Physik der massiven Neutrinos

Transkript

1 Physik der massiven Neutrinos

2 Vorlesungstermine Vorlesung 1 MM Vorlesung 2 TS Vorlesung 3 JR Christi Himmelfahrt, Brückentag Vorlesung 4 JR Pfingstferien Fronleichnam, Brückentag Vorlesung 5 JR Vorlesung 6 TS Vorlesung 7 TS Panda Meeting Vorlesung 8 JR Vorlesung 9 JR Vorlesung 10 TS Exkursion zum Forschungszentrum Jülich? 2

3 Inhalt Einführung Paritätsverletzung in Betazerfall, und Helizität der Neutrinos Beschreibung und Eigenschaften von Neutrinos Solarneutrino Rätsel Energieerzeugung in Sterne Neutrinospektrum Homestake-Experiment Atmosphärische Neutrinos Neutrinooszillationen an Beschleunigern und Reaktoren Direkte Massenmessungen und doppelte Betazerfall Neutrinos in Kosmologie und Astrophysik

4 Aufbau der Sonne

5 Gleichungen des Stellar-Strukturs dp dr G M(r) 2 r dm(r) dr (r) 2 4 r (r) dl (r) (r) 4 r dr 2 Hydrostatisches Gleichgewicht Geometrie Energieerhaltung dt 3 (r) 2 3 L(r) dr 16 a cr T dt dr rad 1 conv 1 T dp P dr Energietransport Strahlung Konvektion

6 Ursprung von Solar-Neutrinos

7 Solar-Neutrino Energiespektrum

8 Das Solarneutrino-Problem Einige Experimente haben den Fluss von Solarneutrinos gemessen. Seit 1967 misst man mit Cl, und hat circa 1/3 der erwartete Rate gemessen. Ein Wasser-Cherenkov-Experiment in Kamioka, Japan, misst circa ½ der erwartete Rate in den Neutrinoenergiebereich wo sie empfindlich ist. Zwei neuere Detektoren mit Gallium (SAGE und GALLEX), haben eine niedrigere Energieschwelle und beobachten nur circa 60% der erwartete Rate. Die gemessene Rate ist nicht verträglich mit unsere Verständnis der Sonne. Die Abweichung zwischen der Neutrinorate und der Erwartung ist Energieabhängig. Es gibt zwei Möglichkeiten: Unser Verständnis der Sonne ist falsch. Es gibt aber keine gute Erklärung der gemessenen Neutrinorate Irgendwas passiert mit den Neutrinos zwischen Sonne und Erde und wir messen deshalb weniger als produziert wird.

9 Neutrino Messprinzipe Radiochemische Methode Nachweis der Radioaktive Reaktionsprodukte Nur empfindlich auf n e!! Elastische Streuung Nachweis der gestreuten Elektron Deuteron Aufbruch Nachweis der Nukleonen

10 Solar-Neutrinos: Das Davis- Experiment

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12 Das ARGON-MESSSYSTEM ist 1,5 km tief (4km Wasser- Äquivalent) und hat ein 400,000-Liter Cl Fass. Helium läuft durch die Fass um 37 Ar von 37 Cl hinaus zu transportieren. Die Sammeleffizienz wird gemessen durch die Hinzufügung von 36 Ar, einem seltenen, nicht-radioaktiven Argonisotop. Argon-Messsystem

13 Resultät des Davis-Experiments SNU : Solar Neutrino Units

14 Gallex Cl hat ein zu hohe Nachweisschwelle (~0.8 MeV) für pp-neutrinos (max MeV) Umwandlung in 71 Ge von Ga (0.23 MeV) 30 Tonnen Ga in 101 t GaCl 3 -HCl Lösung 71 Ge zerfällt wieder in 71 Ga durch Elektroneinfang mit Halbwertszeit von Tage Erwartung circa 129 SNU (gemes. 77±8)

15 LNGS - Gran Sasso Im Mittel unter 1400 m Gestein Etwas 4000 m Wasseräquivalent Faktor 10 6 Unterdrückung des Flusses von kosmischer Strahlung Hall B Hall C Gran Sasso underground lab

16 Super-Kamiokande Mozumi Mine 1000 m unter der Erde t reines Wasser Photomultiplier

17 Super-Kamiokande

18 Super-Kamiokande

19 Super-Kamiokande Beobachtet Cherenkov-Licht von n e e n e e Streuung Schwelle bei E e E n 5 MeV 8 B Neutrinos Anhäufung von Sonnen-Neutrinos bei Q Tage Beobachtungszeit: Ereignisse im Peak circa 46% des erwarteten SSM-Flusses

20 Bild der Sonne mit Neutrinos

21 Tag/Nacht-Variation Keine Tag/Nacht- Variation durch unterschiedliche Flugstrecken durch die Erde

22 Jahreszeit-Variation Es gibt kein Variation ausser was man erwartet aufgrund der Exzentrizität der Umlaufbahn der Erde

23 Energiespektrum

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25 Sudbury Neutrino Observatory (SNO)

26 SNO

27 Neutrino-Reaktionen in SNO t-kanal s-kanal

28 Messgrößen bei SNO

29 Fit der Spektren bei SNO

30 Ergebnisse von SNO

31 Ergebnisse von SNO

32 Solarneutrinos: Theorie - Experiment

33 Zwei Parameter Neutrino-Oszillationen werden durch zwei Parameter beschrieben: Mischungswinkel und Dm 2 P sin Dm L n n sin 4 E Allgemein:

34 Oszillationsparameter

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36 Reaktor-Neutrinos

37 Für Disappearance Experimente muss man ständig die Leistung von Kernkraftreaktoen über eine grosse Gebeit genau kennen! (u.a. Politische Probleme...)

38 Kamland

39 Messprinzip KAMLAND

40 Messergebnisse KAMLAND L/E Spektrum in Übereinstimmung mit Neutrino-Oszillation

41 Messergebnisse KAMLAND Starke, aber nicht maximale Mischung (im Gegensatz zu atmosphärischen Neutrinos: mehr dazu nächste Woche)