Leptoni. Reattore 150 MW, un antineutrino ogni E=10 MeV, 1020 al secondo. A una distanza d=10m

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1 Leptoni La scoperta diretta del anti/neutrino elettronico: reazione beta inversa: 1) serve un grosso flusso di antineutrini a causa delle piccolissime sezioni d'urto 2) distinguere questa reazione da un beta+ (separare il segnale dal fondo)...oppure: sfruttare il flusso di neutrini dei reattori nucleari + rilevare il neutrone, Reines and Cowan 1950 Reattore 150 MW, un antineutrino ogni E=10 MeV, 1020 al secondo. A una distanza d=10m Φ ~ 1020/4πd2 ~ 1013 cm-2sec-1 Una bomba (grosso flusso + segnale a impulso)!!

2 L'idea era rilevare eventi in coincidenza ritardata due fotoni da 0.5 MeV dall'annichilazione del positrone + un fotone da 9MeV emesso dal decadimento gamma di un nucleo di Cd usato per catturare il neutrone (prima pero' il neutrone deve essere rallentato tramite sacattering multipli con tempi dell'ordine del 10μs ). Nel caso di reattore acceso questi eventi sono statisticamente correlati (avvengono anche a reattore spento e costituiscono il fondo). Bersaglio Posto a una decina di metri dal nocciolo del reattore e a una decina di metri sottoterra per avere un po' di screening dai raggi cosmici Oltre a rilevare i neutrini, noto il flusso di neutrini e il n. di bersagli (protoni) si puo' la sezione d'urto misurata: σ ~ cm2 tipica dell'interazione debole

3 ...infatti proviamo ad usare regola d'oro di Fermi e costante di Fermi: σ~ G2 dn/de ~ per positroni relativistici e trascurando l'energia cinetica del neutrone prodotto G 2 E2 per E=1MeV e G~10-5 GeV cm2- molto vicino al valore sperimentale (vedi appunti), questo conferma l'esistenza di una nuova interazione che e' descritta dalla teoria di Fermi e che e' responsabile di decadimenti deboli del neutrone...muone... anche beta inverso (exe stima del mean free path). In realta' nei nuclei, la situazione si complica per l'esistenza di altri nucleoni (principio di esclusione di Pauli) e bisogna inoltre tener conto della variazione del momento angolare totale del nucleo: transizioni di Fermi, Gamow Teller, miste.

4 Fiorentini

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7 Un nuovo numero quantico: numero leptonico elettronico + a elettrone e neutrino - a positrone e antineutrino (le corrispondenti antiparticelle). In tutti i processi si conserva n(leptoni elettronici ) - n(antileptoni elettronici).

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9 Neutrino beam Scoperta del neutrino ed antineutrino muonico, conservazione del numero leptonico muonico Quanto deve essere lunga la decay pipe? Vita media del pi+ ~10-8 sec (nel CM), energia ~ 50 GeV, gamma ~ 350, L~ 1km

10 Tau lepton: scoperto a SLAC linear accelerator undetected particles Mass: 1.77 GeV, lifetime~ sec Negative charge, spin 1/2 La scoperta del tau porto' subito ad ipotizzare l'esistenza di un neutrino ad esso associato che fu poi scoperto nel 2000 dall'esperimento DONUT (tau neutrino beam from FermiLab ). Anche al tau si associa un numero leptonico conservato

11 Nota: i leptoni sono (da quello che ne sappiamo) particelle fondamentali. Leggi di conservazione del numero leptonico associato ad ogni famiglia. μ->e+γ sebbene conservi carica elettrica e spin violerebbe il n. leptonico di famiglia. Il muone e il tau non sono stati eccitati dell'elettrone (che implicherebbe una struttura interna dell'elettrone)! Famosa frase di Rabi alla scoperta del muone: e questo chi l'ha ordinato?! Universalita' leptonica: le sezioni d'urto per e+e-->e+e- o μ+μ- o τ+τ- sono uguali ad alta energia (per energia molto alte rispetto alla massa del tau): i tre leptoni si comportanto in modo analogo. Inoltre dalla regola di Sargent si puo' ricavare: Гτ/Γμ~ (mτ/mμ)5~ che da' una buona stima della vita media del tau tenendo conto della vita media del muone 2.2 μsec. Il tau ha branchig ratios simile per decadimento in leptoni elettronici e muonici (universalita' interazione debole). E' l'unico leptone a poter decadere in adroni (BR ~2/3) a causa della sua massa).

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13 I bosoni vettori dell'interazione debole...un salto nella fisica delle alte energie Diagrammi di Feynman: esprimono ampiezze di probabilita' per processi di scattering e decadimenti. Stati asintotici (particelle entranti e uscenti) +interazione mediata dallo scambio di particelle virtuali (off mass shell) p2 p1 q p3 p4 p1+p2=p3+p4 Conservazione del quadrimpulso Alcuni esempi di processi Quantum Electrodynamics (la piu' precisa delle teorie della fisica+paradigma per le interazioni fondamentali): Interazione: particelle scambiate, propagatori Elemento di matrice M per il Rutherford scattering scala come 1/q2 dove q e' il quadrimpulso (o trimpulso se non c'e' rinculo) trasferito portato dal fotone

14 time-> time-> Annichilazione elettrone positrone con creazione di coppia muone antimuone, particella scambiata:fotone (per le antiparticelle frecce opposte alla direzione di propagazione ) Diagramma che contribuisce al Compton scattering Vertici: contribuiscono con un fattore α1/2, conservazione di carica e quadrimpulso La teoria di Fermi per l'interazione debole non prevede bosoni di interazione come in QED (elementi di matrice proporzionali alla costante di Fermi)...esistono anche per l'interazione debole??...si, ma si vedono solo ad alte energie, bisogno di potenti acceleratori

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20 I bosoni W e W e Z dell'interazione debole W+ e W- sono stati scoperti al CERN 1983 tramite collisioni protone antiprotone (Sqrt(s) ~500 GeV), sono bosoni vettori (spin=1, come il fotone) massa M ~ 80 GeV, con carica elettrica +1 e -1. Il bosone Z0 e' neutro e con massa ~ 90 GeV.

21 Particelle estremamente instabili τ~ sec, viste come risonanze nelle sezioni d'urto Universalita' leptonica Nota la Z0 decade in coppie, come il fotone infatti e' parente del fotone

22 La moderna teoria dell'interazione debole (...solo cenni!) I bosoni dell'interazione debole sono particelle fondamentali e sono scambiati ed interagiscono con particelle fondamentali quarks e leptoni Correnti cariche Muon decay Neutron decay d->w-+u-> il W- a sua volta decade in e+antineutrino time-> u->w++d-> il W+ a sua volta decade in e++neutrino Intervengono anche nei processi di scattering: cattura di antineutrino da parte del protone. L'interazione debole permette alle famiglie di quarks di interagire direttamente con le famiglie di leptoni (non e' invece il caso dell'interazione forte.) time-> μ-> W-+νμ e successivo decadimento del bosone in elettrone antineutrino

23 Oltre a processi deboli leptonici (solo leptoni coinvolti nello stato iniziale e finale) e semileptonici (quarks e leptoni) ci sono anche processi deboli che coinvolgono solo interazioni deboli tra quarks. Ad ex: K0->π++πprocessi non-leptonici. Nota: interazione tra quark strani e up, l'interazione debole mischia le famiglie di quarks. Le correnti cariche, che coinvolgono i W sono caratterizzate dal passaggio di carica elettrica nei vertici. Il sapore, sia dei quark che dei leptoni non viene conservato a differenza di quello che succede con interazione forte ed elettromagnetica. Numero barionico, numero leptonico, carica elettrica e momento angolare vengono invece conservate. Qual'e' il ruolo della Z0? Questa particella venne predetta teoricamente da Salam Weinberg Glashow nel 1973 (per motivi di simmetria di gauge) e la conferma sperimentale della sua esistenza arrivo' 10 anni dopo.

24 Correnti neutre Non c'e' passaggio di carica elettrica nei vertici, ex scattering elastici annichilazioni... Time -> Lo scambio di una Z0 e' in competizione con lo scambio di un fotone la Z0 e' parente stretto del fotone ma ha una massa finita.

25 e la teoria di Fermi? Unificazione elettrodebole (appunti)

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