Neutrinoexperimente der Zukunft. Seminarvortrag von Roland Schieren RWTH Aachen

Transkript

1 Neutrinoexperimente der Zukunft Seminarvortrag von Roland Schieren RWTH Aachen

2 Inhalt Übersicht über Wissensstand und offene Fragen Das T2K Experiment Neutrinofabriken Beta-Beams 2

3 3 Neutrinooszillationen Als Erklärung für die z. Zt. bekannten Phänomene mit Neutrinos nimmt man an: Es gibt 3 Neutrinos (ν e,ν µ,ν τ ), die alle Masse haben Jeder Flavour (ν e, ν µ,ν τ ), ist eine Überlagerung von Masseneigenzuständen (ν 1,ν 2,ν 3 ) U ist unitär und kann durch 3 Mischungswinkel θ 12, θ 13, θ 23 und eine Phase δ parametrisiert werden Wenn das Neutrino sich fortbewegt, ändert sich ( oszilliert ) die Wahrscheinlichkeit, es in einem bestimmten Flavourzustand zu messen = ν ν ν ν ν ν τ τ τ µ µ µ τ µ U U U U U U U U U e e e e

4 Wissen über die Parameter Es gibt 6 unabhängige Parameter, die Neutrinooszillationen beschreiben θ 12, θ 13, θ 23,δ und m 122, m 232, m abhängig über m + m + m = 4

5 Es gibt noch viele offene Fragen Massenhierachie bisher nur m << m31 m32 m21 > 0 Der Wert von δ (eng verbunden mit leptonischer CP- Verletzung) ist völlig unbekannt Es gibt keine untere Grenze für sin 2 (2θ 13 ) Alle Terme mit δ beinhalten sinθ 13 wichtig für Planung, um CP- Verletzung zu messen Sind 3-Flavour Neutrinoszillationen wirklich alles? (sterile Neutrinos, Neutrinozerfall, ) Absolute Massenskala (<2eV durch Kinematik) mit Oszillationen nicht zu messen, da nur m 2 eingeht 5

6 Die Suche nach Antworten Am Beispiel eines Neutrinoexperiments der nächsten Generation

7 Das T2K Experiment ν µ Beam (Tokai to Kamiokande) Oszillationslänge ν µ ν e/τ bei 0.6GeV ca. 550km Start 2009 (?) 7

8 Ziele: Messung von ν µ Disappearance sin 2 (θ 23 ) mit 1% Fehler m 322 mit 10% Fehler Messung von ν µ ν e (Appearance) Die obere Grenze auf sin 2 (2θ 13 ) auf senken Verbesserung um Faktor 20 ( m L E ) P( ν ν ) 4 P θ 2 2 ν ν θ µ = 1 cos sin 2 sin / µ ν µ P ( m L / ) ν ν sin θ sin 2θ sin E µ = ν e Bei den Formeln handelt es sich um Näherungen unter den im Experiment gegebenen Bedingungen e Später: Suche nach CP-Verletzung Suche nach sterilen Neutrinos 8

9 Die Neutrinoquelle: JHF 50 GeV Proton-Synchroton Protonen pro Puls alle 3.5 Sekunden (P=0.75 MW) Protonen pro Jahr bei angenommenen 130 Tagen in Betrieb 9

10 10

11 Die Erzeugung des Beams Neutrinoenergie E ν = 0.4 bis 1.0 GeV Target: 1m Kohlenstoffstab Benutzt Off-Axis Beam (OAB) von

12 Warum Off-Axis Beam? OA2 OA1 OA3 1. enges Energiespektrum 12

13 Warum Off-Axis Beam? 2. Geringer Anteil an ν e 1% im gesamten Beam (0.2% am Maximum) Gut um ν e Appearance zu beobachten Herkunft der ν e : 37% π µ e 63% K-Zerfälle ν e ν µ K-Zerfälle π µ + ν µ µ e + ν + µ ν e 13

14 Nahe Detektoren Myon-Monitor: Naher Detektor: Messung der µ, die durch den Beam Dump fliegen Kontrolle der Beamrichtung auf 1mrad Kontrolle der Neutrinoausbeute 280m hinter dem Target Messung des Neutrinospektrums 14

15 Der nahe Detektor 15

16 Zweck des Detektors Messung des Neutrinoflusses ( Was kommt im fernen Detektor noch an? ) ν µ und ν e Fluss und Spektrum vor der Oszillation durch CCQE interactions ν e Fluss ist ein wichtiger Untergrund für die Messung von ν e Appearance Verringerung der systematischen Fehler ν µ NC interaction, welche π ± produzieren, und ν µ CC inelastic interactions können von SK als CCQE falsch interpretiert werden führt zu falscher Messung der Neutrinoenergie 16

17 Ein weiterer Detektor? Energiespektrum im nahen und fernen Detektor unterschiedlich Grund: Ausdehnung der decay pipe Lösung: Ein Intermediate Detektor Der Fluss bei 280m ist zur Normierung mit (295/0.28) 2 multipliziert Ferner Detektor (295km) Naher Detektor (280m) 17

18 Der Intermediate Detektor 1kt Wasser-Cherenkov Detektor 2km hinter Target Energiespektrum sehr ähnlich zum fernen Detektor 18

19 Der ferne Detektor: Super-Kamiokande 50kt Wasser-Cherenkov 11,146 Photomultiplier Genauigkeit(für 1GeV µ ): Vertex: 30cm Winkel: 3 Energie: 3% 19

20 Cherenkov-Licht Geladenes Teilchen fliegt mit Geschwindigkeit größer als die Lichtgeschwindigkeit im Medium Gute Unterscheidung zwischen e (diffus) und µ möglich 20

21 Identifikation der Ereignisse durch Synchronisation (Genauigkeit 200 ns) mittels GPS zwischen Strahlextraktion und Ereignis (Suchfenster: wenige µs) Das produzierte Lepton wird bei weniger als 10 zur Strahlrichtung erwartet Bei den vorliegenden Energien (<1GeV) finden überwiegend quasi-elastische Wechselwirkungen statt + n + p Die entehenden Leptonen werden nachgewiesen. Impuls des Protons liegt unter der Cherenkovgrenze Berechnung der Neutrino-Energie über E ν ν µ ν e + n e + = m N m N E E l l µ m + p l 2 cosθ m N = Neutronmasse; E l, m l, p l, cosθ l = Energie, Masse, Impuls, Winkel des Leptons zum Neutrinostrahl p 2 l l 21

22 Erhoffte Ergebnisse Nach 5 Jahren Laufzeit erwartete Genauigkeit (bei θ 13 =0) δ(sin 2 2θ 23 )=1% δ( m 232 )= ev 2 Nach 5 Jahren erwartete Sensitivität auf sin 2 2θ 13 >

23 Hyper-Kamiokande Erhöhung der Leistung des Protonsynchrotons um Faktor 5 auf 4MW Neues Target aus flüssigem Metall Neuer, um Faktor 20 größerer Detektor 500m langer Wasser-Cherenkov Detektor mit 10 Sub-Detektoren Erwartete Verbesserungen sin 2 2θ 13 Sensitivität unter 10-3 Sensitivität auf CP-Verletzung 23

24 Suche nach CP-Verletzung Messung von Neutrino- und Antineutrinooszillationen ist z. Zt. die einzige Möglichkeit leptonische CP- Verletzungen nachzuweisen A CP = P( ν P( ν µ µ ν ) e ν ) + e P( ν P( ν µ µ ν e) ν e) 2 m12 L 4E ν sin 2θ sinθ sinδ Falls sin 2 2θ 13 >0.01 erhofft man Sensitivität für δ >20 mit 3σ 24

25 Neutrinofabriken

26 Die Idee Neutrinos werden nicht wie bei konventionellen Beams durch π ± Zerfälle sondern durch µ ± Zerfälle erzeugt + + µ e + ν e + ν µ µ e + ν e + ν µ Der Zerfall erfolgt in einem Speicherring mit geraden Teilstrecken 26

27 Diese Technik bietet einige Vorteile Man erzeugt ν e ν µ Strahlen (Verhältnis 1:1) Detektor unterscheidet Teilchen/Antiteilchen Suche nach ν µ Appearance / ν e Dissappearance Hohe Ereignisraten (Beispieldaten für 50GeV) Faktor 60 in einem fernen Detektor (L~10000km) In einem nahen Detektor (L~100m) mehrere 10 6 pro Jahr und kg Enges Energiespektrum Kleinere systematische Unsicherheiten Der Neutrinofluss kann durch Regulierung der Anzahl von Myonen im Ring gut überwacht werden leptonische Zerfälle sind besser berechenbar als hadronische Großer Schritt auf dem Weg zu einem Myon-Collider Collider bisher nur mit stabilen Teilchen (e ±, p ± ) 27

28 Technische Probleme Kurze Lebensdauer der Myonen (~2µs) Selbst bei 50 GeV ~1ms alles muss sehr schnell geschehen viele Techniken konventioneller Beschleuniger versagen Myonenstrahlen haben breite Energieverteilung Neue Targets um hohe Myonausbeute zu gewährleisten Geplant sind ~10 21 nutzbare Myonzerfälle pro Jahr Thermische Schocks durch hochenergetischen Protonenstrahl flüssiges Metall oder rotierende Festkörper 28

29 p Target in supraleitendem Elektromagnet (20T) decay pipe (Pionen zerfallen in Myonen) Strahlbreite ca. 0.6m Breite Energieverteilung (250±100)MeV Korrelation zwischen Position und Energie (produziert Pionen aus Protonen) Proton Beam Dump Monochromatisierung durch stark inhomogenes E-Feld (Phase Rotation) Zerfallsring Beschleunigung auf GeV Muon cooling

30 Muon cooling Impuls wird durch Absorber in allen Richtungen verringert Beschleunigung in Ausbreitungsrichtung transversale Ausbreitung ~ cm Eine der größten Herausforderungen Theoretisch möglich, aber praktische Umsetzung? Beschleuniger Absorber (z.b. flüssiger H 2 ) in stark focussierendem B-Feld (5-10T) 30

31 Möglicher Detektor Suche nach ν ν µ Appearance wird eine Hauptaufgabe e Man benötigt gute Identifikation von µ und dessen Ladung große (~kt) magnetisierte Eisenkalorimeter mit Szintillatoren Mehrere Ausbaustufen ( staging ) NuFac I NuFac II Detektor -masse (effektiv) 10 kt 50 kt Targetleistung 0.75 MW 4 MW 31

32 Erwartete Ergebnisse (1) Man erhofft eine Sensitivität auf sin 2 2θ 13 bis 10-4 Simulation für L = 2800 km m θ = eV sin 2 = 32

33 Erwartete Ergebnisse (2) Durch sorgfältige Wahl der Baseline ist eine Messung von δ möglich Es wird eine Baseline von km diskutiert Messung des Vorzeichens von m 322 durch Materieeffekt möglich (ab 2000km) Die rote Linie ist für δ=0, im schraffierten Bereich variiert δ von -π/2 bis /π2 33

34 Neutrino-Oszillations Tomographie Materie beeinflusst Neutrinooszillationen (Materie enthält keine Myonen und Tauonen) Kennen wir die Oszillationsparameter können wir auf die durchflogene Materie schließen Anwendung in Geophysik (Messung der Dichteverteilung) 34

35 Wie gut ist die Auflösung? Bei T2K (L=295km) werden keine Materieeffekte berücksichtigt Erwartet ~100km gestrichelte Linie = heute bekannte Verteilung (durch Analyse von Erdbeben etc.) durchgezogene Linie = Simulierte Dichteverteilung der Erde durchν Daten 35

36 Beta Beams

37 Die Idee Der Neutrinostrahl wird durch den Beta- Zerfall radioaktiver Elemente erzeugt Bsp.: 6 2 He Li e + ν e 37

38 Reiner ν e Strahl Vorteile Unreinheiten durch nicht reiner Isotopentrennung Die Energiespektren und Intensitäten sind gut vermessen Durch Lorentz-boost starke Fokussierung (hohes γ~100) Wichtig für Long-Baseline Experimente Unter gleichen Bedingungen (Energie, Baseline) ein um Faktor 100 höherer Neutrinofluss als bei Neutrinofabriken 38

39 Möglicher Detektor 39

40 Kriterien Mögliche Elemente Bevorzugt Edelgas, da Diffusion aus dem Target und gasförmig bei Raumtemperatur Nicht zu kleine Lebensdauer für erforderliche Intensität Nicht zu lange Lebensdauer, da sonst kein Zerfall bei hohen Energien Vermeidung von gefährlichen und langlebigen Zerfallprodukten Bester Kompromiss Helium-6 zur Produktion von Antineutrinos Neon-18 zur Produktion von Neutrinos 40

41 Produktion der Ionen Produktion von Ionen/s bei ~200kW auf das Target Für 18 Ne ein MgO target Produktionsrate um Faktor 100 zu klein Evntl. 19 Ne 41

42 Zusammenfassung Es gibt vielversprechende Projekte und Planungen Was sollten zukünftige Experiment leisten? Bestimmung der fehlenden Parameter, welche Neutrinooszillationen beschreiben Massenhierarchie bestimmen Suche nach CP-Verletzungen im leptonischen Sektor Überraschungen?? Neutrinoexperimente sind ein wichtiges Fenster in die Physik jenseits des Standardmodells 42

43 Ende