Neutrinos und andere Geisterteilchen. M. Lindner

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1 Neutrinos und andere Geisterteilchen M. Lindner

2 Elementare Bausteine der Materie Bausteine der (normalen) Materie: - Elektron e - - Up-Quark u und Down-Quark d Soweit bekannt punktförmig: < 0.001fm Wechselwirkungen Kräfte, Bindungszustände - Elektromagnetismus (elektrische und magnetische Felder, EM Wellen, Licht) - Starke Kraft (Kernkräfte) - Schwache Kraft (Radioaktivität) - Gravitation M. Lindner 2

3 Die theoretische Geburt der Neutrinos Das Bild vor 1930: β- Zerfall von Kernen Neutron Proton +e - Ladungserhaltung Das Problem: n p +e - ist ein 2- Körperzerfall Monoenergetische Linie Konflikt mit dem Experiment Mögliche Lösungen: Verletzung der Energie- Erhaltung???... Impuls- Messung? n p+e M. Lindner 3

4 Der Vater der Neutrinos Energie-Impuls-Erhaltung! postulierte ein neues Teilchen, sehr leicht, Spin ½, elektrisch neutral! W. Pauli Brief nach Tübingen im Dezember 1930: Verzweflungstat: Neutrinopostulat unsichtbare Geisterteilchen wird man nie nachweisen können Cowen & Reines: Projekt ``Poltergeist Nachweis von Reaktor-Antineutrinos Fluss: Neutrinos/Sekunde/mm 2 3 Reaktionen /h/10m 3 Wasser Nobel Preis für Physik für F. Reines 1995 Heute: Große Experimente mit hoher Statistik M. Lindner 4

5 Das Standardmodell der Teilchenphysik Materieteilchen = Fermionen (Spin ½) Wechselwirkungen Ladung Leptonen Quarks stark 0 ν e ν µ ν τ +2/3 u c t g Starke Kraft -1 e µ τ -1/3 d s b γ Elektromagn. Kraft W, Z Schwache Kraft u d u d d M. Lindner 5 u +1 0 Proton Neutron Baryonen schwach? Schwerkraft Kräfteteilchen = Bosonen (Spin 1)

6 Anti-Teilchen Ladung ν e 0 ν e +1 e e Leptonen ν µ ν τ ν µ ν τ µ τ µ τ -2/3 +1/3 u d u d Quarks c c t t s b s b stark Wechselwirkungen g γ Starke Kraft Elektromagn. Kraft W, Z? Schwache Kraft Schwerkraft schwach Kräfteteilchen = Bosonen (Spin 1) M. Lindner 6

7 Kräfte = Wechselwirkungen Zu jeder Wechselwirkung gibt es einen Ladungstyp Nur Teilchen mit entsprechender Ladung spüren jeweilige Wechselwirkungen Wechselwirkung erfolgt über Austauschteilchen Photon Gluon Graviton M. Lindner 7

8 Wie man Neutrinos sieht Abbild im Gehirn Realität Austausch von Lichtteilchen (Photonen) elektrisch geladene Teilchen M. Lindner 8

9 Sehhilfen Optische Instrumente: Brillen, Teleskope,... Elektronische Geräte: M. Lindner 9

10 Computer-aufbereitete Bilder: Verstärkung, Frequenzänderung Austausch von Photonen man sieht nur elektrisch geladenen Teilchen und Bindungszustände davon Wie sieht man Neutrinos??? M. Lindner 10

11 β-zerfall und inverser β-zerfall Radioaktiver β-zerfall selbstständig durch Energiezufuhr möglich M. Lindner 11

12 Eine Neutrino Nachweismethode ν e + p e + + n νe p T e+ n e + e γ(0.51) γ(0.51) promptes e + Signal γ(2.2) ~210µs p d verzögertes γ vom Neutron-Einfang Beobachtung der charakteristischen Signatur mit Photovervielfachern andere Nachweismethoden Kampf gegen Untergrund Prof. W. Hampel M. Lindner 12

13 Neutrinos Heute: Quellen & Neue Physik Sonne Kosmologie Atmosphäre Astronomie: Supernovae UHE ν s... Reaktoren Beschleuniger Laboratorien Erde M. Lindner 13

14 Neutrinos und die Sonne Energiequelle: Fusionsprozesse im Sonnenkern Gleichgewicht: - thermaler Druck -Gravitation Optische Beobachtungen: -Energiefluss - Oberflächendynamik > Sonnenflecken > differentielle Rotation > Jahre verzögert Neutrinos: Blick ins Herz der Sonne mit BOREXINO Dr. Schönert M. Lindner 14

15 Neutrino-Mischungen Wechselwirkungszustände und Massenzustände: Neutrino Masse m 1 Muon-Neutrino Neutrino Masse m 2 Muon Kein klassisches Analogon Quantenmechanische Überlagerung zweier Teilchen normalerweise Mikrophysik QM-Effekte auf großen Skalen M. Lindner 15

16 Massenzustände Wechselwirkungszustände Produktion mit Leptonpartner quantenmechanischer Mischzustand Propagation des Massenzustands als Teilchenwelle über makroskopische Distanzen Nachweis eines gewissen Neutrinotyps über den Leptonpartner

17 Neutrino Oszillationen Zurückgelegte Distanz M. Lindner 17

18 Gibt es andere Geisterteilchen? M. Lindner 18

19 Unser Sonnensystem M. Lindner 19

20 Unsere Galaxie Unser Sonnensystem M. Lindner 20

21 Andromeda eine Nachbargalaxie M. Lindner 21

22 Tief im Kosmos Sehen wir eigentlich alles? Versteckte Materie? Prinzipiell unsichtbare Materie? M. Lindner 22

23 Neutrinobeitrag zur kosmischen Massenbilanz 330 Neutrinos / cm 3 winzige Masse x riesige Anzahl Gesamtmasse der Neutrinos restliche (normale) Materie! M. Lindner 23

24 Ist das Bild nun komplett? M. Lindner 24

25 Mit mit Hilfe der Gravitation sehen Historische Methode zur Suche neuer Planeten: Vergleich von berechneter und beobachter Bahn bekannter Planeten Position neuer Planeten M. Lindner 25

26 Galaktische Rotationskurven Vergleich der von der sichtbaren Materie erwarteten Rotationskurven mit gravitativer Rotationsdynamik M. Lindner 26

27 Erklärung: Ein Halo aus Dunkler Materie" sichtbare Galaxie Unsichtbarer See von Teilchen: WIMPs = Weakly Interacting Massive Particles neue schwere Teilchen die Neutrinos ähneln M. Lindner 27

28 Eine weitere Methode: Gravitationslinsen leuchtende oder Dunkle Materie gravitative Lichtablenkung M. Lindner 28

29 indirekte Information über die Materieverteilung M. Lindner 29

30 Kosmische Massenbilanz Normale Materie: 0,5% sichtbar 3,5% nicht leuchtend bis zu 4% in Neutrinos 25% Dunkle Materie aus neuen Teilchen: WIMPs,... 70% Energiedichte des Raums: Kosmologische Konstante,... M. Lindner 30

31 Neutrinos Dunkle Materie WIMP s Dunkle Energie M. Lindner 31

32 Forschungsschwerpunkte der Abteilung: -Neutrinos - Dunkle Materie - Physik jenseits des Standard Modells Theorie und Experiment M. Lindner 32

33 Theoretische Astroteilchenphysik Baryonasymmetrie des Universums Leptonzahlverletzung & Doppelbetazerfall?? ν Flavoursymmetrien vereinheitlichte Theorien Dunkle Materie & Dunkle Energie Neutrinomassen & Oszillation Reaktorneutrinos Super-beams β-beams Neutrinofabriken, M. Lindner Neutrinos als Sonden 33

34 Experimentelle Projekte GERDA (gemeinsam mit Abteilung Hofmann)... Suche nach neutrinolosem oνββ Zerfall in 76Ge Gran Sasso Labor, Italien Borexino... Spektroskopie solarer Neutrios Gran Sasso Labor, Italien Double Chooz Neutrino-Oszillationen M. Lindner Chooz, Frankreich 34

35 Weiteres Programm: - Vortrag Prof. Hampel Der Kampf im Untergrund gegen den Untergrund (mit Demonstrationen) - Pause mit Imbiß und Besichtigung der Demonstration - Vortrag Dr. Schönert Live-Aufnahmen aus dem Herzen der Sonne - Film über das Untergrundlabor im Gran Sasso M. Lindner 35

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