Kern- und Teilchenphysik

Transkript

1 Kern- und Teilchenphysik Johannes Blümer SS2012 Vorlesung-Website KIT-Centrum Elementarteilchen- und Astroteilchenphysik KCETA KIT Universität KT2012 des Landes Johannes Baden-Württemberg Blümer und nationales Forschungszentrum in der Helmholtz-Gemeinschaft 1 IKP in KCETA

2 v Juni 2012 Schw. WW: CKM; Neutrinos... Schwache Wechselwirkung... von der Fermitheorie zu massiven Austauschbosonen Universalität der schwachen Kopplungskonstante Quarkmischung: CKM-Matrix, Erinnerung an v18 CP-Verletzung (2) Neutrino-Quark-Streuung Neutrinoquellen im Universum Neutrino-Oszillationen absolute Neutrinomasse heute W- und Z-Bosonen 2 KT2012 Johannes Blümer IKP in KCETA

3 3 CKM-Matrix aktuelle Werte These values are obtained using the method of Refs. [6,95]. Using the prescription of Refs. [102,118] gives λ = ± , A =0.832 ± 0.017, ρ =0.130 ± 0.018, η =0.350 ± [119]. The fit results for the magnitudes of all nine CKM elements are. V CKM = ± ± ± , (11.27) and the Jarlskog invariant is J =( ) Fig illustrates the constraints on the plane from various measurements and

4 4 CKM-Matrix, indirekte und direkte CP-Verletzung ossible conventions, a standard choice has become [3] c 12 c 13 s 12 c 13 e iδ V = s 12 c 12 e iδ c 12 s 12 e iδ c 13 s 12 c 12 e iδ c 12 s 12 e iδ c 13 =sin, =cos,and is the phase responsible for all

5 4 CKM-Matrix, indirekte und direkte CP-Verletzung ossible conventions, a standard choice has become [3] c 12 c 13 s 12 c 13 e iδ V = s 12 c 12 e iδ c 12 s 12 e iδ c 13 s 12 c 12 e iδ c 12 s 12 e iδ c 13 =sin, =cos,and is the phase responsible for all

6 4 CKM-Matrix, indirekte und direkte CP-Verletzung ossible conventions, a standard choice has become [3] c 12 c 13 s 12 c 13 e iδ V = s 12 c 12 e iδ c 12 s 12 e iδ c 13 s 12 c 12 e iδ c 12 s 12 e iδ c 13 =sin, =cos,and is the phase responsible for all Kopplung von W-Bosonen an Quarks hat die Form gv ij u i W + (1 5 )d j + gv ij * d j W (1 5 )u i CP-Symmetrie verlangt, dass alle Kopplungen V und Massenterme m reell sind exp(iδ) kann eine CP-Verletzung bedeuten

7 4 CKM-Matrix, indirekte und direkte CP-Verletzung ossible conventions, a standard choice has become [3] c 12 c 13 s 12 c 13 e iδ V = s 12 c 12 e iδ c 12 s 12 e iδ c 13 s 12 c 12 e iδ c 12 s 12 e iδ c 13 =sin, =cos,and is the phase responsible for all Kopplung von W-Bosonen an Quarks hat die Form gv ij u i W + (1 5 )d j + gv ij * d j W (1 5 )u i CP-Symmetrie verlangt, dass alle Kopplungen V und Massenterme m reell sind exp(iδ) kann eine CP-Verletzung bedeuten J = c 12 c 13 2 s 12 sin Jarlskog-Invariante: 0; theor. Max. = 1/6 3; Exp

8 4 CKM-Matrix, indirekte und direkte CP-Verletzung ossible conventions, a standard choice has become [3] c 12 c 13 s 12 c 13 e iδ V = s 12 c 12 e iδ c 12 s 12 e iδ c 13 s 12 c 12 e iδ c 12 s 12 e iδ c 13 =sin, =cos,and is the phase responsible for all Kopplung von W-Bosonen an Quarks hat die Form gv ij u i W + (1 5 )d j + gv ij * d j W (1 5 )u i CP-Symmetrie verlangt, dass alle Kopplungen V und Massenterme m reell sind exp(iδ) kann eine CP-Verletzung bedeuten Jarlskog-Invariante: J = c c c 2 s s s sin ; theor. Max. = 1/6 3; Exp indirekte CPV durch CKM: K L K K 1 2 auch möglich: direkte CPV in der Zerfallsamplitude

9 5 Direkte CP-Verletzung K S, K L aus CP-Eigenzuständen: K S = 1 [ K K 2 ], K L = [ K 2 + K 1 ],

10 5 Direkte CP-Verletzung K S, K L aus CP-Eigenzuständen: K S = 1 [ K K 2 ], K L = [ K 2 + K 1 ], Amplitudenverhältnisse + = + = + H W K L + H W K S, 00 = 2 = 0 0 H W K L 0 0 H W K S where = + i 0, ( = iei 2 0 ) 2 ( ( ) = iei 2 ) 0 A 2 A A 2 Im A 2 Im A 0 A 0 Re A 2 Re A 0

11 5 Direkte CP-Verletzung K S, K L aus CP-Eigenzuständen: K S = 1 [ K K 2 ], K L = [ K 2 + K 1 ], Amplitudenverhältnisse + = + = + H W K L + H W K S, 00 = 2 = 0 0 H W K L 0 0 H W K S where = + i 0, ( = iei 2 0 ) 2 ( ( ) = iei 2 ) 0 A 2 A A 2 Im A 2 Im A 0 A 0 Re A 2 Re A 0 Expt. messbares Doppelverhältnis R = ( ) ( ) 2 = Γ K 0 0 L Γ K S 0 0 ( ) ( ) = + Γ K L + Γ K S Re

12 6 direkte CPV-Diagramme

13 7 Direkte CP-Verletzung: NA48/CERN u.a. Detectors 120 m ppp K S target K L target Channeling crystal 7 10 ppp tagging Text counter TOF over 250 m

14 7 Direkte CP-Verletzung: NA48/CERN u.a. Detectors 120 m ppp K S target K L target Channeling crystal 7 10 ppp tagging Text counter TOF over 250 m Re(ε /ε) = (1.65 ± 0.26) 10 3 direkte CPV existiert!

15 8 Neutrino-/Antineutrino-WQ νν-streuung(y) u,c (d,s) W + d,s (u,c) + d,s (u,c) W u,c (d,s)

16 8 Neutrino-/Antineutrino-WQ νν-streuung(y) u,c (d,s) W + d,s (u,c) + d,s (u,c) W u,c (d,s)

17 9 NBB, WBB

18 10 Neutrino- Energiespektren

19 11

20 12 Neutrino-Quark-Streuung: CDHS

21 Neutrino-WQ extrapoliert zu kosmischen Energien Raj Gandhi, arxiv:hep-ph/ c (CTEQ4D)/σ cc (CTEQ3D)

22 Neutrino-WQ WW-Länge Raj Gandhi, arxiv:hep-ph/ km ev

23 Neutrino-Oszillationen Neutrinoquellen Suche nach Neutrinos aus astrophysikalischen Quellen Sonne: das solare Neutrinoproblem und seine Lösung Überprüfung durch Reaktorneutrino-Experimente Beschleuniger-Experimente Atmosphärische Neutrinos: Super-K Formalismus der Neutrino- Oszillationen Bruno Pontecorvo: _ Konzept Oszilla 15 KT2012 Johannes Blümer IKP in KCETA

24 Neutrinoquellen Kernreaktoren Sonne Beschleuniger Supernovae 1987a Luftschauer kosmische Beschleuniger? noch nicht gerade so Erdkruste Urknall indirekt 16

25 17 ν-energiespektren

26 18 Untergrundlabore

27 19 Neutrinoquellen Reaktorneutrinos: typ. 200 MeV pro Spaltung R P th 21 e / s e s 204MeV 204 / astrophysikalische Quellen Energien Erzeugungs-Reaktionen Urknall (thermisch, T = 1.9 K) einige µev e + + e - e,µ, + e,µ, Sonne (Kernfusion, pp, 7 Be, 8 B) < 15 MeV 4 p + 2 e - 4 He + 2 e Supernova (thermisch, Protoneutronstern) < 50 MeV e + + e - e,µ, + e,µ, Atmosphäre (kosmische Strahlung) < 10 4 GeV ± µ + µ ± e ± + µ + e kosmische Beschleuniger (µ-quasare, AGN) < GeV ± µ ± + µ (_ ) (_ ) ( _ ) ( _ )

28 20 Solare Neutrinos

29 21 Daten über solare Neutrinos 1 SNU = 1 Solar Neutrino Unit = Einfänge pro Targetatom pro Sekunde

30 22 Energiespektrum solarer Neutrinos

31 Energiespektrum solarer Neutrinos 0 / cm 2 s integraler -Fluß: / cm 2 s Fluss 23 Neutrino-Energie [MeV]

32 24 solare Neutrinospektren 2012 Table 13.2: Neutrino-producing reactions in the Sun (first column) and their abbreviations (second column). The neutrino fluxes predicted bythebps08(gs) model [102] are listed in the third column. Reaction Abbr. Flux (cm 2 s 1 ) pp de + ν pp 5.97(1 ± 0.006) pe p d ν pep 1.41(1 ± 0.011) He p 4 He e + ν hep 7.90(1 ± 0.15) Be e 7 Li ν +(γ) 7 Be 5.07(1 ± 0.06) B 8 Be e + ν 8 B 5.94(1 ± 0.11) N 13 C e + ν 13 N 2.88(1 ± 0.15) O 15 N e + ν 15 O 2.15( ) F 17 O e + ν 17 F 5.82( ) 106 Figure 13.2: The solar neutrino spectrum predicted by the BS05(OP) standard solar model [101]. The neutrino fluxes are given in units of cm 2 s 1 MeV 1 for continuous spectra and cm 2 s 1 for line spectra. The numbers associated with the neutrino sources show theoretical errors of the fluxes. This figure is taken from the late John Bahcall s web site,

33 Homestake 25 KT2012 Johannes Blümer IKP in KCETA

34 26 Super-Kamiokande

35 27 Super-K Richtungskorrelation Meßzeit: 31. Mai Juli 2001 (1496 Tage) Ereignisse/Tag 5-20 MeV Sonnen- Ereignisse (14.5 s/tag) 2 S E ( Untergrund

36 28

37 29 SNO löst das solare Neutrinoproblem 2km tief in Creighton Mine geladener Strom e -Spektrum PMTs 8-inch 1000 to D 2 O neutraler Strom e,µ, -Rate

38 30 Theorie: Experimente relat. Fehler

39 31 KamLand KamLAND Resultate Überprüfung der Resultate der solaren s mit Reaktorneutrinos im e x disappearance Modus Gesamtleistung: 70 GW (~ 7 % der Weltenergie) im Abstand d = km, E ~ 2 3 MeV _ Überlebenswahrscheinlichkeit P ee Beobachtung von 2 Oszillationszyklen P ( e x ) s i n 2 s i n m L /E [km/mev] L E 1200m³ Nylon ball 3000m³ Stahl kugel 1 kt Flüssigszintillator 3200m³ Wasser-Cherenkov