Prof. Dr. Caren Hagner

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1 Prof. Dr. Caren Hagner Universität Hamburg Institut für Experimentalphysik Luruper Chaussee Hamburg Büro: DESY Gelände Bahrenfeld, Geb. 62, Zi. 210 Telefon: Webseite: Sprechstunden: nach Vereinbarung ( ) Forschungsgebiet: Neutrinophysik (Elementarteilchenphysik, Astroteilchenphysik) Physik 5, WS2013/14, Hagner/Schleper

2 Wiederholung: Schwache Wechselwirkung Die schwache Wechselwirkung wirkt zwischen allen fundamentalen Fermionen Einteilung der Prozesse nach Art des Austauschbosons: geladene Stromreaktion (engl. charged current = CC ): neutrale Stromreaktion (neutral current = NC): Einteilung der Prozesse nach Art der beteiligten Teilchen: rein leptonisch: semileptonisch: nicht leptonisch: Physik 5, WS2013/14, Hagner/Schleper 2

3 Myon-Zerfall (teilweise Wiederholung) Die schwache Wechselwirkung ist nicht deshalb schwach, weil die Kopplung klein ist, sondern weil das Austauschteilchen eine so große Masse hat! Physik 5, WS2013/14, Hagner/Schleper 3

4 Flavour (auch Flavor) Physik 5, WS2013/14, Hagner/Schleper 4 NUR die schwache Wechselwirkung kann Übergänge zwischen verschiedenen Flavorzuständen bewirken! b t s c d u v v e v e Wir betrachten zunächst die Übergänge zwischen den Quarks

5 Erklärung: Quarkmischung Ursache: Eigenzustände der schwachen Wechselwirkung Masseneigenzustände Der Einfachkeit halber zunächst Betrachtung für 2 Generationen Physik 5, WS2013/14, Hagner/Schleper 5

6 Beispiele: Physik 5, WS2013/14, Hagner/Schleper 6

7 Historische Anmerkung: GIM Mechanismus 1963 waren nur die u,d,s Quarks bekannt Physik 5, WS2013/14, Hagner/Schleper 7

8 Quarkmischung mit 3 Familien Es gibt viele Möglichkeiten die 4 Parameter zu wählen. Eine sehr verbreitete ist: V CKM i 0 0 cos13 0 sin13e cos12 sin cos sin sin12 cos sin cos i sin13e 0 cos Physik 5, WS2013/14, Hagner/Schleper 8

9 Gemessene Werte Quarkmischung hat stark hierarchische Struktur! Diese Struktur wird besser sichtbar in der Wolfenstein Parametrisierung (perturbative Näherung der CKM Matrix): Physik 5, WS2013/14, Hagner/Schleper 9

10 b s d V V V V V V V V V b s d tb ts td cb cs cd ub us ud Wiederholung: Quark-Mischung Cabbibo-Kobayashi-Maskawa (CKM) Matrix 3 Mischungswinkel 1 Phase: e i (Bedeutung für CP-Verletzung) BELLE II (Zukunft), LHCb, BELLE, BABAR, CLEO, Präzisionsexperimente zur Bestimmung der Matrixelemente b t s c d u b t s c d u Eigenzustände der schwachen Wechselwirkung Eigenzustände der schwachen Wechselwirkung Physik 5, WS2013/14, Hagner/Schleper 10

11 Die Bedeutung der komplexen Phase der CKM-Matrix Problem: Materie - Antimaterie Asymmetrie des Universums A. Sacharov 1967: Kriterien um Materie-Antimaterie Asymmetrie zu erzeugen Eines davon: CP-Verletzung muss vorhanden sein! Damals waren nur u,d,s, Quarks bekannt wurde die CP-Verletzung der schwachen Wechselwirkung im Kaon-System entdeckt. (Nobelpreis 1980 für Cronin und Fitch) Kobayashi und Maskawa erkannten, dass die Phase einer komplexen Mischungsmatrix zu CP-Verletzung führt. Allerdings muss es mindestens 3 Generationen geben, damit die Mischungsmatrix eine komplexe Phase enthalten kann. Sie sagten deshalb eine 3. Generation voraus (zu einer Zeit als noch nicht einmal die 2. Generation vollständig bekannt war!) Erst 1974 wurde das c Quark (in Form des J/Ψ Teilchens) entdeckt. Etwa ab 2000 wurde in den B-Fabriken die CP Verletzung im B-System präzise vermessen. Physik 5, WS2013/14, Hagner/Schleper 11

12 2008: Nobelpreis für Makoto Kobayashi und Toshihide Maskawa "for the discovery of the origin of the broken symmetry which predicts the existence of at least three families of quarks in nature". Kobayashi and Maskawa wrote: "Please accept our deepest respect for the B-factory achievements. In particular, the high-precision measurement of CP violation and the determination of the mixing parameters are great accomplishments, without which we would not have been able to earn the Prize." Japanese translated: first line (three characters) reads "Ko Bayashi Makoto". The second line (four characters) reads "Masu Kawa Toshi Hide". KEKB/Belle Physik 5, WS2013/14, Hagner/Schleper 12

13 Neutrinomischung (= Leptonmischung) Physik 5, WS2013/14, Hagner/Schleper 13 Bitte beachten: Da einige der folgenden Phänomene erst vor kurzem (ca bis 2013) entdeckt wurden, kann die Darstellung in Lehrbüchern veraltet sein. In vielen Büchern kommt die Leptonmischung noch gar nicht vor. Im Standardmodell: Neutrinos besitzen Ruhemasse = 0 Seit 1998 experimentell bewiesen: Neutrinos besitzen Ruhemasse. (Das schwerste Neutrino hat eine Masse im Bereich von ca.50mev 2eV) Das Standardmodell muss erweitert (geändert) werden! Auch für die Leptonen gilt: Eigenzustände der Masse Eigenzustände der schwachen Wechselwirkung U U U U U U U U U e e e e Neutrinomischung

14 Parametrisierung der Neutrinomischung Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata (PMNS) Matrix: 3 Mischungswinkel: θ 12, θ, θ 13 1 Dirac-Phase (CP verletzend): δ e c 0 θ s s c 0 c13 0 s13e i 0 1 θ 13, δ 0 s 13 c e 0 i 13 c s 0 12 θ s c Die Mischungswinkel können mit Hilfe von Neutrino-Oszillationen gemessen werden e s12c s12s c i 12ss13e i 12cs13e c c c c 12 c c 12 s s 12 s c 12 s 13 s 12 c s 13 s e 13 i e i s 13 s c e i c c Physik 5, WS2013/14, Hagner/Schleper 14

15 Die Mischungsmatrix beschreibt eine Rotation mit den 3 Eulerwinkeln v 3 v τ v τ v μ v τ θ v μ v μ v 1 v e θ 12 v e e v e θ 13 v 2 Physik 5, WS2013/14, Hagner/Schleper 15

16 Was bedeutet die Neutrinomischung? Wir können z.b. berechnen wie sich der Zustand v 3 aus dem Elektron-, Myon- und Tau-Zustand zusammen setzt : Auf diese Weise ergibt sich heute folgendes Bild (qualitativ) v e v μ v τ Physik 5, WS2013/14, Hagner/Schleper 16

17 Noch eine Darstellungsmöglichkeit: Physik 5, WS2013/14, Hagner/Schleper 17

18 Leptonmischung vs. Quarkmischung 0.2 Warum sind die Strukturen so unterschiedlich? Welche neue Physik steckt dahinter? Die nächste große Frage in der Neutrinophysik: Gibt es auch bei den Leptonen CP-Verletzung? (d.h. wie groß ist die komplexe Phase δ?) Physik 5, WS2013/14, Hagner/Schleper 18

19 Neutrino-Oszillationen Sind eine Konsequenz aus Neutrinomassen und Neutrinomischung Um die Grundzüge des Mechanismus der Neutrino-Oszillationen zu verstehen genügt es die Mischung von 2 Flavour Zuständen mit 2 Massenzuständen zu betrachten. cos sin sin cos 2 3 Bedeutung: Die Wahrscheinlichkeit, dass v μ die Masse m 2 hat ist cos 2 θ Wir wissen aus dem Experiment, dass θ 45 o : Myon- und Tau-Neutrino unterscheiden sich nur in der Phasenbeziehung der beiden Massenzustände. Physik 5, WS2013/14, Hagner/Schleper 19

20 Mechanismus der Neutrino-Oszillationen (stark vereinfacht) Flavor eigenstates v μ, v τ cos sin sin cos 2 3 Mass eigenstates v 2,v 3 with m 2, m 3 source creates flavor-eigenstates propagation determined by mass-eigenstates detector sees flavor-eigenstates v 2 v μ v 3 v τ τ W W μ p,n hadrons Physik 5, WS2013/14, Hagner/Schleper 20

21 Ozillationswahrscheinlichkeit P( ) sin m in ev Lin km 2 sin in GeV Physik 5, WS2013/14, Hagner/Schleper 21 E

22 Experimente zu Neutrino-Oszillationen Wahrscheinlichkeit, dass ein Neutrino eines anderen Flavors erscheint (= Appearence ) Wahrscheinlichkeit, dass Neutrino des ursprünglichen Flavors verschwindet ( Disappearence ) Physik 5, WS2013/14, Hagner/Schleper 22

23 Beispiel: Messung von KamLAND Neutrinos aus Kernreaktoren: Nur Anti-Elektron Neutrinos, im Bereich von ca MeV. KamLAND sieht Anti-Neutrinos aller japanischen Kernkraftwerke. Die Energie der Anti-Neutrinos wird gemessen mit der Reaktion: Die mit der Reaktorleistung gewichtete mittlere Entfernung ist L 0 180km. Physik 5, WS2013/14, Hagner/Schleper

24 Wiederholung: Neutrinooszillationen P( ) sin m in ev Lin km 2 sin E in GeV 2 2 P( ) 1sin 2 sin m in ev Lin km 2 2 E in GeV Physik 5, WS2013/14, Hagner/Schleper 24

25 Die zahlreichen Oszillationsexperimente liefern ein konsistentes Bild der Neutrino Oszillationen Super-Kamiokande SNO KamLAND v μ v,(s) Oszillation Δm ev 2 v e v μ,τ Oszillation Δm ev 2 + K2K, MINOS, OPERA, T2K atmospheric neutrinos accelerator neutrinos + Gallex/GNO, Sage, Super-K, Homestake, BOREXINO solar neutrinos + Double Chooz, Daya Bay, RENO reactor neutrinos

26 Präzisionsmessung der Neutrino-Oszillationen

27 MINOS: Suche nach dem Verschwinden der v µ = Disappearance Experiment m sin ev 2 (90%CL) (90%CL) Measurement of the neutrino mass splitting and flavor mixing by MINOS MINOS Coll., Phys.Rev.Lett.106:181801,2011 (arxiv: )

28 Typisches Diagramm der erlaubten Werte der Oszillationsparameter (Hier: Vergleich der Oszillationen von Neutrinos und Anti-Neutrinos bei MINOS) MINOS arxiv:

29 Solare Neutrinos 4 p He 4 2e 2 e 26.7MeV T Zentral = 15 Mio K v e /cm 2 s Solarkonstante Neutrino light from 11 MeV/cm the Sun 2 s (Super-Kamiokande)

30 Creighton Mine (Nickel) Sudbury, Canada Depth 2070m 1000t D 2 O 9500 PMTs

31 Neutrino Nachweis in SNO CC ES NC v e v v e d p p e e d v e p n x v x e

32 Ergebnis von SNO Der gesamte Fluss der Neutrinos (Elektron-, Myon- und Tau-Flavor) stimmt mit dem vom Standard Sonnenmodell vorhergesagten überein. Auf der Erde kommen nur 1/3 der Neutrinos als Elektron-Neutrinos an (Disappearence). 2/3 der Neutrinos werden als Myonoder Tau-Flavor nachgewiesen. Sie sind durch Neutrino-Oszillationen aus den ursprünglich emittierten Elektron-Neutrinos hervorgegangen (Appearence). In der Sonne kommt es durch die hohen Elektronendichten zu effektiven Mischungswinkeln und effektiven Massenzuständen ( = MSW Effekt). Physik 5, WS2013/14, Hagner/Schleper 32

33 Anmerkung zur Historie: : B. Pontecorvo beschreibt erstmals die Möglichkeit von Neutrino Oszillationen (Weil aber damals nur v e bekannt war, dachte er an Neutrino Anti-Neutrino Oszillationen) 1962 Maki, Nakagawa, Sakata beschreiben die Mischung von 2 Flavors und diskutieren Übergänge zwischen den Neutrino Flavors vollständige Diskussion der 2 Flavor Mischung, Möglichkeit von Oszillationen der Sonnen-Neutrinos und der Existenz von sterilen Neutrinos durch B. Pontecorvo. Physik 5, WS2013/14, Hagner/Schleper 33

34 Was wissen wir über die Neutrinomassen? v e v μ v τ Δm 2 solar ev 2, Δm 2 atm ev 2 2 ev v 1 v 2 v ev v 3 Δm solar v 2 v 1 Δm atm Δm atm Δm solar v 2 v 1 v 3 normale Hierarchie Invertierte Hierarchie Quasi-entartet

35 Helizität Achtung: Die Helizität hängt vom Bezugssystem ab. Beispiel: Physik 5, WS2013/14, Hagner/Schleper 35

36 Chiralität (Händigkeit) Chiralität (Händigkeit): Lorentzinvariante Größe Für masselose Teilchen (in sehr guter Näherung für Neutrinos) ist Helizität = Händigkeit linkshändig: Chiralität = -1, rechtshändig: Chiralität = +1. Für massive Teilchen gilt: Linkshändig: Die Wahrscheinlichkeit für h = -1 ist größer (proportional zu β = v/c) doch auch h = +1 kommt vor (proportional zu 1-β). Rechtshändig: Die Wahrscheinlichkeit für h = +1 ist größer (proportional zu β = v/c) doch auch h = -1 kommt vor (proportional zu 1-β). An der schwachen Wechselwirkung nehmen nur linkshändige Teilchen und rechtshändige Antiteilchen teil. (Masselose) Neutrinos sind immer linkshändig, (masselose) Antineutrinos sind immer rechtshändig. Physik 5, WS2013/14, Hagner/Schleper 36

37 Maximale Verletzung der Parität in der schwachen Wechselwirkung Vor 1956: Man nahm an, dass die Gesetze der Physik nicht zwischen Bild und Spiegelbild unterscheiden. 1956: Lee & Yang vermuten, dass dies in der schwachen WW verletzt sein könnte. Sie schlagen einen experimentellen Test vor. 1957: Experiment von C. S. Wu zum Beta-Zerfall von 60 Co Die Paritätsverletzung in der schwachen Wechselwirkung ist kein kleiner Effekt, sie ist sogar maximal! Sie ist ein Hauptmerkmal der schwachen Wechselwirkung: Physik 5, WS2013/14, Hagner/Schleper 37

38 Entdeckung der P-Verletzung: Experiment von C. S. Wu Physik 5, WS2013/14, Hagner/Schleper 38

39 Der Zerfall des Pions Physik 5, WS2013/14, Hagner/Schleper 39