proton at the end they move back to back (only one speed): 0 = p - p Electrón Luz (Hidrógeno) ¡Las estrellas producen tantos neutrinos como luz! (Helio) ¡Las estrellas producen tantos neutrinos como luz! Mamá siempre dice: ¡No mires al sol directamente! ¡Las estrellas producen tantos neutrinos como luz! Mamá siempre dice: ¡No mires al sol directamente! ¿Por qué la luz quema los ojos pero los neutrinos no? Neutrón

22 ¿Por qué nos preocupan los neutrinos si casí nunca hacen nada? ¡Los suficientes para quemarnos las retinas! ¿Cuántos fotones del Sol (luz) serán detenidos por nuestros ojos en 5 segundos? 12/19/201515E. Arrieta Díaz, Planetario de Bogotá22 Aquí y ahora: 100 trilliones de neutrinos, la mayoría del Sol, pasan a través de nuestros cuerpos… ¡Cada segundo! ¿Cuántos neutrinos serán detenidos por nuestros cuerpos en nuestra vida? 2 Pues bien… Hay muchísimos neutrinos en el universo ¡Casi tantos como luz! Por esta razón los neutrinos influencian la historia y evolución del universo ¿Cómo..? Nadie está realmente seguro… ¡Por eso es que se deben estudiar en detalle! Los neutrinos podrían responder las siguientes preguntas: ¿Qué pasó justo después del Big Bang? ¿Por qué hay galaxias? ¿Y estrellas? ¿Y planetas? Y… ¿Vida? ¿Por qué hay algo en el universo en vez de nada? : ¿Qué pasó justo después del Big Bang? ¿Por qué hay galaxias? ¿Y estrellas? ¿Y planetas? Y… ¿Vida? ¿Por qué hay algo en el universo en vez de nada? Tal como lo argumentan las teorías hoy aceptadas

23 12/19/201515E. Arrieta Díaz, Planetario de Bogotá23 Primero… ¡Hay que atraparlos! ¿Cómo se atrapan? Debemos construir detectores gigantezcos (“cámaras de neutrinos”) O… Construir detectores relativamente pequeños, pero ponerlos muy cerca de la fuente de neutrinos… ¿Una estrella? ¡Demasiado costoso! ¿Qué tal un reactor nuclear?

24 Empecemos con el detector Super Kamiokande El Super Kamiokande detecta neutrinos que vienen del Sol ¿Qué tan grande es “gigantezco”? Su superficie interna está cubierta con grandes tubos que captan luz, los “ojos” del detector 12/19/201515E. Arrieta Díaz, Planetario de Bogotá24 Vive en Japón 960 metros bajo tierra… 40 m Su diámetro es muy similar a su altura Lleno con 50 mil toneladas de agua pesada ¿Creen que esto es grande?

25 Un nombre “cool” para un detector de neutrinos… ¿Por qué se llama así? Los hueco son hechos usando agua caliente Presentando: Ice Cube Ice Cube detecta neutrinos ultra rápidos de otros objectos en el universo Bueno… ¡Vive justo en el Polo Sur! 12/19/201515E. Arrieta Díaz, Planetario de Bogotá25 Además… Es un gigantezco cubo de hielo Algunos dentro de nuestra propia galaxia Algunos vienen de galaxies very far away… ¿Gigantezco, no? Basicamente el detector es el hielo del Polo Sur Cada uno de esos huecos cilíndricos tiene un cable que sostiene los “ojos” del detector

26 12/19/201515E. Arrieta Díaz, Planetario de Bogotá26 Lets check out one of the little one Introducing the Daya Bay experiment’s detectors They live in the south of China It is a complex of more than one detector Some of the detectors are: within 600 ft from the source 17 ft These detectors “see” neutrinos from de Daya Bay nuclear reactor

27 12/19/201515E. Arrieta Díaz, Planetario de Bogotá27 ¿Cómo se “ven” los neutrinos con esos detectores? ¿Cómo “luce” un neutrino? En realidad no se pueden ver ¡Son partículas fantasma! ¡Los físicos de partículas son como investigadores de CSI! Estudian las evidencias dejadas en la “escena del crimen” Partículas como este electrón se crean después de interacciones, o choques, de neutrinos con núcleos atómicos en el material del detector Partículas como este electrón crean corrientes eléctricas o destellos de luz que los detectores leen u observan Luego esa información es digitalizada y traducida a un formato que los científicos pueden leer

28 12/19/201515E. Arrieta Díaz, Planetario de Bogotá28 ¿Recuerdan aquellas leyes de conservación que mencionamos al principio? Las interacciones de neutrinos con la materia de los detectores siguen estas leyes conservación Los físicos usan la información obtenida por los sistemas de detección, junto con las leyes de conservación, para descubrir la vida secreta de los neutrinos ¿Qué propiedades secretas tienen los neutrinos? Cosas como: carga eléctrica Things like: su masa Things like: si ellos se pueden “ver” a si mismos en un espejo Things like: ¿Son su propia antipartícula? Things like: y muchas otras… Se sabe que es cero ¿Se sabe esto ya? ¡Tal vez no! Materia de investigación…

29 12/19/201515E. Arrieta Díaz, Planetario de Bogotá297/8/15E. Arrieta Díaz29 neutron proton electron However, if there are 3 particles at the end: 0 = p 1 + p 2 + p 3 With only electron & proton at the end they move back to back (only one speed): 0 = p - p Electrón Luz (Hidrógeno) El Sol produce solo neutrinos electrónicos Cuando estos neutrinos son detectados ellos producen un electrón dentro del detector (Helio) Neutrino Electrónico Neutrón

30 12/19/201515E. Arrieta Díaz, Planetario de Bogotá30 Durante el siglo XX los científicos buscaron neutrinos electrónicos del Sol ¡Y los encontraron! En realidad… No encontraron todos los que deberían encontrar Si el modelo que explica cómo funciona el Sol estaba bien, entonces solo se estaban observando un tercio de los neutrinos que se esperaban… ¿Estaba este modelo equivocado? ¿O hacen los neutrinos algunas locuras? Los físicos teóricos desarrollaron una idea en la cual los 3 neutrinos oscilaban entre si Las oscilaciones tienen un detalle…¡Los neutrinos deben tener masa! Si tienen masa… ¡El Modelo Estándar requiere una extensión!

31 12/19/201515E. Arrieta Díaz, Planetario de Bogotá31 No hay certeza sobre lo que es el tiempo en realidad, sin embargo algo cierto es que el paso del tiempo implica algún tipo de cambio Como sí hay oscilaciones…¡Los neutrinos tienen masa! De tal modo que… ¡El Modelo Estándar requiere una extensión! Oscilaciones implican cambio, por lo tanto, para que algo oscile, el tiempo debe correr… Partículas sin masa, como la luz…¡No perciben el paso del tiempo! Si el tiempo no pasa, no hay cambio… Sin cambio no hay oscilación… Pero…

32 Al final del siglo XX el Super Kamiokande observó un número de neutrinos muónicos del Sol muy similar al número de neutrinos electrónicos 12/19/201515E. Arrieta Díaz, Planetario de Bogotá32 Antes del Super Kamiokande, los físicos solo habían observado neutrinos electrónicos del Sol El Super Kamiokande tiene la capacidad de detectar muones Cuando un neutrino muónico interactúa con la materia dentro del detector… ¡Se produce un muón! Pero si el Sol solo produce neutrinos electrónicos… 1/3 de los neutrinos esperados del Sol aparecieron como: neutrinos electrónicos 1/3 of the expected neutrinos from the Sun were showingneutrinos muónicos Los neutrinos tauónicos son difíciles de observar, pero asumamos que ellos completan la ecuación… ¡Encontramos que los neutrinos oscilan! Si esto es cierto, los neutrinos… ¡Tienen masa! El Modelo Estándar necesita una revisión, y seguramente una extensión ¡Encontraron que los neutrinos oscilan! Por lo tanto, los neutrinos…

33 12/19/201515E. Arrieta Díaz, Planetario de Bogotá33 Estados propios de sabor  Existen dos formas para describir los estados propios de los neutrinos  Estados propios de masa: ν 1, ν 2, ν 3 ¿Cómo evoluciona en el tiempo un estado propio de sabor?

34 12/19/201515E. Arrieta Díaz, Planetario de Bogotá34 Estados propios de sabor  Existen dos bases para escribir los estados propios de los neutrinos  Estados propios de masa: ν 1, ν 2, ν 3 ¿Es el estado β el mismo estado α?

35 12/19/201515E. Arrieta Díaz, Planetario de Bogotá35 Caso mas simple: oscilación entre 2 estados (buena aproximación) Oscilación entre ν μ y ν e : Probabilidad Máximo de Probabilidad

36 12/19/201515E. Arrieta Díaz, Planetario de Bogotá36 Jerarquía de Masa ?

37  NuMI Off-axis ν e Appearance, NOνA  El centro de control del experimento es en Fermilab, a las afueras de Chicago  NuMI Off-axis ν e Appearance, NOνA  El centro de control del experimento es en Fermilab, a las afueras de Chicago  Mas de 200 científicos son miembros de la colaboración  Instituciones de Los Estados Unidos, El Reino Unido, Brasil, República Checa, Grecia, India y Rusia, son miembros de la colaboración  Harvard, Caltech, Michigan State, U. of Minnesota, Argonne Lab, Southern Methodist U., Czech Technical U., U. Of Delhi, U. Federal de Goias, U. of Sussex, J. Ins. For Nucl. R. Dubna, U. Of Athens, Stanford, entre otras Fermilab es el laboratorio de partículas mas importande del continente americano Es la casa del Tevatrón, el acelerador de partículas mas potente después del LHC Aquí se hacen estudios desde cosmología hasta partículas elementales NOνA es su experimento bandera, lo que lo hace el experimento de física mas importante del continente americano Recientemente Colombia se unió a la colaboración con la representación de la Universidad del Atlántico

38 38 810 km Ash River 12/19/201515E. Arrieta Díaz, Planetario de Bogotá

39 El far detector encuentra cuántos ν e aparecen en el rayo en su trayecto hacía Ash River como concecuencia de las oscilaciones El near detector encuentra cuántos ν e hay inicialmente en el rayo 39 Largo: 63 m Alto: 15 m Ancho: 15 m La estructura de PVC autosostenida mas grande del mundo Airbus A380 Largo: 14 m Alto: 4 m Ancho: 4 m 100 m bajo tierra 12/19/201515E. Arrieta Díaz, Planetario de Bogotá

40 4012/19/201515E. Arrieta Díaz, Planetario de Bogotá

41 4112/19/201515E. Arrieta Díaz, Planetario de Bogotá Los planos horizontales producen la vista lateral Los planos verticales producen la vista desde arriba Vista desde arriba Vista lateral

42 4212/19/201515E. Arrieta Díaz, Planetario de Bogotá Vista desde arriba Vista lateral Cada punto de color representa una sola celda

43 4312/19/201515E. Arrieta Díaz, Planetario de Bogotá7/8/1543 Esta línea azul representa un neutrino del rayo La orientación de la línea azul representa la dirección del rayo SIMULACION

44 E. Arrieta Díaz, Planetario de Bogotá7/8/1544 Luego de que el neutrino muónico interactúa con un átomo del detector se crea un muón El muón viaja por dentro del detector y a su paso va perdiendo energía al interactuar con los electrones de los átomos La interacción es por sus cargas eléctricas, es decir, electromagnética, por lo tanto se genera luz Recuerden que la energía se conserva: la que pierde el muón se la lleva la luz Esa luz la atrapa la fibra óptica y la lleva a los circuitos Cada ranura negra representa una celda, y el tamaño del rectángulo es proporcional a la energía que dejó el muón SIMULACION 12/19/20151544

45 E. Arrieta Díaz, Planetario de Bogotá7/8/1545 Esto es un histograma de energía Esto es un histograma de tiempo Cada una de estás imágenes es una “foto” El tiempo de exposición es de 500 millonésimas de segundo Este pico en el tiempo representa el número de celdas que recibieron energía del muon Otros instantes de tiempo en la foto no reciben tanta energía: es ruido de rayos cósmicos SIMULACION 12/19/20151545

46 4612/19/201515E. Arrieta Díaz, Planetario de Bogotá

47 4712/19/201515E. Arrieta Díaz, Planetario de Bogotá

48 4812/19/201515E. Arrieta Díaz, Planetario de Bogotá

49 4912/19/201515E. Arrieta Díaz, Planetario de Bogotá Esta es la huella dejada por partículas compuestas de quarks Para saber su energía se usa una técnica similar al muón Para saber la energía del neutrino que generó este evento se suman las energías reconstruidas ya mencionadas Esta es la traza dejada por un muón Para saber su energía se usa la información de las energías individuales depositadas en cada celda Entre otras cosas

50 5012/19/201515E. Arrieta Díaz, Planetario de Bogotá Este es el espectro de energías observadas por el Near Detector, en Fermilab Saber la energía de cada neutrino, y cuántos neutrinos tienen la misma energía, permite saber cúal es el contenido inicial de neutrinos muónico en el rayo Una vez los neutrinos salen de Fermilab, en su viaje hacia el Far Detector, van a cambiar de identidad, van a oscilar ν μ  e  ν μ  e

51 5112/19/201515E. Arrieta Díaz, Planetario de Bogotá Este es el espectro de energías observadas por el Far Detector, en Ash River El Far Detector está construido en el lugar donde la probabilidad de que es máxima Con base en lo observado por el Near Detector, si no existieran oscilaciones, el Far Detector debería observar el espectro de energía azul ν μ  e Sin embargo los datos muestran un déficit de neutrinos muónicos… ¿Qué se hicieron? Sin oscilaciones: 201 Con oscilaciones: 33

52 5212/19/201515E. Arrieta Díaz, Planetario de Bogotá Este es el espectro de energías observadas por el Far Detector, esta vez para neutrinos electrónicos Sin oscilaciones, y con los datos tomados con el Near Detector sobre neutrinos electrónicos, el número esperado de estos en el Far Detector es: 1 Los primeros resultados de NOνA favorecen la jerarquía normal Algoritmo Jerarquía LEM LID 5.9 5.6 2.3 2.2 Normal Invertida Número de eventos, predicción Con el fin de tener resultados redundantes NOνA tiene dos algoritmos diferentes para encontrar ν e 11 eventos 6 eventos Normal

53 5312/19/201515E. Arrieta Díaz, Planetario de Bogotá e-e- e + Mano derecha Mano izquierda ¡Estos dos universos son idénticos! Mano izquierda ¡No existen neutrinos derechos! Apliquemos la simetría Paridad (P) Apliquemos ahora la simetría Carga (C)  CP Mano derecha ¡Estos dos universos NO son idénticos! νeνe νeνe _ Apliquemos la simetría Paridad (P) NOνA puede establecer cuál de estos dos universos es el nuestro Mas violación CP Menos violación CP

54 5412/19/201515E. Arrieta Díaz, Planetario de Bogotá Jerarquía Normal Jerarquía Invertida Los primeros resultados de NOνA favorecen este universo: Máxima violación CP NOνA tomará datos con el rayo NuMI en modo anti neutrinos para poder producir esta gráfica

55 5512/19/201515E. Arrieta Díaz, Planetario de Bogotá  ¿Qué consecuencias implica la violación CP de los neutrinos?  Antes del Big Bang no había nada: carga eléctrica = 0  Después del Big Bang, y por leyes de conservación, las cosas deben ser igual que antes: carga eléctrica = 0  Se crean iguales cantidades de materia y de antimateria  Si esto es cierto, después de un breve tiempo todo se aniquila, y lo que queda es solo luz…  Ese no es nuestro universo, el cual está poblado de materia, y donde no hay casi antimateria

56 5612/19/201515E. Arrieta Díaz, Planetario de Bogotá  Si la producción de neutrinos y la de antineutrinos es diferente, por la existencia de la violación CP, esto puede crear una diferencia entre las cantidades iniciales de materia y de antimateria  Si se crea un poco mas de materia que de antimateria, después de la aniquilación va a quedar una pequeña cantidad de materia sobrante  La Vía Láctea, el Sol, ustedes…  Hasta ahora no hay una razón sólida que explique por qué hay materia y casi no hay antimateria, pero si NOνA encuentra en los próximos 6 años que en realidad si hay violación CP, entonces habremos logrado explicar por qué estamos aquí  ¡Gracias a los neutrinos y sus vidas locas!

57 5712/19/201515E. Arrieta Díaz, Planetario de Bogotá  Los neutrinos son nuestros nuevos mejores amigos  Los neutrinos tienen masa, y el por qué aun no es conocido  Los primeros resultados de NOνA favorecen un ordenamiento normal de la masa de los neutrinos: antes no se tenía indicio alguno  Los primeros resultados de NOνA favorecen una violación máxima de simetría CP, lo que favorece la teoría que dice que poco después del Big Bang, la producción de neutrinos y de antineutrinos fue diferente  Son responsables de que estemos aquí hoy  Los neutrinos son la segunda partícula ‘normal’ mas abundante del universo, y han marcado la historia y la evolución del Cosmos

58 58 ¡Muchas gracias! earrietadiaz@smu.edu 12/19/201515E. Arrieta Díaz, Planetario de Bogotá https://www.facebook.com/novaexperiment/https://twitter.com/novaexperiment