Kerne und Teilchen. Physik VI

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1 Kerne und Teilchen Physik VI Vorlesung # Guido Drexlin, Institut für Experimentelle Kernphysik Kaonen und Neutrinos - solare Neutrinoexperimente - atmosphär. Resultate - Neutrinomassen - ß-Zerfall & 0nßß-Suche Querverbindungen & Ausblick - Astroteilchenphysik n KIT University of the State of Baden-Württemberg and National Research Center of the Helmholtz Association

2 Neutrinostrahlen Beschleuniger-n-Experimente: - Target: Erzeugung von Pionen & Kaonen - magnetisches Horn: Fokussierung & Ladungsselektion - Zerfallstunnel: Pionzerfall p + µ + + n µ in Tunnel - Abschirmung: Absorption von Myonen und Hadronen - kurze Abstände: n s als Sonden für Proton, Kerne - große Abstände: Untersuchung von n-oszillationen Reaktor-n-Experimente: - Quelle: ß-Zerfälle von neutronenreichen Spaltprodukten _ - Fluss: ~10 21 n e /s bei 8 GW therm Leistung, F n (r) ~ 1 /r 2 astrophysikalische n-quellen: - Sonne: MeV n e aus der pp-fusion 4 p + 2 e - 4 He + 2 n e - Atmosphäre: GeV n µ, n e aus p + - µ + Zerfall im Verhältnis 2: G. Drexlin VL26

3 Neutrino-Oszillationen: Grundlagen n-oszillationen basieren auf Propagation der Massenzustände _ Flavourzustand Flavourzustand n µ Propagation der n-massenzustände L = 10 m km Wahrscheinlichkeit P für Flavour-Oszillation: _ n µ P( n µ n ) e sin 2 2 sin m 2 L E n n L n in km E n in GeV Abstand L n periodisches Auftauchen eines neuen Neutrinoflavourzustands G. Drexlin VL26

4 Neutrino-Oszillationen: L/E und m 2 Überdeckung des m 2 -Parameterbereichs mit unterschiedlichen Experimenten Ziele: - Bestimmung der Parameter m ij2, sin 2 2 ij - Nachweis des L n /E n Oszillations-Patterns - Identifikation der Flavourkanäle Flugstrecke L n / Neutrinoenergie E n G. Drexlin VL25

5 n-fluss [cm -2 s -1 MeV -1 ] Solare Neutrinos Energiespektren detaillierte theoret. Modellrechnungen zum solaren n-spektrum Grundgleichungen integraler Sonnen-n-Fluss: F n = / cm 2 s - hydrodynamisches Gleichgewicht pp - Energietransport: 7 Be Strahlung & Konvektion 7 Be - Energieerzeugung: pep pp-kernfusion (+CNO) - SSM: Standard- 8 B Sonnen-Modell Pionier des heutigen Standard- Sonnenmodells: John Bahcall ( ) G. Drexlin VL25 hep Neutrino-Energie [MeV]

6 n-fluss [cm -2 s -1 MeV -1 ] Solare Neutrinos 8 B Wasser-Cherenkov-Detektoren: real-time Nachweis von 8 B-n s Messung der spektralen Form, _ CC-Rate, NC-Rate, Tag-Nacht-Effekte, pp 7 Be 7 Be pep Super-Kamiokande 8 B SNO hep Neutrino-Energie [MeV] G. Drexlin VL25

7 n-fluss [cm -2 s -1 MeV -1 ] Solare Neutrinos 7 Be radiochemische Detektoren: Cl-37 n e + 37 Cl 37 Ar + e - (Q = 814 kev) Davis-Experiment Messungen über 3 Jahrzehnte: solares n-problem pp 7 Be 7 Be pep 8 B Ray Davis Nobelpreis 2002 hep Neutrino-Energie [MeV] G. Drexlin VL25

8 n-fluss [cm -2 s -1 MeV -1 ] Solare Neutrinos pp radiochemische Detektoren: Gallex & SAGE messen erstmals die pp-n s n e + 71 Ga 71 Ge + e - (Q = 233 kev) pp GALLEX 7 Be 7 Be pep 8 B hep SAGE G. Drexlin VL25 Neutrino-Energie [MeV]

9 Resultate der Sonnen-Neutrinoexperimente Solares Neutrinodefizit: alle Experimente (radiochemisch, realtime) auf der Basis von CC-Reaktionen zeigen ein signifikantes, schwellenabhängiges Defizit Sudbury Neutrino Observatory SNO das SNO-Experiment löst das solare Neutrino- Problem durch die erste Beobachtung einer NC Reaktion an 2 H (Deuteron): - die exp. NC Rate entspricht dem theoretischen SSM-Wert - solare n s oszillieren auf dem Flugweg vom Sonneninnern zur Erde in andere, nicht mit CC-Reaktionen nachweisbare Flavourzustände n µ, n t G. Drexlin VL26

10 Solare Neutrinos MSW Effekt solare n-oszillationen: durch die Analyse von allen Experimenten lässt sich der erlaubte Parameterbereich für 12 und m 2 12 eingrenzen MSW Effekt: für den speziellen Parameterbereich der Oszillation von solaren Neutrinos kommt des durch kohärente sin = 0.87 Streuung im Sonneninnern zu einer Verstärkung m 2 12 = ev 2 Sonnen n-fluss auf Erde: ~ 1/3 n e ~ 1/3 n µ ~ 1/3 n t MSW-Effekt Mikheyev, Smirnov, Wolfenstein: Materie beeinflusst Propagation/Oszillation n e e kohärente elastische ne-vorwärtsstreuung S.P. Mikheyev Alexej Y. Smirnov Lincoln Wolfenstein G. Drexlin VL25

11 KamLAND Resultate Überprüfung der Resultate der solaren n s mit Reaktorneutrinos im n e x disappearance Modus Gesamtleistung: 70 GW (~ 7 % der Weltenergie) im Abstand d = km, E n ~ 2 3 MeV _ Überlebenswahrscheinlichkeit P ee Beobachtung von 2 Oszillationszyklen P( n e x) sin 2 sin 1.27m L n /E n [km/mev] L E n n 1200m³ Nylon ball 3000m³ Stahl kugel 1 kt Flüssigszintillator 3200m³ Wasser-Cherenkov G. Drexlin VL26

12 Super-Kamiokande: Evidenz für Oszillation Super-Kamiokande findet den ersten Hinweis auf Physik jenseits des SM : Evidenz für Oszillationen von atmosphärischen Neutrinos! The New York Times Titelseite historische Folie von Takaaki Kajita Neutrino 1998 Konferenz in Takayama, Japan G. Drexlin VL25

13 Atmosphärische Neutrino-Oszillationen die Evidenz für die Oszillation von atmosphärischen n s basiert auf einer oben-unten Asymmetrie für hochenergetische Myon-Neutrinos: die nach oben laufenden n µ sind in n t oszilliert aus der Anpassung des beobachteten Winkelspektrums ergibt sich: - atmosphärische Neutrinos oszillieren maximal m 2 = ev 2 sin 2 2 = 1.02 bei der Auftragung von L n / E n zeigt sich ein Verhalten wie es für die Flavouroszillation erwartet wird G. Drexlin VL26

14 Long-Baseline Oszillationsexperimente long-baseline n-oszillations-experimente in Japan, USA & Europa: Überprüfung der Oszillation von atmosphärischen n s im Labor Long-Baseline Beschleuniger Experimente: Übersicht LB-n-Strahl Ort Entfernung Energie L/E Beginn Detektor Kanal K2K J 235 km 1.4 GeV ~ Super-Kamiokande n µ - x NuMI US 735 km 1-30 GeV MINOS n µ -n µ CNGS EU 732 km 30 GeV OPERA n µ - n t T2K J 295 km GeV 2010 Super-Kamiokande n µ - n e G. Drexlin VL25

15 10.4 Neutrino-Ruhemasse & ßß-Zerfall n-oszillationen (solare, atmosphärische, LBL n s): - Neutrinos sind massebehaftet! - Mischungswinkel ij - Differenz der Massenquadrate m 2 ij - keine Absolutskala der n-massen! G. Drexlin VL26

16 Neutrinomassen in der Teilchenphysik n-massen: wie groß ist m 1? quasi-degeneriertes Szenario quasi-degenerierte Massenmodelle hierarchisches Szenario hierarchische Massenmodelle G. Drexlin VL26

17 ß-Zerfall Energiespektrum ß-Zerfallskinematik am Endpunkt E 0 : modellunabhängige Messung von m(n e ) - basiert nur auf kinematischen Größen & Energieerhaltung di de C p( E m e ) ( E - E) ( E - E) - m F( E, Z) ( E - E - m ) i 0 i G 2 F m 2p 5 e 3 cos 2 M Observable m 2 (n e ): Elektron-n-Masse C 2 (n- Masse) 2 Fermi-Funktion F(E,Z) ( n e) ei mi i1 m U inkohärente Summe der Massenzustände m i ß-Quelle: Anforderungen kurze Halbwertszeit t ½ niedrige Endpunktsenergie E 0 übererlaubter/erlaubter Übergang einfache atomare/molekulare Struktur G. Drexlin VL26

18 ) ( ), ( ) ( ) ( ) ( d d i i e i m E E Z E F m E E E E m E p C E G. Drexlin VL26 ß-Zerfall Energiespektrum ß-Zerfallskinematik am Endpunkt E 0 : modellunabhängige Messung von m(n e ) - basiert nur auf kinematischen Größen & Energieerhaltung 3 H: über-erlaubt E kev t 1/ y

19 Neutrinomasse experimentelle Methoden Kinematik ß-Zerfall absolute n-masse: m n modellunabhängig Status: m n < 2.3 ev Potenzial: m n = 200 mev KATRIN, (MARE) Suche nach 0nßß eff. Majoranamasse m ßß modellabhängig (CP) Status: m ßß < 0.35 ev, Evidenz? Potenzial: m ßß = mev GERDA, EXO, CUORE Neutrinomassenexperimentelle Techniken Kosmologie Summe Sm i, HDM W n modellabhängig (Multiparameter) Status: Sm i < ev Potenzial: Sm i = mev Planck, Gravitationslinseneffekte G. Drexlin VL26

20 KATRIN Experiment - Überblick ultrapräzise ß-Spektroskopie von T 2 : - hochintensive molekulare Tritiumquelle mit ~10 11 Bq - hochauflösende elektrostatische Spektrometer mit E = 0.93 ev tritiumführende Komponenten elektrostat. Spektrometer & Detektor Sensitivität (90% CL) m(n) < 200 mev G. Drexlin VL26

21 Suche nach dem 0nßß neutrinobehafteter Doppelbetazerfall (2nßß): Prozess der schwachen Wechselwirkung in 2. Ordnung extrem geringe Reaktionsrate & lange Halbwertszeiten T ½ ~ Jahre, E 0 teilt sich auf 4 Leptonen auf - - ( Z, A) ( Z 2, A) e1 e2 n e,1 n e,2 bisher beobachtet in 9 Isotopen! ( Z, A) e - - ( Z 2, A) e1 2 2nßß 0nßß erste Beschreibung 2nßß: M. Goeppert-Mayer (1935) erste Beschreibung 0nßß: E. Majorana, G. Racah (1937) Energie [MeV] G. Drexlin VL26

22 Doppelbetazerfall 0nßß Mechanismus neutrinoloser ßß-Zerfall (0nßß): im Standardmodell verboten, da L = 2 (Leptonenzahlverletzung), 0nßß nur möglich falls _ Neutrino = Majoranateilchen (n = n) _ Vertex 1: Emission als RH Anti-Neutrino n e aus Neutron-Zerfall Vertex 2: Absorption als LH Neutrino n e an einem Neutron ausgetauschtes massebehaftetes Majorana-n = virtuelles Teilchen! p Emission n Austausch eines massebehafteten virtuellen Neutrinos 1 _ n R Spinflip n L e - e - Majorana-Neutrino n M Lorentz n n M L n R Absorption n 2 p CPT G. Drexlin VL26

23 Doppelbetazerfall Targetkerne Liste von ßß-Isotopen zur Suche nach 0nßß: Übergangs-Q-Wert & natürlicher Isotopenanteil ßß-Zerfall Q-Wert [MeV] Anteil [%] 48 Ca 48 Ti Ge 76 Se Se 82 Kr Zr 96 Mo Mo 100 Ru Pd 110 Cd Cd 116 Sn Sn 124 Te Te 130 Xe Xe 136 Ba Nd 150 Sm G. Drexlin VL26

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25 11. Querverbindungen & Ausblick seit wenigen Jahren: neue Arbeitsgebiete an der Schnittstelle von Kernphysik, Teilchenphysik, Astrophysik & Kosmologie Nukleare Astrophysik Schnittstelle von Kernphysik, Astrophysik & Kosmologie: - Nukleosynthese-Reaktionen - Quark Gluon Plasma Astroteilchenphysik Schnittstelle von Teilchenphysik, Astrophysik & Kosmologie: n-massen, kosmische Strahlung, dunkle Materie, n-astronomie, G. Drexlin VL24

26 Astroteilchenphysik - Definition Astroteilchenphysik = Verbindung zwischen Mikro- und Makrokosmos c 0 c 0 Astrophysik Kosmologie Teilchenphysik Astroteilchenphysik G. Drexlin VL26

27 Astroteilchenphysik - Definition Astroteilchenphysik = Verbindung zwischen Mikro- und Makrokosmos von den Quarks zum Kosmos 3 Quarks in einem Proton Galaxien im Kosmos G. Drexlin VL26

28 Zukünftige Fragestellungen G. Drexlin VL26

29 Stringtheorie & die Landscape Vakuumzustand der Stringtheorie: ~ unterschiedliche Vakua-Zustände als mögliche Erklärung des fine-tunings der Kopplungskonstanten? - Universum oder Multiversum? G. Drexlin VL26

30 Theorie (ITP, TTP) und Experiment (IEKP) KATRIN CMS AUGER CDF Kascade- Grande GridKa Lopes Edelweiss AMS-02 Super-Belle G. Drexlin VL26

31 Kerne & Teilchen es geht weiter endlich Semesterferien! Super-LHC, ILC, n-massen, CP & L-Verletzung, dunkle Materie, dunkle Energie, Leptogenese G. Drexlin VL26