Solare Neutrinos. Axel Winter RWTH-Aachen betreut von Prof. Flügge

Transkript

1 Solare Neutrinos Axel Winter RWTH-Aachen betreut von Prof. Flügge

2 Übersicht Solare Neutrinos: Erzeugung und Problematik Darstellung der experimentellen Detektionsmöglichkeiten Neutrinooszillation Zusammenfassung und Ausblick

3 Neutrinos: Übersicht der Eigenschaften Spin: ½ Masse: 0 (??) Geschwindigkeit: c (??) Verschiedene Flavors (v e,v µ,v τ ) Extrem geringe Wechselwirkungsrate mit Materie: σ=10 42 cm 2

4 Das solare Neutrino Problem Problem: Es kommen weniger Neutrinos an als erwartet.

5 Energieerzeugung in der Sonne: Der Proton-Proton-Zyklus und CNO-Zyklus In der Sonne wird Energie durch Kernfusion erzeugt: 98,4 % 4p 4 He + 2e + + 2ν e + 26,73 MeV 1,6 % CNO-Zyklus

6 Deuteriumproduktion Auf diesem Wege fusionieren 99,75 % des Wasserstoffs zu Deuterium. E ν 0,42 MeV p(e)p-neutrinos Auf diesem Wege fusionieren 0,25 % des Wasserstoffs zu Deuterium. E ν =1,44 MeV

7 Heliumproduktion E γ =5,49 MeV Aufteilung in 3 Wege: 1) Wahrscheinlichkeit: 86%

8 Heliumproduktion Wahrscheinlichkeit: 2,4*10-5 % 2) E ν <18 MeV geringer Fluß hep-neutrinos 3) Wahrscheinlichkeit: 14 %

9 Heliumproduktion 99,98 % pii E ν =0,862 MeV E ν =0,384 MeV 0,02 % piii E ν <14 MeV

10 Sonnenmodelle Die komplizierten Berechnungen der Sonnenmodelle beruhen auf 3 Grundgleichungen

11 Überschlagsrechnung pro Zyklus wird 26,73 MeV Energie frei. davon entfallen 2% auf Neutrinos, also bleiben 26,14 MeV für Photonen übrig. Da pro Zyklus 2 Neutrinos entstehen, entspricht 1 Neutrino 13 MeV Photonenenergie Bekannt ist die Solarkonstante: S=8, MeVcm -2 s -1 Daraus folgt:

12 Flüsse in Abh. der Energie

13 Voraussagen der SSM 1 SNU = Einfänge pro Atom und Sekunde

14 Experimente 1. radiochemische Experimente: radioakt. Tochterkern, der mit sinnvoller Halbwertszeit zerfällt. 2. realtime Experimente: Nachweis der Elektronen aus Elektron-Neutrino Streuung über Cherenkov-Strahlung Vorteil: Information über Richtung, Einfallzeit, Energie bleibt erhalten

15 Methode: ν + e - ν+ e - Realtime Experimente Nachweis der Strahlung über Photomultiplier

16 Das Chlor-Experiment Start Anfang 1968 bis heute 37 Cl + ν e 37 Ar + e - Nachweis über: 37 Ar 37 Cl + e + + -ν e Homestake Mine in South-Dakota Schwellenergie: 0,81 MeV Halbwertszeit: 35 Tage

17 Aufbau des 37 Cl-Experiments Füllung des Tanks: 615t C 2 Cl 4 24 % des natürlichen Chlors ist 37 Cl, also 2,2 x Cl-Atome verfügbar Also entspricht eine Rate von 1 Ar Atom pro Tag: 5,35 SNU Ergebnis: Vorhersage: [Bah92] Φ= 2,56 ± 0,22 SNU Φ=8,0 ± 3,0 SNU Problem!!

18 GALLEX/SAGE Start 1991 Reaktion: 71 Ga +ν e 71 Ge +e - SAGE: 60t Ga GALLEX 30t Ga Ergebnisse: GALLEX: SAGE: 69,7 ± 6,7 (stat) SNU 69 ± 10 (stat) SNU

19 Funktionsweise GALLEX/SAGE Schwellenergie: 233 kev Μessung von pp-neutrinos möglich Eichquelle: 2 MCi 51 Cr Quelle Extraktion über GeH 4 und Proportionalzähler

20 Vergleich mit Theorie GALLEX: Davis: 69,7 ± 6,7 (stat) SNU 2,56 ± 0,22 SNU 1 SNU = Einfänge pro Atom und Sekunde

21 SuperKamiokande Echtzeit-Experiment Ort: m unter N.N. in der Kamioka Mine in Japan Messung der Cherenkov-Strahlung durch Photomultiplier (Flächenabdeckung 40 %) in t Wasser Behältergröße: ca 40m x 40 m (Zylinder) Schwellenergie 5 MeV 8 B Neutrinos Ergebnisse: Φ( 8 B)= 2,4 ± 0, cm -2 s -1 das entspricht 46 % der Vorhersage!!

22 SuperKamiokande

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24 Reaktionen im SNO Möglichkeit, sowohl den Gesamtfluß (NC), als auch ν e -Fluß (CC) zu messen. Test der Neutrinooszillationshypothese

25 Ergebnisse des SNO (2001) in 10 6 cm -2 s -1 Φ CC ( 8 +0,12 B)=1,75 ± 0,07-0,11 stat sys Φ ES ( 8 +0,16 B)=2,39 ± 0,34-0,14 stat sys Φ ES ( 8 +0,08 B)=2,32 ± 0,03-0,07 SuperKamiokande stat sys *S.Fukuda, et al., Hep-ex

26 Vergleich der Ergebnisse Die Differenz der Flüsse ist ein starkes Indiz für eine Neutrinoumwandlung auf dem Weg zwischen Sonne und Erde!!

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28 Ergebnisse 2002 in 10 6 cm -2 s -1 Φ CC ( 8 B)=1,76 +0,06 +0,09-0,05-0,09 stat sys Φ ES ( 8 B)=2,39 Φ NC ( 8 B)=5,09 +0,24 +0,12-0,23-0,12 stat sys +0,44 +0,46-0,43-0,43 stat sys Theorie: Φ( 8 B)=5,05 +1,01-0,81

29 Neutrinooszillation Annahme: Der Flavoreigenzustand ν e,µ,τ > ist nicht identisch mit dem Masseneigenzustand ν i >: Flavors können ineinander umgewandelt werden. Dazu Voraussetzung: Neutrinos haben eine Masse Diese Masse ist für jeden Masseneigenzustand unterschiedlich.

30 Neutrinooszillation bei 2 Flavors Flavor Masse Es gilt also: f>=u ν m> U ν = cosθ ν sin Θ ν sin Θ cosθ Θ ν =Vakuummischungswinkel ν ν

31 Zeitliche Entwicklung Abhängigkeit von 2 Parametern: 1. Vakuummischungswinkel θ ν 2. Energiedifferenz Unter Annahme gleicher Impulse, kann E auch durch die Massendifferenz ausgedrückt werden: E 2 E 1 = m 2 2 m 2E 2 1 = m 2E 2

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33 Zusammenfassung Resultate der Ga/Cl-Experimente stehen im Wiederspruch zum SSM (50% weniger Neutrinos als erwartet kommen an) Nach SNO-Experiment deutet alles auf eine Neutrinooszillation hin, weitere Experimente (2002/2003) werden sicherere Erkenntnisse liefern immer noch Probleme und Unsicherheiten (Tag/Nacht-Differenz etc.)