Neutrino-Oszillationen: Status und aktuelle Experimente

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1 Neutrino-Oszillationen: Status und aktuelle Experimente Caren Hagner Universität Hamburg Neutrinomassen und Neutrinomischung Neutrinooszillationen Oszillationen von atmosphärischen & Beschleuniger Neutrinos: SuperK und K2K Aktuelle LongBaseline Experimente: MINOS OPERA (falls noch Zeit) Neues von den Sonnenneutrinos: BOREXINO Zusammenfassung Caren Hagner, Universität Hamburg Kolloquium RWTH Aachen,

2 Fundamentale Teilchen Quarks: Leptonen: u c t v e v μ v τ d s b μ - τ - e - Caren Hagner, Universität Hamburg Kolloquium RWTH Aachen,

3 Neutrino Oszillationen wurden beobachtet Neutrinos haben Masse! Zahlreiche experimentelle Ergebnisse in den letzten Jahren JAPAN Super-Kamiokande & K2K CANADA SNO +Homestake (USA), +Gallex/GNO (Italy), +SAGE (Russia) +SK JAPAN KamLAND v μ v τ,(s) Oszillation Δm ev 2 v e v μ,τ Oszillation Δm ev 2 + MINOS (USA) + LNGS (Italy) atmospheric neutrinos accelerator neutrinos solar neutrinos reactor neutrinos

4 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 3.5 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 Caren Hagner, Universität Hamburg Kolloquium RWTH Aachen,

5 Caren Hagner, Universität Hamburg Kolloquium RWTH Aachen, Neutrinomasse und -mischung Neutrino Mischung = 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 3 massive Neutrinos: ν 1, ν 2, ν 3 mit Massen: m 1,m 2,m 3 Flavor-Eigenzustände v e,v μ,v τ Massen-Eigenzustände v U v U v U v e e e e + + = Beispiel:

6 Neutrino Mischung für 2 Flavors ν μ = ντ cosθ 23 sinθ 23 sinθ cosθ ν 2 ν 3 v μ = cosθ23 v2 + sin θ 23 v 3 Die Wahrscheinlichkeit, dass v μ die Masse m 2 hat ist cos 2 θ 23 Mischungswinkel Wahrscheinlichkeit für best. Masse Wir wissen jetzt, dass θ o : v = v μ ( v ) 3 v = v τ ( v ) z.b. Wahrscheinlichkeit, dass v μ Masse m 2 hat: 5% Caren Hagner, Universität Hamburg Kolloquium RWTH Aachen,

7 Neutrino Oscillations ν μ = cosθ 23 ντ sinθ 23 sinθ cosθ ν 2 ν 3 Flavor eigenstates v μ, v τ Mass eigenstates v 2,v 3 with m 2, m 3 source creates flavor-eigenstates propagation determined by mass-eigenstates v 2 detector sees flavor-eigenstates v μ v 3 v τ τ W W μ ω 2 2 2,3 = E 2,3 = p + m2,3 slightly different frequencies phase difference changes p,n hadrons Caren Hagner, Universität Hamburg Kolloquium RWTH Aachen,

8 2 Flavor Neutrino Oscillations Oscillation probability P( ν μ ν ) = sin τ 2 (2θ ) sin 23 2 π x L osz P( ν Survival probability μ ν ) = 1 sin L osz μ 2 (2θ ) sin π L osz 2.48 E(in GeV) ( in km) = 2 2 Δm (in ev ) 23 2 x Probability to find v τ Probability to find v μ L osz, m 2 sin 2 (2θ) Δ m 2 = m 2 2 m 2 3 Distance x in L osz Caren Hagner, Universität Hamburg Kolloquium RWTH Aachen,

9 Caren Hagner, Universität Hamburg Kolloquium RWTH Aachen, Parametrisierung der Neutrinomischung Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata (PMNS) Matrix: 3 Mischungswinkel: θ 12, θ 23, θ 13 1 Dirac-Phase (CP verletzend): δ Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata (PMNS) Matrix: 3 Mischungswinkel: θ 12, θ 23, θ 13 1 Dirac-Phase (CP verletzend): δ = ν ν ν ν ν ν δ δ τ μ c s s c c e s e s c c s s c i i e θ sol θ 13, δ θ atm Θ 23 : 34 o -58 o θ 13 <13 o, δ? θ 12 : 29 o -39 o

10 Leptons vs Quarks Caren Hagner, Universität Hamburg Kolloquium RWTH Aachen,

11 Caren Hagner, Universität Hamburg Kolloquium RWTH Aachen, Neutrino Oscillations (23) = ν ν ν ν ν ν δ δ τ μ c s s c c e s e s c c s s c i i e v μ v τ Oscillations Atmospheric neutrinos & accelerator neutrinos

12 SuperKamiokande Atmospheric Neutrino Results L/E Analysis (PRL93 (24) 1181), Best Fit: sin 2 2θ = 1.2 Δm 2 = ev 2 Full SK-I data set, 9% CL (PRD71 (25) 1125): sin 2 2θ > ev 2 <Δm 2 < ev 2 confirmed by K2K experiment (accelerator neutrinos) Caren Hagner, Universität Hamburg Kolloquium RWTH Aachen,

13 Aktuell: 2 Long Baseline Experimente MINOS (seit 25) Neutrinostrahl (NuMI) vom Fermilab zur Soudan Mine L = 735 km, E = 3.5 GeV Ziel: Höhere Präzision von Δm 232, (θ 23 ) OPERA (Start Juni 28, erster CNGS Teststrahl August 26) Neutrinostrahl (CNGS) vom Cern zum Gran Sasso Labor L = 732 km, E = 17 GeV Ziel: direkter Nachweis des v T Caren Hagner, Universität Hamburg Kolloquium RWTH Aachen,

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15 statistics! energy resolution! no oscill with oscill

16 MINOS Detectors Near Detector Far Detector 1 kton, m 282 steel, 153 scintillator planes 5.4 ktons, 8 8 3m 484 steel/scintillator planes Caren Hagner, Universität Hamburg Kolloquium RWTH Aachen,

17 Event Topologies Monte Carlo ν μ CC Event NC Event ν e CC Event UZ VZ 3.5m 1.8m 2.3m long μ track + hadronic activity short event, often diffuse short event, typical EM shower profile Caren Hagner, Universität Hamburg Kolloquium RWTH Aachen,

18 MINOS Results: Fit to Oscillation Hypothesis Δm sin θ = = ev 2 / c 4 (68%CL) (9%CL) (best fit) (for pot) Preliminary Results from MINOS on Muon Neutrino Disappearance Fermilab-pub-7-413, arxiv: v2 [hep-ex] Caren Hagner, Universität Hamburg Kolloquium RWTH Aachen,

19 MINOS: Allowed Regions sin 2 2ϑ 23 = 1..8 Caren Hagner, Universität Hamburg Kolloquium RWTH Aachen,

20 MINOS: Future Sensitivity Caren Hagner, Universität Hamburg Kolloquium RWTH Aachen,

21 OPERA Neutrino beam (v μ ) from CERN to Gran Sasso Underground Lab (Italy) v τ Appearance! 732 km LNGS v μ v τ? Erster Teststrahl im August 26, Start: Mitte Juni 28! Caren Hagner, Universität Hamburg Kolloquium RWTH Aachen,

22 CNGS Neutrino Beam Neutrino beams worldwide: CNGS beam: starting E v = 17 GeV, P =.3 MW K2K beam (Japan): terminated E v = 1.3 GeV, P =.5 MW NuMI beam (USA): since 25 E v = 3.5 GeV, P =.4 MW T2K Superbeam (Japan): 29 Ev =.7 GeV, P =.75-4 MW

23 OPERA: CNGS beam E v = 17GeV / = 4% v μ v μ ( v v ) / v = e + e μ.87% 4GeV p on graphite target pot/year Caren Hagner, Universität Hamburg Kolloquium RWTH Aachen,

24 Querschnitt des Neutrinostrahls CNGS beam at 732km (FLUKA 25) Caren Hagner, Universität Hamburg Kolloquium RWTH Aachen,

25 OPERA: Detection of v τ v τ τ - W τ-decay: τ τ τ τ μ + v e + v μ + v + v τ τ π ( nπ ) + v e + π π π ( nπ ) + v τ τ 18% 18% 48% 15% p,n hadrons 1 mm v τ v μ Typical topology of τ-decay: Kink within 1mm from vertex ν τ τ μ - Lead Hadrons Emulsions Caren Hagner, Universität Hamburg Kolloquium RWTH Aachen,

26 OPERA Target: Blei-Emulsions-Ziegel (BEZ) 1X 8kg Blei-Emulsions-Ziegel (BEZ) (gesamt 15) Caren Hagner, Universität Hamburg Kolloquium RWTH Aachen,

27 OPERA - Detector Supermodule 1 Supermodule 2 Caren Hagner, Universität Hamburg Kolloquium RWTH Aachen,

28 OPERA - Detector Supermodule 1 Target Region: - Target Tracker (Scintillator) - Lead/Emulsion Bricks (75. per Supermodule) Caren Hagner, Universität Hamburg Kolloquium RWTH Aachen,

29 OPERA - Detector Supermodule 1 Target v μ X B B Magnet-Region: Iron & RPC Planes Precision Tracker: 6 Planes of Drifttubes Caren Hagner, Universität Hamburg Kolloquium RWTH Aachen,

30 OPERA Brick Assembly Machine (BAM) Blei-Emulsions-Ziegel werden im Untergrundlabor hergestellt Dunkelraum 5 mit Robotern automatisierte, parallele Stationen BAM at LNGS Caren Hagner, Universität Hamburg Kolloquium RWTH Aachen,

31 OPERA Brick Manipulating System Detektor ist bald gefüllt! Caren Hagner, Universität Hamburg Kolloquium RWTH Aachen,

32 Brick Finding track reconstruction in electronic detectors prediction for location of primary vertex TT give approximate angle and position of tracks for scanback (3cm x 5cm) one or more bricks are extracted and stored υ Track found p.h.: max Prediction on CS Caren Hagner, Universität Hamburg Kolloquium RWTH Aachen,

33 Entwicklung der LNGS BEZ werden in cosmic ray pit (Oberfl.) gebracht Lokales Alignment mit kosmischen Myonen 5 automatische Filmentwicklungsstrecken stehen bereit 5 BEZ/Tag (16h) Cosmic-ray pit Caren Hagner, Universität Hamburg Kolloquium RWTH Aachen,

34 Scanning 1 Scanning Labors in Europa und Japan Field of view 16 tomographic images = 45µm 2 emulsion sides (45 μm) 3µm 3µm 3µm 2D image processing 3D reconstruction of particle tracks 1 plastic base (2 μm) speed : 2cm²/hour/emulsion side 1 emulsion sheet (2 sides) 12h scanning ~5GB Caren Hagner, Universität Hamburg Kolloquium RWTH Aachen,

35 Scanning Field of view: 2d image: 16 tomographic images 3μm 44 μm emulsion sheet Vertex reconstruction & kinematical analysis

36 Erwartetes Signal channel Maximale Mischung, 5 Jahre 4.5x1 19 pot / Jahr Reconstruction efficiency x BR % Background Total OPERA mit 1.35kt (75%) Untergrundprozesse: Charm Erzeugung und Zerfall Hadron re-interactions im Blei Myon Streuung im Blei mit großen Winkeln Erwartete Ereignisraten: 62 v μ CC+NC /Jahr 19 v τ CC/Jahr Caren Hagner, Universität Hamburg Kolloquium RWTH Aachen,

37 v T Discovery - Exclusion OPERA discovery probability vs. Δm 2 μτ Exclusion plot at 9% C.L. Discovery probability in % 3 σ 5 σ Δm 2 μτ (ev2 ) OPERA 75% mass OPERA 1% mass Δm 2 μτ (1-2 ev 2 ) sin 2 2θ μτ Caren Hagner, Universität Hamburg Kolloquium RWTH Aachen,

38 Erster CNGS Testrun: August 18 3, 26 Detektor war noch ohne Blei/Emulsion Ziegel Insgesamt: pot ~ 32 Ereignisse (v μ CC) beobachtet ~ 3 ± 1-2% Ereignisse erwartet Ereignis Merkmale: Zeitabstand zum CNGS spill (~ 1μs) Richtung ~ (3.4±.3) o Target: Fels, Detektormaterial, Eisen der Magnete. Caren Hagner, Universität Hamburg Kolloquium RWTH Aachen,

39 Direction of CNGS neutrino beam 3.5 o Caren Hagner, Universität Hamburg Kolloquium RWTH Aachen,

40 CNGS beam direction measurement μ zenith angle y θ y > θ y < z August6 testrun result: <θ> = 3.4 ±.3 degrees Caren Hagner, Universität Hamburg Kolloquium RWTH Aachen,

41 Time Synchronisation event selection using GPS timing information event timing agrees with CNGS time structure background O(1-4 ) 1.5 μs 1.5 μs 5 ms Cosmic background 1 4 Caren Hagner, Universität Hamburg Kolloquium RWTH Aachen,

42 ν CC in Target Tracker (real event) Caren Hagner, Universität Hamburg Kolloquium RWTH Aachen,

43 μ bundle (cosmics) (real event) Caren Hagner, Universität Hamburg Kolloquium RWTH Aachen,

44 Myonenspuren in den BEZ April 17th - May 15th 27: 3 bricks extracted 28 muons found in emulsions Muon track inside CS-emulsions Mean prediction accuracy (ED-brick): Δx = 11 mm (along the tray) Δy = 14 mm (vertical direction) Δθx = 6. mrad Δθy = 3.3 mrad Caren Hagner, Universität Hamburg Kolloquium RWTH Aachen,

45 Teststrahl 27: Auswertung läuft Detektor mit ca. 6 Blei-Emulsions-Ziegeln (4%) gefüllt Insgesamt 8.24 E 17 pot 32±6 Ereignisse in BEZ erwartet (75% CC, 25% NC). 38 Ereignisse in BEZ beobachtet (29CC, 9NC), davon 36 mit gutem CS tagging, 2 ohne CS track to brick matching 25 bereits analysiert 9 noch in Arbeit WEITERER MEILENSTEIN ERREICHT: erstmals wird das Scannen der Emulsionen und die Rekonstruktion in den BEZ getestet. Caren Hagner, Universität Hamburg Kolloquium RWTH Aachen,

46 Erstes OPERA-Ereignis in BEZ! Caren Hagner, Universität Hamburg Kolloquium RWTH Aachen,

47 Event Track SlopeX SlopeY Length IP (μ) Caren Hagner, Universität Hamburg Kolloquium RWTH Aachen,

48 Kink-Analysis θ =.31 rad flight length of parent ~ 5mm: too long for τ momentum of daughter: P = 3.1 ±.7GeV (measured using multi-scattering) P T =96±2MeV (Cut for Charm >=25MeV) Probably hadronic re-interaction (preliminary) Caren Hagner, Universität Hamburg Kolloquium RWTH Aachen,

49 Event Caren Hagner, Universität Hamburg Kolloquium RWTH Aachen,

50 Charm-Candidate Secondary Vertex: daughter momentum = GeV kink angle =.24 rad flight length = 3247 μm PT = 796 MeV PT MIN = 66 MeV (9% C.L.) kink -topology elektromagnetic shower Preliminary! Caren Hagner, Universität Hamburg Kolloquium RWTH Aachen,

51 Interactions Outside the Target used to monitor detector and beam 365 beam events selected and analysed 331 survived the cuts 33 have been expected vertical angle Caren Hagner, Universität Hamburg Kolloquium RWTH Aachen,

52 Zusammenfassung - OPERA Elektronische Detektoren laufen erfolgreich. CNGS Neutrinostrahl wurde erfolgreich getestet. Erste Ergebnisse stimmen gut mit MC Erwartungen überein. Die vollständige Analysekette wurde erfolgreich durchlaufen. Erste Neutrinoereignisse wurden in BEZ rekonstruiert. Ein Charm Kandidat wurde gefunden. Target aus BEZ wird im Juni/Juli 28 komplett installiert sein. Nominaler Strahlbetrieb beginnt Mitte Juni 28. OPERA wartet auf den ersten ν τ -Kandidat! Caren Hagner, Universität Hamburg Kolloquium RWTH Aachen,

53 Zusammenfassung: Oszillation von Myon-Neutrinos (in Tau-Neutrinos) Das Verschwinden von atm. Neutrinos v μ (SK) wird erklärt durch Neutrino Oszillation im Vakuum mit: v μ v τ Δm 2 23 = ev 2 θ 23 ~ 45 o Dies wurde bestätigt durch (Verschwinden von v μ ): K2K: v μ Strahl ( 1 GeV) L = 25 km MINOS: v μ Strahl ( 3 GeV) L = 75 km Noch zu zeigen: OPERA: Nachweis der bei der Oszillation entstehenden v τ! Caren Hagner, Universität Hamburg Kolloquium RWTH Aachen,

54 Caren Hagner, Universität Hamburg Kolloquium RWTH Aachen,

55 Caren Hagner, Universität Hamburg Kolloquium RWTH Aachen, Neutrino Oscillations (12) = ν ν ν ν ν ν δ δ τ μ c s s c c e s e s c c s s c i i e v e v μ,τ Oscillations: θ 12, Δm 2 12 Solar Neutrinos + Reactor Neutrinos

56 Solar-v & KamLAND: Δm 2 12 and θ 12 tan tan 2 2 θ 12 = , -.7, Δm Δm = ev ev 2 2 (1σ) (1σ) (θ o ± 5 o ) solare v s Caren Hagner, Universität Hamburg Kolloquium RWTH Aachen,

57 Neue Generation von Sonnenneutrino Experimenten Methode: ultrareiner Flüssigszintillator energy of the neutrinos in MeV 7 Be: E v = 86 kev, monoenergetische Linie Caren Hagner, Universität Hamburg Kolloquium RWTH Aachen,

58 Kamland Borexino Erstes Ergebnis im August7! (Update Mai 28) Reaktor Sonne Sonne Reaktor 1t liquid scintillator <L reaktor > = 175 km Kamioka Mine: 27mwe 3t liquid scintillator <L reaktor > = 8 km Gran Sasso: 36mwe

59 Technical challenge for Borexino & KamLAND extreme requirements on radiopurity of scintillator 14 C / 12 C < 1-18 for 1 background event/ day/1t within (25-8 kev): U < g/g Th < g/g K < g/g

60 LNGS (14m) 22 3t 18m Caren Hagner, Universität Hamburg Kolloquium RWTH Aachen,

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62 Detection of solar neutrinos in BOREXINO: Elastic neutrino electron scattering s v + e vx + e x (dominated by v e ) (Kinematics like Compton effect) ν e,μ,τ ν e,μ,τ t v e can interact via CC + NC v μ and v τ can only interact via NC!

63 BOREXINO Expected (electron) energy distribution: 14 C (backgr.) 7 Be pep Edge at 665 kev Caren Hagner, Universität Hamburg Kolloquium RWTH Aachen,

64 BOREXINO Caren Hagner, Universität Hamburg Kolloquium RWTH Aachen,

65 New BOREXINO Result (May 28) Erwartet (MSW-LMA): 48±4 cpd/1 tons arxiv: v1: New results on solar neutrino fluxes from 192 days of Borexino data (25.5.8) Caren Hagner, Universität Hamburg Kolloquium RWTH Aachen,

66 Zukunft(?) Flüssigszintillator 5kt Protonzerfall SN SN Neutrinos (diffuser Hintergrund) Sonnenneutrinos Geoneutrinos LENA: Low Energy Neutrino Astronomy Caren Hagner, Universität Hamburg Kolloquium RWTH Aachen,

67 Neutrino-Oszillationen: Abschließender Überblick Neutrino-Oszillationen wurden in zahlreichen Experimenten beobachtet Konsistentes Bild: Δm solar ev 2, Δm atm ev 2 2 Massendifferenzen und 2 Mischungswinkel gemessen MINOS: Verbesserung der Genauigkeit von Δm 23 OPERA: Nachweis der v τ Borexino (+ neue Sonnenneutrinoexperimente): Bestätigung des Oszillationsmechanimus in Materie, Überprüfung des Standard-Sonnenmodells. Es fehlt: θ 13, CPV Phase δ DoubleChooz, Nova, T2K Neutrinoloser Doppelbetazerfall?, Absolute Masse, Massenhierarchie, Caren Hagner, Universität Hamburg Kolloquium RWTH Aachen,

68 Ende Caren Hagner, Universität Hamburg Kolloquium RWTH Aachen,