Einführung in die Kern- und Teilchenphysik II

Transkript

1 Einführung in die Kern- und Teilchenphysik II Vorlesung Neutrinoexperimente - Detektoren - Flavor - Oszillation

2 SNO - Sudbury Neutrino Observatory ω Nachweis solarer Neutrinos 1000 t schweres Wasser (D 2 0) CC ν e + d p + p + - e NC ν + d p + n + x ν x e ν x ν ES - e x ν ν ν µ ν τ Gestein SNO Detektor Betrieb in 2100 km Tiefe

3 SNO - Lage Creighton-Mine in Sudbury/Ontario (Kanada)

4 SNO - Lage Creighton-Mine in Sudbury/Ontario (Kanada) Gestein absorbiert fast alle Teilchen (z.b. Myonen aus der Höhenstrahlung), bis auf die Neutrinos

5 SNO - Detektor Wasserbehälter Photomultiplier (PMT, insg. 9600) Durchm. 8,5m Reinraum < 1000 Teilchen ab 1 µm pro m3

6 SNO - Detektor Photomultiplier außen Photomultiplier innen

7 SNO - Neutrinoreaktionen νe + d p + p + e Charge current reaction - cc nur νe, gute Messung des e- Energiespektrums (5-15 MeV) νx + d νx + p + n neutral current reaction nc alle ν-sorten wechselwirken gleich; Neutron + Kern -> γ -> Comptonelektron νe + e νe + e elastische Streuung geringe Statistik, aber gute Ortsauflösung

8 SNO - Rekonstruktion PMT Measurements - position - charge - time Reconstructed Event -event vertex -event direction -energy -isotropy

9 SNO - Datennahme 3 Phasen Neutronennachweis 1. reines D2O - gute cc Auflösung n + d t + γ... e (Eγ=6.3 MeV) 2. Salzbeigabe in D2O - verbesserte nc Auflösung 3. Neutral Current Detektoren - 3 He-Proportionalzähler im D2O Trennung von cc und nc für jedes Ereignis

10 SNO - Neutrinofluss (solare Neutrinos) 2001: Ergebnisse (der reinen D2O-Messung): Φ cc (ν e ) = 1.76 (stat.) (syst.) 10 6 cm 2 s Φ es (ν x ) = 2.39 (stat.) (syst.) 10 6 cm 2 s Φ nc (ν x ) = 5.09 (stat.) (syst.) 10 6 cm 2 s Fazit: Es kommt mehr als nur νe von der Sonne (Fusion: nur νe) Mögliche Erklärung: Neutrinooszillationen (Umwandlung von einer Neutrinosorte in die andere <--> Masse > 0) (SNO: erster Beweis für Oszillation 1998 Super-Kamiokande: erste Hinweise)

11 SNO - Neutrinofluss (solare Neutrinos) Alle Neutrinos sind da bzgl. der vorhergesagten Anzahl, allerdings haben 60-70% den falschen Flavor.

12 Solare Neutrinos - Theorie und Experiment Neutrinosorten scheinen sich ineinander umzuwandeln Oszillationen

13 Neutrino-Oszillation Übergangswahrscheinlichkeit (2 Flavors) P(ν e -> ν µ ) = sin 2 ( (t Δm 2 ) / (4 ħ E ν ) )sin2 ( 2 Θ m ) Δm 2 Massendifferenz Θ m Mischungswinkel Neutrinomasse Es gibt 3 Masseneigenzustände ν i : (Masse) 2 ν 3 ν 2 ν 1 Masse (ν i ) m i

14 Flavour Mixing bekannt aus dem Quarksektor seit mehr als 40 Jahren ν 2 Flavor Szenario 3 Flavor Szenario

15 Neutrino-Oszillationen (Mixing) Oszillationswahrscheinlichkeit: Ε in MeV, L in m Nenner: E*MeV*m Probability Distance source - detector mit Sensitivität in ev 2 unbekannte Parameter: sin 2 2Θ, Δm 2 Keine absolute Bestimmung der Neutrinomassen

16 Neutrino-Oszillationen Disappearance: Reduktion des Original-Flavors Appearance: Neuer Flavor (nicht von der Quelle) Oszillationen haben noch nicht begonnen Durchschnitt

17 Neutrino-Oszillationen: Neutrinoquellen Reaktoren Beschleuniger Radioaktivität Atmosphärische Neutrinos Sonne Supernova Big Bang

18 Atmosphärische Neutrinos

19 Oszillationsexperiment: Super-Kamiokande Ziele: - Studium solarer und atmosphärischer Neutrinos - Nachweis Protonzerfall - Entdeckung von Supernovae Lage des Detektors: In 1000 m Tiefe Moyumi Mine, Berg Kamioka (Japan) Prinzip: ν wechselwirkt mit e in Wassertank -> e erzeugt Cherenkovlicht, mit PMT detektieren

20 Oszillationsexperiment: Super-Kamiokande Atmosphärische Neutrinos Detector Cosmic ray p, He, ν µ à ν τ oscillation Detect down-going and up-going ν Cosmic ray p, He, Atmosphere 50 kt Wasser Cherenkov Detektor, bis zu PMT

21 Super-Kamiokande: Event-Klassen Fully Contained (FC) Partially Contained (PC) Stopping µ Through-going µ

22 Super-Kamiokande: Zenith Angle Distribution MC expectation Oscillation fit

23 Oszillationsexperimente: KamLAND Kamioka Liquid Scintillator Antineutrino Detector 1000 t Liquid scintillator Große Anzahl von Reaktoren um die Kamioka-Mine mit der größten Konzentration in einer Entfernung von 180 km. ν e + p e+ + n Beobachtung des e + Szintillationslichts

24 KamLAND: Resultate 2179 ± 89 Ereignisse erwartet ohne Oszillation, 1609 beobachtet S. Abe et al, arxiv (2008) LMA solution is correct

25 KamLAND: Resultate Beobachtung geologischer Neutrinos Geoneutrinos (besonders nach Abschaltung der Kernreaktoren) Entstehung in Zerfällen von Thorium und Uran in der Erdkruste und Mantel -> Bestätigung von Modellen des Erdinneren Suche nach neutrinolosen doppelten Beta-Zerfall ->Mayorana-Neutrinos Halbwertszeit > a

26 Borexino Boron Solar Neutrino Experiement 300 t Flüssig-Szintillator Gran Sasso, Italien Detektion von 7 Be Neutrinos aus der Sonne -> Fusionsprozess -> Oszillation (+Geoneutrinos, Supernovae)

27 Neutrinostrahlen an Beschleunigern NBB: monochromatische Neutrinos, geringer Fluss WBB: ganzes Energiespektrum von Neutrinos, grosser Fluss F. Eisele, Rep. Prog. Phys. 49, 233 (1986)

28 Oszillationsexperimente: MINOS Main Injector Neutrino Oscillation Search (Fermilab) Hauptproblem: Kenntnis des Neutrinoenergie-Spektrums am Experiment

29 MINOS 5.4 kt magnetized iron spectrometer Mine in Minnesota ( Far Detector ) Disappearance experiment Baseline: 732 km LE option chosen

30 MINOS: Resultate ) -1 Events (GeV MINOS Far Detector Far detector data No oscillations Best oscillation fit NC background Reconstructed neutrino energy (GeV) ) 2 ev -3 (10 2 Δm 2 =(2.43±0.13) x 10-3 ev 2 (68% C.L.) "m! MINOS Best Fit MINOS 90% MINOS 68% sin 2 (2!) Super-K 90% Super-K L/E 90% K2K 90%

31 Oszillationsexperimente: K2K KEK to Kamioka, Mozumi-Mine KEK (Tsukuba) Mittlere Neutrinoenergie: 1.4 GeV ν µ Disappearance Experiment Baseline: 235 km Betrieb

32 K2K: Detektoren SciBar detector Full active scintillator tracker CH target (9.38t fid. vol.) Muon range detector Scintillating fiber tracker water target (6t fid. vol.) CCQE identification Iron target (330t fid. vol.) beam monitor (momentum & direction.) water target ν beam 1kt water Cherenkov detector (25t fiducial volume)

33 K2K: Resultate Allowed regions Best fit parameters (in physical region) sin 2 2θ = 1.0 Δm 2 = (2.76 ± 0.36)x10-3 ev 2 Reconstructed E ν No oscillation Best fit point

34 Oszillationsexperimente: T2K (Tokai to Kamioka) Ziel: Oszillation ν µ -> ν e Messung von θ : 6 Ereignisse (2,5σ) 2013: Beobachtung der Oszillation (erstmalig) -> θ 13 sehr klein

35 CNGS Selbe Baseline wie Fermilab Soudan Strahl optimiert als Appearance Experiment ν τ

36 Daya Bay (Disappearance von ν e )

37 Daya Bay

38 OPERA

39 OPERA Herausforderung: massiver Detektor mit hoher Granularität um den Zerfalls-Kink zu sehen

40 OPERA: Blei-Emulsions-Target 10.2cm 2 emulsion layers (44 µm thick) glued onto a 200 µm plastic base 12.5cm 6.7m Wall prototype 52 x 64 bricks Emulsion films (Fuji) production rate ~8,000m 2 /month (206,336 brick ~150,000m 2 ) Lead plates (Pb + 2.5% Sb) requirements: low radioactivity level,emulsion compatibility, constant and uniform thickness

41 IceCube Amundsen-Scott Station, Antarktis am Südpol PMT Ziele: Quellen hochenergetische Neutrinos Gamma-Bursts <-> Neutrinos Dunkle Materie Neutrino-Oszillation

42 IceCube Energiebereich: bis ev Muon-Neutrinos: Ursprungsort Elektron-Neutrinos: Energiestudien 2012: erste kosmische Hochenergieneutrinos (Energie PeV) zwei Ereignisse ( Ernie und Bert ) 2013: weitere 26 Ereignisse mit Energien > 30 TeV