Neutrinos - Geheimnisvolle Teilchen aus dem All. Rolf Nahnhauer DESY Zeuthen

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1 Neutrinos - Geheimnisvolle Teilchen aus dem All Rolf Nahnhauer DESY Zeuthen

2 ν DIE RÄTSELHAFTE SANFTE MATERIE Rolf Nahnhauer JAHR DER PHYSIK

3 NEUTRINOS VOM ANFANG DER WELT: in jedem cm 3 des Raumes befinden sich ~330 Neutrinos aus dem Urknall vor Milliarden Jahren UNSICHTBARER NEUTRINO REGEN: jeder Mensch wird pro Sekunde von ~ Milliarden Neutrinos von der Sonne durchquert NEUTRINOS - VERBINDUNG ZUM ENDE ALLER TAGE : jeder Mensch erzeugt pro Sekunde ~4000 Neutrinos, die in den Kosmos abgestrahlt werden Rolf Nahnhauer JAHR DER PHYSIK

4 Warum sehen wir keine Neutrinos? Der menschliche Beobachtungsapparat ist entstanden, um die Überlebenschancen in der äußeren Welt zu verbessern, nicht um die Natur komplex zu erforschen Wir sehen nur geladene Teilchen bzw. deren elektromagnetische Strahlung Photo:: B.Koch Rolf Nahnhauer JAHR DER PHYSIK

5 Neutrinos sichtbar gemacht : Neutrale Teilchen nachweisbar durch Zerfälle in geladene Teilchen Erzeugung von geladenen Teilchen Rolf Nahnhauer JAHR DER PHYSIK

6 Wechselwirkungen von Materieteilchen Stärke Reichweite Teilchen Kernkraft cm Gluonen bindet Nukleonen im Atomkern Elektromagnetismus /r 2 Photonen Haushaltsphysik schwache Wechselwirkung cm W,Z-Bosonen Radioaktivitat, Neutrino-Ww. Gravitation /r 2 Gravitonen Newtons Apfel, Karussell Rolf Nahnhauer JAHR DER PHYSIK

7 Das Problem mit den vielen Nullen Dimensionen und Vorstellungsvermögen 80 Jahre = 2.5*10 9 sec = 2.5* sec = 2.5 Milliarden sec Mensch : m (Haar) m (Bergsicht) sec 2.5* sec Rolf Nahnhauer JAHR DER PHYSIK

8 Das Maschendraht-Experiment Messen mit dem richtigen Maßstab ä Rolf Nahnhauer JAHR DER PHYSIK

9 Welche Auflösung brauchen wir? Sichtbares Licht λ = nm λ = 197 MeV*fm/E E : Energie 1MeV = 10 6 ev 1fm = cm Rolf Nahnhauer JAHR DER PHYSIK

10 Ungewohnte Maßeinheiten : Energie : 1 ev = 1.6 * Joule 1MeV = 10 6 ev, 1GeV = 10 9 ev 60 Watt = 60 Joule/sec Masse : 1eV/c 2 = 1.8 * kg 1 Gramm = 5.6 * ev/c 2 Rolf Nahnhauer JAHR DER PHYSIK

11 Erster Blick in s Innere der Materie: Wilhelm Conrad Röntgen Nobelpreis für Physik xxxx Materie unterschiedlicher Dichte absorbiert unsichtbares Licht unterschiedlich Rolf Nahnhauer JAHR DER PHYSIK

12 Ein neues Phänomen : Radioaktivität Henry Bequerel 1896 Strahlen aus dem Atomkern α, β, γ Rolf Nahnhauer JAHR DER PHYSIK

13 Leere Atome : Ernest Rutherford 1911 Streuung von α-teilchen an Goldfolie kaum Ablenkung ATOMMODELL wirkliches Verhalten komplizierter QUANTEN- MECHANIK Rolf Nahnhauer JAHR DER PHYSIK

14 Die Energie Krise : Radioaktiver Zerfall : K1 K2 + X α: X = 4 He 2, β: X= e -??? Rolf Nahnhauer JAHR DER PHYSIK

15 Die Erfindung des Neutrinos I : Wolfgang Pauli 1930 X e - + ν ν - Eigenschaften Q = 0, µ ν = 0 D ν = 10 D γ 0 < m ν <m e s ν = 1/2 N ν = 1 Rolf Nahnhauer JAHR DER PHYSIK

16 Die Erfindung des Neutrinos II : Enrico Fermi Theorie des β-zerfalls Entdeckung des Neutrons durch Chadwick Atomkern: β-zerfall : n p p n n n p n p + e - + ν G F = 10-5 /m p 2 Rolf Nahnhauer JAHR DER PHYSIK

17 Neutrino-Durchdringungsvermögen N beob = σ N TD Φ ν λ w = 1/N av ρσ σ (vn pe - ) 6.4*10-44 (E/MeV) 2 cm 2 σ (vn µ - X) 0.7*10-38 (E/GeV)cm 2 σ : Wechselwirkungsstärke : Teilchen im Detektor N TD Φ ν : Neutrino Fluß N av : Avogadro-Zahl ρ : Dichte λ w : Wechselwirkungslänge Q=Sonne, D=Erde : λ w = 1.9*10 13 km 2 Lichtjahre 1.6 Milliarden Erdkugeln ννννννννννννννννννννννννννννννννννννννννννννννννννννννννννννννννννν Rolf Nahnhauer JAHR DER PHYSIK

18 Der Neutrino Nachweis : Cowan, Reines 1955 Savanah River Reaktor USA: ν ea /cm 2 sec in alle Richtungen Detektor: Club-Sandwich 2x200 l H 2 O + 40kg CdCl 2 3x1400l Flüssigszintillator ν ea p n e + e + e - γ γ ncd m γ 3.0 ± 0.2 Ereignisse/Stunde Rolf Nahnhauer JAHR DER PHYSIK

19 Der Teilchen Zoo : 1935 : γ, e -, e +, p, n 1955 : γ, e -, e +, p, n + µ, π, K,p anti, ν e anti 1965 : ~ 200 Elementarteilchen Ordnungsprinzip QUARKS Rolf Nahnhauer JAHR DER PHYSIK

20 Mehr als ein Neutrino? π µν (µ?) ν (µ?) n µp künstlicher Strahl 10 7 (ν (µ?) + ν a (µ?) ) beobachtet: 29 µ-ereignisse 6 e-ereignisse ν µ ν e Pontecorvo 1959 Schwartz,Steinberger, Lederman 1960/61 Rolf Nahnhauer JAHR DER PHYSIK

21 Die dritte Familie : 1977 : das τ - Lepton wird entdeckt : gibt es ein ντ??? Nachweis bisher nur indirekt e+e- τ+τ- 5πντ eντνea (ARGUS) Direkter Nachweis versucht in Beam Dump Experimenten (DONUT) Oszillations Experimenten (später) Bisher kein Ereignis berichtet Rolf Nahnhauer JAHR DER PHYSIK

22 Wie groß ist der Neutrino-Clan? Viele Methoden benutzt Kosmologie He 4, Li 7 /H Astrophysik SN 1987A Beschleuniger-Physik Genauester Wert heute LEP : N ν = ± Rolf Nahnhauer JAHR DER PHYSIK

23 Teilchen ohne Masse? Relativitätstheorie Einstein 1905 E = mc 2 = γ m 0 c 2 = ((pc) 2 + (m 0 c 2 ) 2 ) p = m 0 γv γ = 1/( (1- v 2 /c 2 )) E : Energie m : bewegte Masse m 0 : Ruhmasse p : Impuls v : Geschwindigkeit c : Lichtgeschwindigkeit wenn m 0 = 0 v = c Rolf Nahnhauer JAHR DER PHYSIK

24 Die Masse der Neutrinos : ν e : Endpunkt des β-spektrums von Tritium E n = m p + E e max + m ν m ν < 15 ev (3 ev) ν µ : m ν < 170 kev ν τ : m ν < 18 MeV Rolf Nahnhauer JAHR DER PHYSIK

25 Wie neutral sind Neutrinos? Ladung : Q = 0 β-zerfall : Q < e SN 1987 : Q < e Strenge Neutralität : Teilchen = Antiteilchen ν L = ν a L ν R = ν a R bisher nicht positiv nachgewiesen : Z Z-2 + 2e - + 0ν Rolf Nahnhauer JAHR DER PHYSIK

26 Chamäleon Neutrino Massenzustände Wechselwirkungszustände ν 1 ν 2 ν e ν µ Mischung ändert sich in Raum und Zeit Neutrino Oszillationen Rolf Nahnhauer JAHR DER PHYSIK

27 Wer ist wo und wann, was? P (ν µ ν e ) = sin 2 2θ sin 2 (1.27 m 2 L/E) θ : Mischungswinkel m 2 : m(ν 1 ) 2 -m(ν 2 ) 2, Oszillationen nur für m ν 0!!! L/E : Abstand zur Quelle/Energie Rolf Nahnhauer JAHR DER PHYSIK

28 Was sagen die Parameter sonst? Oszillationslänge: λ = 2.5 E/ m 2 wenn m 2 klein : Effekt nur bei großem L und/oder kleinem E Rolf Nahnhauer JAHR DER PHYSIK

29 Wo nachschauen : Quelle E min /MeV L max /m m 2 /ev 2 Sonne Atmosphäre Reaktor Beschleuniger Formalismus komplizierter für 3 Neutrinos Oszillationen in Materie : Komplikationen durch unterschiedliche Wechselwirkungen der Neutrino-Sorten Rolf Nahnhauer JAHR DER PHYSIK

30 Neutrino Fallen I : an Atomreaktoren CHOOZ : E=3MeV Detektor : L= 1km Szintillator + Gd Tiefe: 300 mwe ν ea +p e + +n verzögerte Koinzidenz finden 98±4% von Φ ν m 2 < 10-3 ev 2 Rolf Nahnhauer JAHR DER PHYSIK

31 Neutrino Fallen II an Beschleunigern CHARM II 800 t Glastarget ν µ e - ν µ e - prüfen Standardmodell CHORUS + NOMAD Suche nach ν µ ν τ bisher kein ν τ gefunden sin 2 2θ < 10-3, wenn m 2 groß Rolf Nahnhauer JAHR DER PHYSIK

32 Neutrino Fallen III für die Sonne GALLEX (30-60t) 71 Ga(ν e,e-) 71 Ge Atome zählen Rolf Nahnhauer JAHR DER PHYSIK

33 Neutrino Fallen IV für dieatmosphäre MACRO 76.6 m x 12 m x 9.3 m Tiefe: 3150 mwe Suche nach Spuren von der anderen Seite der Erde Rolf Nahnhauer JAHR DER PHYSIK

34 Die Neutrino Superfalle SUPERKAMIOKANDE Tank mit t H 2 O Tiefe: 2700 mwe SEV s (50cm) 1885 SEV s (20cm) e -,µ -: Cerenkov-Strahlung Sonnenneutrinos E e > 6 MeV messen Einfallsrichtung Atmosphären Neutrinos Rolf Nahnhauer JAHR DER PHYSIK

35 Neutrinos aus dem Sonnenkern Kernfusion im Sonnenzentrum bei 15 Millionen K ausgestrahlt werden : 2*10 38 ν s/sec auf der Erde treffen nach ~ 7.5 min ein : 40*10 9 ν s/cm 2 sec Rolf Nahnhauer JAHR DER PHYSIK

36 Wo bleiben die Sonnenneutrinos? Sehen den Neutrino-Sonnenschein unter hunderten von Metern von Gestein Aber in allen Experimenten scheint diese Sonne zu dunkel stimmt unser Sonnen-Modell? sind Neutrino-Oszillationen im Spiel? Rolf Nahnhauer JAHR DER PHYSIK

37 Neutrinos aus der Atmosphäre : In die Erde eindringen können ν s und µ s Quellen der Primärstrahlung sind nicht völlig geklärt Rolf Nahnhauer JAHR DER PHYSIK

38 Wo sind die atmosphärischen ν s? erwarten : Φ(ν µ ) = 2Φ(ν e ) finden nur die Hälfte der ν µ, wo ist der Rest? ν-oszillationen? Rolf Nahnhauer JAHR DER PHYSIK

39 Neutrino-Oszillationen nachgewiesen? ν - 98 Takayama, Japan Superkamiokande gibt die Entdeckung von Neutrino-Oszillationen bekannt Defizit von ν µ von jenseits der Erde wahrscheinlich : ν µ ν τ Rolf Nahnhauer JAHR DER PHYSIK

40 Detektor Neutrinos aus dem Weltall : Rolf Nahnhauer JAHR DER PHYSIK

41 Die Supernova 1987A : Optische Beobachtung : :37 Australien Neutrino Beobachtung : KAMIOKANDE, IMB, BAKSAN, Mt.BLANC ~ 25 Ereignisse Rolf Nahnhauer JAHR DER PHYSIK

42 Neuigkeiten von SN1987A Astrophysik : Sternentwicklung, z.b. T ~ 40 Mio K im Neutronenstern Teilchenphysik : m(ν e ) < 23 ev τ(ν e )/ m(ν e ) > 6*10 5 sec/ev c ν -c γ / c γ < 2*10-9 µ ν < µ B Q ν < e Rolf Nahnhauer JAHR DER PHYSIK

43 Neutrinos aus schwarzen Löchern E ν > ev wenige Ereignisse pro km 2 und Jahr brauchen Riesenteleskope BAIKAL im Wasser : NESTOR ANTARES im Eis : AMANDA ICECUBE Rolf Nahnhauer JAHR DER PHYSIK

44 AMANDA : Pinguine und Neutrinos Rolf Nahnhauer JAHR DER PHYSIK

45 AMANDAS erste Neutrinos : Rolf Nahnhauer JAHR DER PHYSIK

46 Neutrinos röntgen die Erde 1980 : Nedyalkov Notes on Neutrino Tomography Erkundung von Erdaufbau Lagerstätten Rolf Nahnhauer JAHR DER PHYSIK

47 Erste ν - Aufnahme gelungen! Weitere Projekte CERN - Gran Sasso Chikago - Minnesota 250 km Rolf Nahnhauer JAHR DER PHYSIK

48 Wissenschaft, wie weiter? DIE SUPPE AM KOCHEN HALTEN νν νν νν Dank an DESY Zeuthen (Computing, Exp. Support), CERN Photo, Rolf Nahnhauer JAHR DER PHYSIK