Kerne und Teilchen. Neutrinos. Moderne Experimentalphysik III Vorlesung 21. MICHAEL FEINDT INSTITUT FÜR EXPERIMENTELLE KERNPHYSIK

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1 Kerne und Teilchen Moderne Experimentalphysik III Vorlesung 1 MICHAEL FEINDT INSTITUT FÜR EXPERIMENTELLE KERNPHYSIK Neutrinos KIT Universität des Landes Baden-Württemberg und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft

2 Neutrino Quellen solare Neutrinos: /cm Erdoberfläche /Sekunde atmosphärische Neutrinos: durch hadronische Schauer hochenergetischer kosmischer Strahlung in der Atmosphäre: hadronischer Schauer: es entstehen viele π - Mesonen π µ - µ e - e µ erwarte: µ / e = : Michael Feindt, Moderne Physik III, Vorlesung 1

3 Neutrino Quellen Supernova SN 1987A : dominante Energiefreisetzung Kernkraftwerke : 10 0 e /s Neutrinostrahlen am Beschleuniger: Urknall: Dichte im Universum ist heute 300 /cm 3 p + n Michael Feindt, Moderne Physik III, Vorlesung 1

4 Neutrinomasse und -Helizität Standardmodell: Neutrinos sind masselos (aber neue Resultate sprechen für kleine Massen!) nur linkshändige Leptonen nehmen an der schwachen WW teil. Es gibt keine rechtshändigen Neutrinos. ( Paritätsverletzung) linkshändige Teilchen: SU() Dubletts L L (speziell unitäre Gruppe) rechtshändige Teilchen: SU() Singletts Wenn masselos ist, dann ist die Geschwindigkeit v gleich der Lichtgeschwindigkeit c, in jedem Bezugssystem: Es gibt keine Lorentztransformation, die aus einem linkshändigen ein rechtshändiges Neutrino machen kann. Aber: Wenn eine kleine Masse haben, dann existieren auch rechtshändige Neutrinos. e L e e L R µ τ µ L τ L µ R τ R Michael Feindt, Moderne Physik III, Vorlesung 1

5 erste Neutrinoexperimente Neutrinoexperimente sind schwierig, weil ihr WQ sehr klein ist: σ 43 n( 1MeV ) 10 cm mittlere freie Weglänge in Wasser: 10 7 d SE sehr hoher Neutrinofluss sehr große Detektoren viel Zeit (Sonne-Erde: km) σ p E : hochenergetische Neutrinos sind besser nachzuweisen erste Neutrinos ( e ) in der Nähe von Kernreaktoren (ca. 1950) Anfang 60er Jahre: erster µ Neutrinostrahl in Brookhaven: Neutrinos: 51 Reaktionen in Funkenkammer alles µ, kein e Beweis, dass es Arten von Neutrinos gibt Nobelpreis 1989: Ledermann, Schwartz, Steinberger 1975 wurde τ Lepton entdeckt: Martin Pearl (Nobelpreis) e + e - e + µ - + fehlende Energie τ + τ - e + µ - e µ es muss ein τ Neutrino existieren. τ τ Michael Feindt, Moderne Physik III, Vorlesung 1

6 1991: Kühn und Wagner Vorschlag Methode: τ Feindt ARGUS-Kollaboration τ Übersetzung Monte-Carlo-Simulation das τ Neutrino ist linkshändig und das Anti τ Neutrino rechtshändig W - τ W τ τ e µ e µ u d u d a 1 τ π ρ ( Spin0) ππ 3 π τ- τ a 1-4 π 5 π PCAC Partially Conserved Axial Currents 1 ρ 0 π - π + π - π - π - ρ 0 π + π - π - Dalitz-Plot: m π+ π- m π+ π- Bose Symmetrie zwischen π 1 - und π - : ρ [( ρ π ) ρ ] 1 π + ρ π1 = ρ1 π + ρ π1 + Re 1 * π1 man kann zwischen Hel. +1 und -1 des a 1 unterscheiden! Links-Rechts Asymmetrie beobachtbar Helizität des a 1 Mesons Helizität desτ Neutrino Michael Feindt, Moderne Physik III, Vorlesung 1

7 000: DONUT Experiment Fermilab - hochenergetischer Strahl, der auch viele τ enthält - Suche in Emulsionstarget nach kurzen Spuren, die von einem τ Lepton herrühren, und Zerfallsprodukte vom τ. (Knick durch τ µ - µ τ ) µ µ τ * Existenz und Unterscheidbarkeit des 3. Neutrinos nachgewiesen Michael Feindt, Moderne Physik III, Vorlesung 1

8 Quelle: DONUT Coll., Phys.Lett.B504:18-4, Michael Feindt, Moderne Physik III, Vorlesung 1

9 Neutrinomassen Wenn e, µ, τ unterschiedliche Massen haben, dann kann es zu Neutrinooszillationen e τ, µ e, kommen (muss aber nicht). Direkte Massenmessungen waren bisher erfolglos, Grenzen auf m( e ) m( µ ) m( τ ) < ev < kev < MeV Massive Neutrinos: die Eigenzustände der schwachen WW sind nicht die Eigenzustände des Massenoperators, sondern eine Superposition der Massen-Eigenzustände. Eigenzustände der schwachen WW e = µ M τ (PMNS Matrix) x 3 Mischungsmatrix Massen- Eigenzustände Michael Feindt, Moderne Physik III, Vorlesung 1

10 Neutrinoarten Oszillationen bei Neutrinoarten (Vereinfachung) e = cosθ + 1 sinθ µ = 1 sinθ + cosθ bei reinem e Strahl (z.b. Sonne) mit Impuls p: nach Flugstrecke L wird daraus eine Mischung aus e und µ ( t) 1 ( t) = = (0) 1 (0) e e ie t 1 ie t E i e = p (0) = 1 + mi ; µ p + m i (0) = 0 p Ie( t) e( t) ( E E1) t = = 1 sin (θ ) sin I (0) (0) e e E E = ( m m ) / p = m / p 1 ( 1 t = L / v = L E / p Ie ( t ) = 1 P( ) 1 sin ( ) sin ( m L e µ = θ ) I (0) 4E e Modellparameter: m, θ Wenn es m > 0 und θ 0 zwischen irgendwelchen Neutrinosorten gibt, sollte es Oszillationen geben. "Disappearance" Experimente: e weniger e "Appearance" Experimente: e µ, τ es kommen zu wenig Neutrinos (von der Sonne) an es werden Neutrinos beobachtet, die nicht erzeugt worden sind Michael Feindt, Moderne Physik III, Vorlesung 1

11 Sonnen Neutrinos entstehen im Kernfusionszyklus in der Sonne 4p He + e + + e + 6,7 MeV pp nn verschiedene Arten von Detektoren, die unterschiedliche E Nachweisschwellen haben. über 30 Jahre hat sich die Evidenz verdichtet, dass zu wenig e von der Sonne auch als e auf der Erde ankommen (ca 1/3 bis 1/) Michael Feindt, Moderne Physik III, Vorlesung 1

12 Super Kamiokande (Japan) detektiert atmosphärische Neutrinos erwarte: µ / e = : t Wasser Tank µ p µ + e p e + X X erzeugen Cherenkov Licht Lichtkegel werden durch riesiges Photomultiplier Array aufgenommen µ und e Spuren sind unterscheidbar beobachtet: µ / e 1 µ verschwinden auch Tag-Nacht Effekt : "Winkelverteilung" µ / e hängt von der durchquerten Materie ab resonante µ e Oszillationen in Materie: MSW Effekt σ µ p σ e p Super-Kamiokande (Japan): (Mikheyev, Smirnov, Wolfenstein) Michael Feindt, Moderne Physik III, Vorlesung 1

13 From the AIP-website: Located in Japan, Super-Kamiokande is a detector that studies the elusive particles known as neutrinos. This is a picture of the detector wall and top with about 9000 photomultiplier tubes which help detect the neutrinos Michael Feindt, Moderne Physik III, Vorlesung 1

14 Super Kamiokande: Aufbau Michael Feindt, Moderne Physik III, Vorlesung 1

15 Michael Feindt, Moderne Physik III, Vorlesung 1

16 weitere Experimente CHORUS, NOMAD (CERN) suchen nach µ τ Transformationen auf einer Strecke von 600 m Long Baseline Experiment: KK 50 km Opera Experiment (CERN Gran Sasso 010): erstes Ereignis, das µ τ Oszillationen beweist µ wurde am CERN erzeugt, τ im Gran Sasso-Tunnel (Italien) nach 730 km nachgewiesen Michael Feindt, Moderne Physik III, Vorlesung 1

17 Opera Experiment Michael Feindt, Moderne Physik III, Vorlesung 1

18 Das 4. Neutrino...? Wenn alle Experimente richtig sind, müsste es ein 4. Neutrino geben (steriles Neutrino). wahrscheinlich ist ein Experiment falsch (Kandidat: LNSD) Haupteffekte SNO: µ e τ τ Konkurrenz KARMEN (Kampert) Sudbury Neutrino Observatory misst Gesamtzahl von solaren Neutrinos mit D O (schwerem Wasser) Neutrinoeinfang: nur e Streuung am Elektron: σ ( e ) >> σ ( µ, τ ) Spaltung d p n : σ ( e ) = σ ( µ ) σ( τ ) erste Ergebnisse: totale Rate stimmt mit Theorie überein Michael Feindt, Moderne Physik III, Vorlesung 1

19 SNO Experiment Michael Feindt, Moderne Physik III, Vorlesung 1

20 Michael Feindt, Moderne Physik III, Vorlesung 1