Neutrinophysik. Prof. Dr. Caren Hagner Universität Hamburg

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1 Neutrinophysik Prof. Dr. Caren Hagner Universität Hamburg Überblick über Elementarteilchen Neutrinos: Eigenschaften Das Rätsel der solaren Neutrinos Neutrino Oszillationen Neutrinostrahlen

2 Aufbau der Materie: Atome Atom: m = m

3 Struktur der Atome Atomhülle: Elektronen - + Elektromagnetische Kraft: Austausch von Lichtteilchen (Photonen) Atomkern: m kleiner als Atom

4 Atomkern: Protonen und Neutronen Struktur der Atomkerne Struktur der Atomkerne p p p p p p p p p p p p p p p p p p n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n n Starke Kernkraft Starke Kernkraft

5 Struktur der Protonen und Neutronen Proton Neutron u d d d Gluonen u QUARKS! u

6 10-15 m e + q e - Anti-q g Struktur des Protons: 3 Valenzquarks, Seequarks, Gluonen Entdeckung des Gluons bei DESY (1979)

7 Fundamentale Teilchen Quarks: Leptonen: u d e

8 Zerfall des Neutrons - Geburt des Neutrinos Neutron Proton e d du v e Neutrino! Wolfgang Pauli (1930) u n p + e + ν e Verantwortlich für die Umwandlung des d-quarks in u-quark: schwache Kernkraft (elektroschwache Wechselwirkung)

9 Fundamentale Teilchen Quarks: Leptonen: u c t v e v μ v τ d s b e μ τ 3 Familien 3 Familien

10 Was wir noch nicht wissen: Warum gibt es 3 Familien? Woher kommen die Teilchenmassen? Higgs-Teilchen? Haben die Quarks (Leptonen) auch wieder eine Substruktur?... Kürzlich beantwortet: Haben die Neutrinos eine Masse?

11 Was hält die Materie zusammen? Die 4 Grundkräfte des Universums Gravitation Elektromagnetische Kraft Schwache Kraft Starke Kraft Graviton Photon W +, W -, Z 0 8 Gluonen Austauschteilchen = Vermittler der Kräfte

12 Woraus besteht das Universum? Ergebnisse von Experimenten in den letzten Jahren: 4% normale Materie (Quarks, Leptonen) 23% dunkle Materie 73% dunkle Energie

13 Neutrinos: Eigenschaften Keine elektrische Ladung: neutral (Fast) keine Masse: kleiner als Elektronenmasse Immun gegen starke Kernkraft Spüren nur die schwache Kernkraft!

14 Wie kann man ein Neutrino stoppen? v Neutrinos durchdringen die Erde, Auch die Sonne reicht nicht aus! nötig: Eisenblock der Länge 1 Lichtjahr = 9500 Milliarden km

15 trifft nicht! Neutrino Wechselwirkung Bestrahlte Fläche Atome im Target Wahrscheinlichkeit, dass Treffer ein Neutrino trifft: (gesamte rote Fläche) / (bestrahlte Fläche) Für Neutrino Reaktionen: σ oft kleiner als cm 2! Fläche σ = Wirkungsquerschnitt: Wenn getroffen -> dann Reaktion

16 Was passiert wenn Neutrino trifft? 1. Möglichkeit (langsame Neutrinos) Ga 71 Gallium Kern: 31 Protonen 40 Neutronen v e Ge Ga 71 Germanium Gallium Kern: Kern: Protonen Neutronen Atom verwandelt sich in anderes Element! z.b.: Gallium in Germanium Chlor in Argon

17 Was passiert wenn Neutrino trifft? 2.Möglichkeit (schnelle Neutrinos) v e e Atomkern Bruchstücke Atomkern wird zertrümmert Elektron ( oder Myon, Tauon) entsteht -> gut im Teilchendetektor zu sehen!

18 Was passiert wenn Neutrino trifft? 3.Möglichkeit v e e Atomkern Hüllenelektron wird rausgeschlagen -> gut im Teilchendetektor zu sehen!

19 Das Rätsel der solaren Neutrinos Energieerzeugung durch Kernfusion 4 p He 4 + 2e + 2v + Energie Temperatur: 15 Millionen o C epn v p p ep vn Energie braucht Jahre um an die Oberfläche zu kommen

20 Das Rätsel der solaren Neutrinos Energieerzeugung durch Kernfusion v 4 p He 4 + 2e + 2v + Energie v v Neutrinostrahlung entkommt sofort! = direkte Information aus dem Inneren der Sonne Auf die Erde treffen: 60 Milliarden Neutrinos pro cm 2 pro s v v

21 Wie kann man diese Neutrinos messen?

22 Problem für Neutrinodetektoren: Kosmische Strahlung

23 Abschirmung der Neutrinodetektoren vor kosmischer Strahlung In Bergwerken In Tunneln durch Gebirge Unter Wasser: Mittelmeer oder Baikalsee Unter Eis: Antarktis m Kosmische Strahlung wird abgeschirmt Neutrinos erreichen Detektor Detektor

24 Nachweis der Sonnenneutrinos (Nobelpreis 2002) 1500m tief Ergebnis: 615 Tonnen Perchloräthylen = Atome Cl 37 ν Raymond Davis Jr. Seit Cl Ar + e Nur Cl var halb so viele Sonnen-Neutrinos wie e erwartet! Alle 2 Tage: 1 Ar Atom erzeugt solares Neutrino Rätsel Nach 60 Tagen: Zählen der Argon Atome

25 Danach: Weltweite Suche! Experimente in: Europa: Gran Sasso Gebirge (Italien) Russland: Im Elbrus Gebirge Japan: Bergwerk Canada: Nickel Bergwerk

26 Super-Kamiokande Detektor (Japan) Sonnen -Neutrino Elektron Lichtkegel: Cherenkov-Strahlung Riesiger, unterirdischer Wassertank (Höhe ca. 45m): Tonnen Wasser An den Wänden: Lichtdetektoren

27 Super-Kamiokande Detektor (Japan)

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29 Photon Photo Multiplier Tubes (Lichtdetektoren) PMT e -

30 Neutrino Nachweis mit Cherenkov Strahlung

31 Super-Kamiokande Elektron Ereignis 50kt H 2 O Myon Ereignis PMTs

32 Neutrino Ereignis:

33 Die Sonne im Neutrino-Licht (Super-Kamiokande Detektor)

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35 Alle Experimente finden: Nur halb so viele Sonnen- Neutrinos wie erwartet! Was ist da los?

36 Neutrino-Oszillationen Quantenphysik: Falls Neutrinos Masse haben können sich Elektron-Neutrinos in Myon-Neutrinos verwandeln! Sonne erzeugt nur Elektron- Neutrinos v e v e v e v μ v e v μ Oszillationslänge Nachweis Detektor: Kann nur Elektron- Neutrinos sehen! L osz = 2.5E Lösung des vsolaren Neutrinorätsels: 2 ( m 2 m 2 ) E v = Energie des Neutrinos in MeV m 2 = Masse des schweren Neutrinos in ev m 1 = Masse des leichten Neutrinos in ev NEUTRINOS 1 haben damit MASSE L osz in m und oszillieren

37 Das OPERA Experiment: Oszillieren v μ in v τ? Start Juni 2008 Strahl von Myon-Neutrinos Erde OPERA Detektor: Kann Myon- und Tau-Neutrinos sehen CERN (Schweiz) Teilchenbeschleuniger 730km Neutrinostrahl Gran Sasso Gebirge (Italien)

38 3.5o

39 CERN Teilchenbeschleuniger Myon-Neutrinostrahl

40 Gran Sasso Untergrundlabor (Italien) 3 große Experimentierhallen Autobahn Rom-Teramo

41 1982 Man baute die Hallen so, dass sie genau auf das CERN ausgerichtet sind.

42 Neutrinos im OPERA Detektor: Kern Myon Myon-Neutrino Bruchstücke Tau-Neutrino Kern Tauon Tauon zerfällt in Myon!

43 Der OPERA Detektor Super Module 1 Super Module 2 τ μ X Target: Dort sollen die Neutrinos wechselwirken! Bleiziegel Spektrometer: Misst Geschwindigkeit und Vorzeichen von Myonen

44 1 mm v τ Bleiziegel (insgesamt ): v μ Abwechselnd 57 dünne Bleiplatten (1mm) und 56 Fotofilmschichten. = Insgesamt 2000 Tonnen Blei ν τ τ μ - Geladene Teilchen schwärzen den Film! Blei Hadrons Emulsions(Film)schicht

45 Nachweis des Tau-Neutrinos Nach 5 Jahren: Ereignisse

46 Was wir über Neutrinos wissen: Es gibt 3 Neutrino Arten: v e, v μ, v τ Neutrinos besitzen eine winzige Masse Neutrinos können sich ineinander umwandlen. Aber: Es gibt noch viele offene Fragen und Rätsel!