Ein Überblick über die Neutrinophysik

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1 Eigenschaften von Neutrinos Ein Überblick über die Neutrinophysik Ralf Schulze Eigenschaften von Neutrinos p.1

2 Die Erfindung des Neutrinos Problem: Spektrum des β-zerfalls ist kontinuierlich im Gegensatz zum diskreten α-spektrum Verletzung des Energiesatzes? Postulat des Neutrinos (Pauli, 1930) Aus dem 2-Körper-Problem wird ein 3-Körper-Problem. n p + e + ν e Aus Drehimpulserhaltung folgt: Spin(ν) = ± 1 2 Eigenschaften von Neutrinos p.2

3 Entdeckung des Neutrinos (1952) Bestrahlung von Kadmium-Chlorid (CdCl 2 ) in wässriger Lösung mit Anti-Neutrinos aus Kernreaktoren durch Reines und Cowan: ν e + p e + + n e + + e γ γ (inverser β-zerfall), E γ = m e c 2 = 0.511MeV Abbremsung des Neutrons und Einfang durch Cd-Atome Anregung des Cd: Cd Cd Cd Cd + γ Signatur für erfolgreiche Neutrino-Detektion besteht aus zwei zeitversetzten γ-peaks. Eigenschaften von Neutrinos p.3

4 Versuchsaufbau von Reines und Cowan Wirkungsquerschnitt der Reaktion ν e + p ergab sich zu σ = cm 2. Absorptionslänge in H 2 O: l = cm = 29 Lichtjahre(!) Eigenschaften von Neutrinos p.4

5 Paritätsverletzung des β-zerfalls Wu überprüfte 1957 Paritätsinvarianz des β-zerfalls an polarisierten Co 60 -Kernen. Co 60 Ni 60 + e + ν e P-Invarianz würde Gleichwahrscheinlichkeit von Prozess und Spiegel-Prozess bedeuten. Ergebnis: Prozess und Spiegelprozess traten unterschiedlich oft auf Paritätsverletzung (stattdessen CP-Invarianz) Eigenschaften von Neutrinos p.5

6 Helizität des Neutrinos (Goldhaber-Exp. 1958) Untersuchung von: Eu e Sm ν e Sm γ + ν e Suche γ s mit: p γ = p ν. Resonanzstreuung: γ +Sm 152 Sm 152 γ +Sm 152 Drehimpulserhaltung: H(γ) = H(ν e ) Ergebnis: H(ν e ) = 1, feste Helizität Eigenschaften von Neutrinos p.6

7 Dirac-Beschreibung des Neutrinos Nach Dirac-Theorie sind Teilchen und Anti-Teilchen ladungskonjugiert, z. B.: (e ) C = e + H= 1 H=+1 4 Neutrino-Zustände: ( ν L,ν R wurden bisher nicht beobachtet!) ν L P ν R C C ν L P ν R 4-komponentiges Dirac-Teilchen mit ν ν Für ν ν: Einführung der Leptonenzahlerhaltung durch Pauli (1961) Eigenschaften von Neutrinos p.7

8 Majorana-Beschreibung des Neutrinos Neutrino hat keine ladungsartigen Eigenschaften Identität von ν und ν möglich (wie z. B. bei γ,z 0 ) (Majorana-Beschreibung) Verletzung der Leptonenzahlerhaltung Dirac- und Majorana- Darstellung nicht unterscheidbar, wenn m ν = 0 (da dann v ν = c) und Helizität fest! Eigenschaften von Neutrinos p.8

9 Identität von ν und ν Suche nach Reaktion: ν e + n e + p,inverser β-zerfall nicht gefunden ν e ν e (?) Experimente zeigen feste Helizitäten H für ν e und ν e : ν e : H = +1 ν e : H = 1 (Spin in Bewegungsrichtung) (Spin gegen Bewegungsrichtung) Möglicherweise: ν M e }{{} H=+1 + n e + p,aber: νe M }{{} H= 1 + n e + p Eigenschaften von Neutrinos p.9

10 Frage nach Identität von ν e und ν µ Experiment von Schwartz, Steinberger und Lederman (1962) π ± µ ± + ν µ / ν µ Bei ν e = ν µ müsste man sowohl µ als auch e hinter Target feststellen können. z. B.: ν e/µ + p (1) n + µ + ν e/µ + p (2) n + e + Ergebnis: Nur (1) beobachtet! ν e ν µ Eigenschaften von Neutrinos p.10

11 Übersicht über Leptonen Familie / Flavor e µ τ Teilchen e µ τ Neutrino ν e ν µ ν τ Anti-Teilchen e + µ + τ + Anti-Neutrino ν e ν µ ν τ Neutrinos nehmen nur an schwacher WW teil (im Standardmodell). Existenz von höchstens drei Neutrino-Flavors experimentell bestätigt (aus Lebenszeit des Z 0 -Bosons). Eigenschaften von Neutrinos p.11

12 Masse des Neutrinos Frage: Konsequenzen für: Haben Neutrinos eine Masse? Unterscheidung ν D,ν M Dunkle Materie im Universum Suche nach Antwort mittels direkter Massenbestimmung aus β-spektrum, Suche nach Neutrino-Oszillationen ( Massendifferenzen zwischen Neutrino-Flavors), neutrinolosem Doppel-β-Zerfall (0νβ β-zerfall). Eigenschaften von Neutrinos p.12

13 Direkte Massenbestimmung aus β-zerfall N(E) F(E,Z) pe (E0 E ) 2 m 2 ν e (E 0 E ) Endpunkt: E max = E 0 m νe Fit der Messwerte an theor. Kurve (m 2 ν e Fitparameter) Eigenschaften von Neutrinos p.13

14 Ergebnisse aus direkter Massenbestimmung Experimente liefern unphysikalische m 2 ν e < 0 bisher ungeklärt! Eigenschaften von Neutrinos p.14

15 Ergebnisse aus direkter Massenbestimmung Experiment m(ν e ) 2 m(ν e ) Jahr (ev 2 ) (ev) Mainz 1.6 ± 2.5 ± 2.1 < Troitsk 1.0 ± 3.0 ± 2.1 < Livermore 130 ± 20 ± 15 < China 13 ± 75 ± 48 < Zürich 24 ± 48 ± 61 < Tokyo INS 65 ± 85 ± 65 < Los Alamos 147 ± 68 ± 41 < Mittelwert 27 ± 20 < 15 (C. L. 95%) Eigenschaften von Neutrinos p.15

16 Neutrino-Oszillationen Beschreibung der Flavor-Eigenzustände ν e, ν µ, ντ durch Überlagerung aus Masseneigenzuständen: ν α = U αi ν i,α = e, µ,τ α Annahmen: m i p i, CP-Erhaltung Übergangswahrscheinlichkeit zwischen Flavor: P α β (t) = δ αβ 2Re ( U αi UαiU βi U βi j>i [ 1 exp ( i m2 i m2 j 2 t )]) Eigenschaften von Neutrinos p.16

17 Neutrino-Oszillationen zwischen zwei Flavors U wird zu U = ( cosθ sinθ sinθ cosθ ) 0 Θ π 2 : Mischungswinkel Übergangswahrscheinlichkeit wird zu ) P ( ν a ν b ) = sin 2 (2Θ) sin 2 ( 2 = 2π L L 0 = m2 2 LE L 0 = 4π E m 2 Maximale Mischung für Θ = π 4. Eigenschaften von Neutrinos p.17

18 Experimentelle Gesichtspunkte Experiment ist sensitiv für Massendifferenzen m 2 m 2 min E/(MeV) L/(m) ev 2. Eigenschaften von Neutrinos p.18

19 Übersicht über Empfindlichkeitsgrenzen ν-quelle ν-arten E-Bereich L-Bereich m 2 min der Quelle (MeV) (m) (ev 2 ) Reaktor νe Beschleuniger ν µ, ν µ Atmosphäre ν µ, ν µ, ν e, ν e Sonne ν e Bestimmung von viel kleineren Massen-Differenzen als bei direkter Messung möglich. Eigenschaften von Neutrinos p.19

20 Hinweise auf Neutrino-Oszillationen Sonnenneutrinos: Anzahl der laut Standardmodell der Sonne erwarteten ν e ist geringer als erwartet (Super-Kamiokande-Experiment, SNO) Atmosphärische Neutrinos aus kosmischer Hintergrundstrahlung Theoretisch berechnetes Verhältnis ν µ ν e ist um Faktor 2 größer als gemessenes Verhältnis Eigenschaften von Neutrinos p.20

21 Elektromagnetische Eigenschaften Trotz elektrischer Neutralität evtl. elektromagnetische Eigenschaften über ( ) ν l W ± ( ) ν. Widerspruch zum Standard-Modell (SM) (H SM (ν) ist fest. Bei elektromagnetischem Moment ließe sich H umkehren.) Eigenschaften von Neutrinos p.21

22 Elektromagnetische Eigenschaften Bei Erweiterung des SM durch kleine Dirac-Masse der Neutrinos, lässt sich magnetisches Dipolmoment herleiten: µ SM ν = m ν µ B ev, µ B = ecm EM-Dipolmomente setzen Dirac-Neutrino voraus. Grund: (µ ν ) CPT = µ ν (d ν ) CPT = d ν Damit folgt für Majorana-Neutrino ( (ν M ) CPT = ν M = ν M ) : µ ν = 0 d ν = 0 Eigenschaften von Neutrinos p.22

23 Obergrenzen des magnetischen Moments Mit experimentellen Obergrenzen für m ν aus SM: µ SM (ν e ) < µ B µ SM( ν µ ) < µ B µ SM (ν τ ) < µ B Aus direkten Messungen von µ ν : µ(ν e ) < µ B µ ( ν µ ) < µ B µ(ν τ ) < µ B Eigenschaften von Neutrinos p.23

24 Zusammenfassung der Neutrinoeigenschaften nehmen nur an schwacher WW teil Spin ± 1 2 genau drei Generationen: e, µ, τ Masse wahrscheinlich > 0 m(ν e ) < 2.2eV m ( ) ν µ < 170keV m(ντ ) < 15.5MeV magnetisches Dipolmoment: µ < µ B bisher nur Neutrinos mit festen Helizitäten gefunden H(ν) = 1 H( ν) = +1 Wirkungsquerschnitte cm 2 = barn Eigenschaften von Neutrinos p.24

25 Neutrinos in der praktischen Anwendung Neutrinostrahl löst kurz vor nuklearem Sprengkopf einen Hadronenschauer aus Auslösen von Kernspaltungen Schmelzen der Bombe/evtl. Auslösen der Kettenreaktion(?) Ergebnis: Explosion der Bombe mit 3% der Sprengkraft Eigenschaften von Neutrinos p.25

26 Praktische (?) Anwendung Nötige Energie des Neutrino-Strahls: 1000 TeV Beschleunigerdurchmesser: 1000 km Benötigte Magnetfelder: 10 Tesla Benötigte Leistung: 50 GW Baukosten: $ We emphasize that the whole technology ist futuristic... Sugawara, Hagura, Sanami, Mai 2003 Eigenschaften von Neutrinos p.26