Ergebnisse der Neutrinophysik und Auswirkungen auf die Theorie. M. Lindner Technische Universität München

Transkript

1 Ergebnisse der Neutrinophysik und Auswirkungen auf die Theorie M. Lindner Technische Universität München

2 Physik jenseits des Standardmodells Theoretische Argumente: SM existiert nicht ohne Cutoff Higgs-Dublett = nur einfachste Erweiterung Hierarchieproblem Warum gibt es 3 Generationen? Viele Parameter (9+? Massen, 4+? Mischungen) Ladungsquantisierung Vereinigung: GUTs,..., Gravitation,... Experimentelle Fakten: Dunkle Materie & Dunkle Energie existieren! Neutrinomassen sind nachgewiesen! Baryon-Asymmetrie des Universums m > 0 ν erfordert Physik jenseits des Standardmodells Ergebnisse Implikationen für die Theorie M. Lindner DPG Frühjahrstagung

3 See-saw Hebel für Physik bei sehr hohen Skalen Annahmen: 3 ν R Rang(M R =3) sterile ν s M. Lindner DPG Frühjahrstagung

4 Parameter für 3 leichte Neutrinos Fragen: Massenspektrum, Mischungen, CP-Phasen Dirac/Majorana (alternativ auch Φ 2, Φ 3 ) M. Lindner DPG Frühjahrstagung

5 Kinematische Massenbestimmung T404 M. Lindner DPG Frühjahrstagung

6 Neutrino-loser doppelter β-zerfall < 0.35 ev? ~ Heidelberg-Moskau Exp. T404.7 M. Lindner DPG Frühjahrstagung

7 0n2b/2 Feruglio, Strumia, Vissani <m> > 10-2 ev invertierte Hierarchie M. Lindner DPG Frühjahrstagung

8 Kosmologie und Neutrinos 330 Neutrinos / cm 3 Masse aller Neutrinos: Ω ν ~ 0.01 Baryonische Materie Ω Β ~0.05 Rest: Dunkle Materie & Dunkle Energie Auswirkungen der Neutrinos: - Big Bang Nuklueosynthese Strukturbildung - Baryonasymmetrie M. Lindner DPG Frühjahrstagung

9 Kosmologie und Neutrinomassen Neutrinos sind heiße Dunkle Materie Strukturbildung auf kleinen Skalen (großen k) verschmiert WMAP+2dFGRS + Lyα Massengrenze: Σm ν < ev 3 degenerierte Neutrinos m ν < 0.4 ev erwartete Verbesserung: ~Faktor 5 Vergleich mit LSND KATRIN T404 WMAP, astro-ph/ M. Lindner DPG Frühjahrstagung

10 Neutrino-Oszillationen 2 Neutrinoarten: ν e,ν µ 2ν-Übergangs- Wahrscheinlichkeit: ν e, ν, ν µ τ 9 Oszillationskanäle für Neutrinos ν e, ν, ν µ τ 9 Kanäle für Antineutrinos ( jeweils 3ν! ) M. Lindner DPG Frühjahrstagung

11 Oszillationssignale Neurino- oszillations- Signale bis zu Meter! M. Lindner DPG Frühjahrstagung

12 Atmosphärische SuperKamiokande M. Lindner DPG Frühjahrstagung

13 L/E-Verhalten der Oszillation X X X X X X X x X X X L/E-Verhalten verschmiert! M. Lindner DPG Frühjahrstagung

14 L/E-2 Schlechte L/E Auflösung für: horizontale Ereignisse (dl/dcosθ ist groß) Ereignisse mit kleiner Energie Cuts in der E-cosθ-Ebene M. SK-preliminary: 3,4σ für Zerfall 3,8σ für Dekohärenz m 2 = ev 2 long baseline exp. M. Lindner DPG Frühjahrstagung

15 Solare Neutrinos: NC, CC, ES Raten von SNO 2002 M. Lindner DPG Frühjahrstagung

16 Reaktor-Neutrinos: KamLAND 2002 M. Lindner DPG Frühjahrstagung

17 SNO 2003 De Holanda, Smirnov Verbesserung der KamLAND und SNO CC/NC Raten SNO Tag/Nacht-Verhältnis Konsistenz! Mehr Statistik bei KamLAND L/E-Abhängigkeit der Oszillation M. Lindner DPG Frühjahrstagung

18 Derzeitige θ 13 Grenzen Maltoni, Schwetz, Tortola, Valle Chooz globale Fits (SK, SNO, KamLAND) Für m 2 = ev 2 U e3 2 < 90%CL U e3 2 < 3σ Chooz Frage: Warum ist θ 13 << θ 12 *θ 23??? M. Lindner DPG Frühjahrstagung

19 LSND M. Lindner DPG Frühjahrstagung

20 Das Massenspektrum M. Lindner DPG Frühjahrstagung

21 Die Zukunft der Oszillationsphysik 1) Verbesserung der Präzision der führenden 2x2 Oszillationen 2) Nachweis generischer 3-Neutrino-Effekte θ 13, CP-Phase δ, sgn( ( m 2 ) long baseline Experimente mit Neutrino-Strahlen und Reaktoren Präzisions Neutrinophysik U U U e1 µ 1 τ1 U U U e2 µ 2 τ 2 U U U e3 µ 3 τ 3 = = c s s c13 0 s13e s 13 e 0 iδ S 13 3f-Effekte S 13 δ c s iδ 23 c23 c13 0 θ 23 θ s c x Majorana- CP-Phasen 3 Flavour- Oszillaztionen + Materieeffekte sgn( ( m 2 ) M. Lindner DPG Frühjahrstagung

22 Long-Baseline- und Reaktor- Experimente GLOBES Huber, Lindner, Winter - degeneracies - correlations M. Lindner DPG Frühjahrstagung

23 Verbesserung der solaren Parameter schlechte θ 12 -Sensitivität gute θ 12 -Sensitivität km ist nicht am idealen Platz! m 2 =7*10-5 ev 2 70 km Reaktorexperiment@Idealentfernung: bessere θ 12 -Sensitivität M. Lindner DPG Frühjahrstagung

24 Neue Reaktorexperimente für zur Messung von θ 13 2 identische Detektoren! Die Überlebenswahrscheinlichkeit (führende Terme): - der letzte Term ist sehr klein - Oszillation mit atmosphärischem m 2 und kleiner θ 13 -Amplitude - ganz wichtig: Keine Parameterentartungen Keine Parameterkorrelatione Keine Materieeffekte Double-Chooz (LOI), Diabolo Canyon, Braidwood, KASKA,... M. Lindner DPG Frühjahrstagung

25 Neutrinostrahlen: Projekte und Pläne (teilw.) Drei Stufen: Jetzt nächste Generation lanfristig. Präzisions-Neutrinophysik M. Lindner DPG Frühjahrstagung

26 Sensitivititäten, Systematik, Korrelationen, Entartungen systematics correlations degeneracies sin 2 2θ 13 Statistische Grenze (alle Parameter fest) Grenze für (sin 2 2θ 13 ) eff Grenze für sin 2 2θ 13 von *DIESEM* Experiment Präzise Kenntnis einer speziellen Parameterkombination = Präzision dieses Experiments Synergien bei Kombination mit anderen Experimenten gewinne mehr als Statistik M. Lindner DPG Frühjahrstagung

27 θ 13 -Sensitivität: Vergleich der kommenden Generation M. Lindner DPG Frühjahrstagung

28 θ 13 : Optionen für die darauf folgende Generation M. Lindner DPG Frühjahrstagung

29 Leptonische CP-Verletung Heute: sin 2 2θ 13 < 0.2 Annahme: sin 2 2θ 13 = 0.1 und optimale Kombination: T2K + NOνA + Reaktor Grenzen für leptonische CP-Verletzung M. Lindner DPG Frühjahrstagung

30 Langfristig: + präzise Werte für θ 23 und m 2 31 Präzisions-Neutrinophysik! M. Lindner DPG Frühjahrstagung

31 Präzision und Fermion-Massenmodelle M. Lindner DPG Frühjahrstagung

32 Was bringt Präzision: θ 13 Z.B.: sin 2 2θ 13 < 0.01 Physikalische Fragestellung: Kleines θ 13 numerischer Zufall systematisch (Symmetrie,...) M. Lindner DPG Frühjahrstagung

33 Neutrino-Massenmodelle & Renormierung Niedrige Energie: kleine Massen große Mischungen atmosphärisch solar Renormierungsgruppenlaufen MSSM Laufbeispiel Antusch, Kersten, Lindner, Ratz θ 23 = π/4 +? Hohe Energien: Massenmodelle Flavour-Symmetrien GUT-Modelle,... bi-maximal! θ 13 versus Limit/Messwert Reaktor klein oder 0 M. Lindner DPG Frühjahrstagung

34 Das Zusammenspiel der Argumente Standardmodell-Erweiterungen Flavour-Symmetrien Leptogenese-Szenarien Supernovae Nukleosynthese Renormierungsgruppe Massenspektrum, Mischungswinkel, LVF, CP-Phasen, 0ν2ββ ββ Zerfall M. Lindner DPG Frühjahrstagung

35 Neutrinos und Supernovae Kollaps eines typischen Sterns ~10 57 Neutrinos ~99% der Energie in ν s ν s sind essentiell für die Explosion 3d Simulationen explodieren (bisher) nicht Nächste galaktische Supernova: Jahre viele Ereignisse in Neutrino-Detektoren Details des Explosionsmechanismus Neutrinoeigenschaften: Massengrenzen O(1 ev) Charakteristische Modulation des Neutrinosignals: Vorzeichen von m 2 und starke Grenzen an θ 13 Aus den Zeitskalen ergibt sich (vernutlich): Konsistenz / Redundanz mit anderen ν-eigenschaften Details des Explosionsmechanismus,... M. Lindner DPG Frühjahrstagung

36 2 Möglichkeiten: Supernova Neutronenstern or Schwarzes Loch kühlt weiter... Abruptes Ende der ν Emission Eindrucksvolles Signal eines Schwarzen Lochs im Neutrinolicht Neutrinomassen Abrisskante? M. Lindner DPG Frühjahrstagung

37 Gravitationswellen und Supernovae: Gravitationswellenemission Quadrupolmoment der Explosion zusätzliche Information über galaktische SN globale Fits: Optisch + Neutrinos + Gravitationswellen Neutrino-Eigenschaften + SN-Explosionsdynamik SN1987A: Stärkste Einschränkungen an extra Dimensionen Dimmelmeier, Font, Müller Hannestad, Raffelt M. Lindner DPG Frühjahrstagung

38 Baryonasymmetrie & Neutrinos Materie Anti-Materie GUT-Baryogenese mit B-L=0 Washout Elektroschwacher Phasenübergang im SM zu große Higgs-Masse...im MSSM möglich, aber marginaler Parameterbereich Leptogenese M. Lindner DPG Frühjahrstagung

39 Natürliche Erklärung der Baryonasymmetrie durch Leptogenese Der Zerfall rechts-händiger Majorana-ν s produziert L L-Verletzung Sphaleronen konvertieren L teilweise in B B-Asymmetrie B in der richtigen Größenordnung Obergrenze m ν <O(0.1eV) Buchmüller, Plümacher Bemerkungen: Es gehen die CP-Phasen der schweren Neutrinos ein! Leptogenese-Varianten, z.b. mit Dirac-Neutrinos Dick, Lindner, Ratz, Wright Varianten ohne Neutrinos (z.b. Affleck, Dine) M. Lindner DPG Frühjahrstagung

40 Nicht behandelte Themen LFV (lepton flavour violation) Grenzen für Neutrino-Zerfall Neutrinos und UHE kosmische Strahlung Grenzen für nicht-standard Wechselwirkungen >3 Neutrino-Szenarien (sterile ν s +kleine Mischungen) Nukleosynthese NuTEV-Anomalie ν Wirkungsquerschnitte Geo-Neutrinos Neutrinos und extra Dimensionen... M. Lindner DPG Frühjahrstagung

41 Neutrinoquellen und Fragestellungen Sonne Erde Atmosphäre Supernovae Urknall Reaktoren Beschleuniger & Labor M. Lindner DPG Frühjahrstagung