Teil II: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos

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1 Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS14 SS12 S.Bethke, F. Simon V12: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 1 Neutrino-Physik Teil II: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos

2 Eigenschaften der Neutrinos im Standardmodell: ν sind masselos ν (ν) gehorchen nur der Schwachen Wechselwirkung (falls masselos); max. Paritätsverletzung: Helizität -1 (+1) Massengrenzen aus Zerfallskinematik: M(ν e ) < 2 ev/c 2 (Tritium Endpunkt) M(ν μ ) < 0.19 MeV/c 2 M(ν τ ) < 18.2 MeV/c 2 Massengrenzen aus Kosmologie (Strukturbildung): ΣM(ν e, ν μ, ν τ ) < 0.2 ev/c 2 Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS14 S.Bethke, F. Simon V12: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 2

3 Eigenschaften der Neutrinos Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS14 S.Bethke, F. Simon V12: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 3 ν könnten ihre eigenen Antiteilchen sein (Majorana Teilchen) mögliche Konsequenzen von ν-massen: flavour-eigenzustände ν e ν μ ν τ können Mischung der Massen-Eigenzustände ν 1 ν 2 ν 3 sein > Oszillationen zwischen flavour-eigenzuständen ν könnten ein (kleines) magnetisches Moment haben > wechselwirken auch elektromagnetisch?

4 Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS14 S.Bethke, F. Simon V12: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 4 2-Flavour Neutrino Oszillationen: z.b.: νµ = sinθ ν1 +cosθ ν2 3-Flavour Neutrino Oszillationen: c ij = cosθ ij s ij = sinθ ij δ: CP verletzende Phase es gilt: θ atm θ 23 θ solar θ 12 n.b.: CP Verletzung hängt immer mit s 13 zusammen!

5 Neutrino-Quellen: Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS14 S.Bethke, F. Simon V12: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 5 Solare Neutrinos (Entstehen bei den Fusionsreaktionen in der Sonne), ca 2 x /s, Fluss auf der Erde ~ 7 x cm -2s-1 Kosmische Hintergrundneutrinos Ausfrieren aus thermischen Gleichgewicht ~ 1s nach dem Urknall Temperatur ~ 1.9 K, <E> ~ 5 x 10-4 ev, ~ 330/cm3 Kosmische Neutrinoquellen Supernova-Explosionen, Aktive Galaxien, GRBs... Atmosphärische Neutrinos Entstehung in Luftschauern kosmischer Strahlung Geo-Neutrinos Radioaktiver Zerfall in der Erde, Gesamt-Leistung ~ 20 TW, Fluss ~ 10 7 cm -2s-1 Von Menschen erzeugte Neutrinos Reaktor-Neutrinos (MeV-Bereich), ca /s; Beschleuniger (MeV -> GeV),

6 Sensitivität verschiedener Oszillationsexperimente Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS14 S.Bethke, F. Simon V12: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 6

7 Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS14 S.Bethke, F. Simon V12: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 7 Energieerzeugung in der Sonne Φ ν = 2L sun 1 25MeV 4π (1AU) 2 = sec 1 cm 2

8 billion Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS14 S.Bethke, F. Simon V12: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 8

9 Das solare Standardmodell: Proton-Proton-Kette Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS14 S.Bethke, F. Simon V12: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos MeV MeV MeV

10 Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS14 S.Bethke, F. Simon V12: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 10 der CNO Kreislauf (Bethe-Weiszäcker) CNO dominiert in schweren Sternen Sonne: ca. 1.7% des 4 He durch CNO, sonst p-p.

11 Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS14 S.Bethke, F. Simon V12: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 11

12 Die Sonne gesehen mit Neutrinos (SuperK) Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS14 S.Bethke, F. Simon V12: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 12

13 langjährige Messungen: wir sehen signifikant zu wenige Neutrinos von der Sonne! Quelle: Serenelli, Neutrino 2012, Kyoto Experimente messen i.w. 8 B Neutrinos Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS14 S.Bethke, F. Simon V12: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 13

14 (SNO) Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS14 S.Bethke, F. Simon V12: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 14

15 SNO misst Elektron-Neutrino-Raten (cc) und Summe aller Neutrinos (nc): Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS14 S.Bethke, F. Simon V12: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 15 gesamter Neutrinofluss (nc) stimmt gut mit Erwartung aus solarem Standardmodell (SSM) überein, aber nur 1/3 kommt als Elektron-Neutrino an > Oszillationen!

16 Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS14 S.Bethke, F. Simon V12: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 16 Terrestrische Solare Neutrinos : Neutrinos von Kernreaktoren Kann man Neutrino Oszillationen mit manmade Neutrinos sehen? P # surv = 1 sin 2 2θ sin 2 % 1.27 Δm2 c 4 ' & ev 2 schwierig für kleine Δm 2 Um LMA zu testen, braucht man L~100km, 1kt niedrige E ν, hohe Φ ν Reaktor: n -> p e ν e GeV E ν Nachweis: ν e p > n e + L ( * km) e + : e + e > 2γ; n Einfang n p e ν e KamLAND 1kt

17 Kamland ist umgeben von vielen Hochleistungsreaktoren (L ~180 km) Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS14 S.Bethke, F. Simon V12: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 17

18 Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS14 S.Bethke, F. Simon V12: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 18 Energiespektren gemessenes Spektrum; ~2% berechnetes Reaktorspektrum; ~5%?? theor. bekannt; <1%

19 Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS14 S.Bethke, F. Simon V12: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 19 KamLAND Reaktor Neutrinos oszillieren! Proper time τ L 0 =180 km

20 Zusammenfassung aller Oszillations-Messungen (farbige Fächen) und Ausschlussmessungen (Linien): [Annahme: 2-ν-mixing] Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS14 S.Bethke, F. Simon V12: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 20

21 Kombination aller solaren Neutrino Daten mit KamLAND Reaktor Daten: Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS14 S.Bethke, F. Simon V12: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 21 Δm 2 = ev 2 θ = deg

22 θ 13? Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS14 S.Bethke, F. Simon V12: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 22

23 Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS14 S.Bethke, F. Simon V12: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 23 Chooz target: 5 t flüssig-szintillator, dotiert mit Gadolinium containment region: 17 t Szintillator (undotiert) veto region: 80 t Szintillator (undotiert) sin 2 θ 13 < 0.17 (θ 13 < 24 ) bei Δm 13 2 = ev 2

24 Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS14 S.Bethke, F. Simon V12: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 24 Double-Chooz (

25 Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS14 S.Bethke, F. Simon V12: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 25 Double-Chooz 10 t Flüssigszintillator (Gadolinium-dotiert) 500 Photomultiplier Untersuchung von sin 2 θ 13 im Bereich ~ 0.03 bis 0.20 Sensitivität: 0.03 nach 3 Jahren Betrieb Messung: - inverser β-zerfall ν e p n e + - e + e - Vernichtung 2γ - n-einfang Gadolinium γ (30 ms)

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27 Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS14 S.Bethke, F. Simon V12: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 27 Double-Chooz after ~3 years with both detectors: Δsin 2 θ 13 ~ 0.03

28 Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS14 S.Bethke, F. Simon V12: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 28 Double-Chooz (2013; far detector) Rate+Shape results sin 2 (2θ13)=(0.09±0.03) (χ2/n.d.f. = 51.4/40)

29 Daya Bay Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS14 S.Bethke, F. Simon V12: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 29

30 Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS14 S.Bethke, F. Simon V12: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 30 Daya Bay mono-energetische ν Daya Bay E-Verteilung Sensitivität: bis 0.01 in sin 2 θ 13

31 Daya Bay Antineutrino Detector Folien von: Chao Zhang (Brookhaven), Neutrino 2014 Boston Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS14 S.Bethke, F. Simon V12: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 31

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33 Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS14 S.Bethke, F. Simon V12: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 33

34 sin 2 2θ 13 = 0.08±0.005 Δm 2 ee = 2.44± ev 2 Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS14 S.Bethke, F. Simon V12: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 34

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37 Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS14 S.Bethke, F. Simon V12: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 37 Zusammenfassung: - Neutrino-Oszillationen erklären solares Neutrino-Defizit! Neutrinos haben Masse! - Reaktorneutrinos bestätigen Oszillation der atmosph. und solaren Neutrinos - sin 2 2θ 13 = 0.080±0.005 > 0 (-> CP Verletzung messbar) weitere offene Fragen: - Majorana oder Dirac Neutrions? - Massen-Hierarchie? - CP-Verletzung im Neutrino-Sektor

38 Massenhierarchie: Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS14 S.Bethke, F. Simon V12: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 38

39 Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS14 S.Bethke, F. Simon V12: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 39 3-Neutrino global fit (2012): (33.7±1.0) 0 (38.5±1.4) 0 ( 8.9±1.5) 0 (G.L. Fogli, 2012)

40 Literatur: B. Kayser, Neutrino Mass, Mixing, and Flavor Change : arxiv: [hep-ph] K. Nakaruma, S. Petcov Neutrino Mass, Mixing, and Oscillations : auf: pdg.lbl.gov Th. Schwetz et al., Three-flavour neutrino oscillation update ; arxiv: v2 G.L. Fogli et al., Global analysis of neutrino masses, mixings and phases ; arxiv: , Phys.Rev: D86, neueste Resultate von der Boston Neutrino Conference 2014: Teilchenphysik mit kosmischen und mit erdgebundenen Beschleunigern TUM SS14 S.Bethke, F. Simon V12: Sonnen- und Reaktor-Neutrinos 40