1930: Krise in in der der Physik. Oh, Oh, daran denkt man man am am besten gar gar nicht, wie wie an an die die neuen Steuern

Transkript

1 1930: Krise in in der der Physik Oh, Oh, daran denkt man man am am besten gar gar nicht, wie wie an an die die neuen Steuern

2 1930: Energie-Erhaltung im im Beta-Zerfall verletzt?? Alpha-Zerfall Beta-Zerfall Vorstellung Th 234 Pa 234 U 238 α (He 4) Th 234 β (Elektron) Ereignisse Energie- Erhaltung Ereignisse Messung Erwartung Energie des α Energie des β

3 : W. W. Pauli Pauli an an Tagung in in Tübingen

4 Paulis neues Teilchen Beta-Zerfall * Pa 234 Neben Neben dem dem Elektron entsteht entsteht ein ein neutrales, leichtes leichtes Teilchen, das das die die fehlende Energie wegträgt! ν Th 234 β (Elektron) Fermi 1934: Neutrino 1930 bekannt: Proton, Elektron, Photon "Heute "Heute habe habe ich ich etwas etwas getan, getan, was was man man in in der der theoretischen Physik Physiknie nie tun tun darf. darf. Ich Ich habe habe etwas, etwas, was was nicht nicht verstanden ist, ist, durch durch etwas etwas erklärt, erklärt, was was man man nicht nicht beobachten kann!" kann!"

5 Antineutrinos aus aus der der Kernspaltung Kernreaktor: etwa etwa Antineutrinos pro pro Spaltung! C. C. Cowan und und F. F. Reines Antineutrinos pro cm 2 pro Sekunde (10 m entfernt) Etwa 3 Antineutrino-Reaktionen pro Stunde in einem 5 Tonnen - Detektor. C. Cowan, F. Reines Nobelpreis 1995 W. Pauli 1956

6 Energiequelle der der Sonne Sonne Die Die Sonne Sonne strahlt strahlt enorme enorme Energiemengen ab ab seit seit einigen einigen Milliarden Jahren! Jahren! welche welche Energiequelle? Chemische Reaktionen: Jahre Jahre Gravitationsenergie: Millionen Jahre Jahre Kernfusion: Milliarden Jahre Jahre Wasserstoff-Fusion: + 4 Protonen Heliumkern + 2e + 2ν + Energie Neutrinos Energie Energie aus aus 1g 1g Wasserstoff: kwh kwh Protonen tragen tragen elektrische Ladung Ladung Protonen stossen stossen einander ab ab Fusion Fusion findet findet nur nur bei bei hohen hohen Dichten Dichten und und Temperaturen statt statt Im Im Zentrum der der Sonne! Sonne!

7 Neutrinos aus aus der der Sonne Sonne + 4 Protonen Heliumkern + 2e + 2ν + 26MeV Verschiedene Wege Wege der der Fusion Fusion Bekannt: insgesamt abgestrahlte Energie Energie Bekannt: Energie Energie pro pro Fusionsprozess Anzahl Anzahl der der pro pro s s erzeugten Neutrinos! Auf Auf Erde: Erde: Milliarden ν pro pro s s pro pro cm cm 2 2 Energie Energie der der einzelnen Neutrinos Neutrino-Anzahl Anteile: berechnet im Standard-Sonnenmodell Neutrino-Energie in MeV

8 Aufbau Aufbau der der Sonne Sonne Kernfusion Millionen Grad Grad Energie-Abstrahlung Grad Grad ν Neutrinos 2,3 Sekunden Energie-Transport, Dauer: Dauer: Millionen Jahre Jahre Radius: Kilometer

9 Ausbruch der Supernova 1987a: mit bloßem Auge gerade noch sichtbar Entdeckung: Ian Shelton am Las Campanas Observatory, Chile: 6:30 Uhr 24. Februar Letzte Beobachtung ohne Supernova: Erste Beobachtung (auf Fotoplatte): 9:30 Uhr 23. Februar 10:30 Uhr 23. Februar Neutrino-Ereignisse in Kamiokande, IMB, Baksan 7:35 Uhr 23. Februar Zeiten GMT

10 Umgebungskarte der Milchstraße 23. Februar 1987: Supernova in der Grossen Maggelanschen Wolke beobachtet

11 Nachweis von von solaren solaren Neutrinos R. Davis 1964 Homestake-Goldmine Einfang Einfang von von Neutrinos an an Cl-Kernen Cl + ν Ar + e e Nachweis des des radioaktiven Ar Ar 37 Ar + e T = 1/2 35d 37 Cl + ν e M. Koshiba 1986 Kamiokande Stoß Stoß von von Neutrinos mit mit Elektronen ν e + e (in Ruhe) ν + e (schnell) Nachweis der der schnellen Elektronen v Elektron > c n Wasser e Cherenkov - Licht in Wasser Mindest-Neutrinoenergie: 0.8 MeV 5 Milliarden ν /s/cm² Erwartete Umwandlungen in 600t C 2 Cl 4 pro Tag: 1,5 Neutrino-Anzahl Neutrino-Energie in MeV Mindest-Neutrinoenergie: 7.5 MeV 5 Millionen ν /s/cm² Erwartete Ereignisse in 4500t Wasser pro Tag: 0,3

12 37 Cl 37 + ν Ar + e e Das Das Davis-Experiment Homestake-Goldmine: unter unter 1400m 1400m Fels Fels Tank Tank mit mit 600t 600t (380 (380000l) 000l) C 2 Cl 2 Cl 4 4 Verlauf Verlauf eines eines Messzyklus (40 (40 Tage): Tage): Zugabe Zugabe von von 0.2ml 0.2ml Ar Ar (6 (6 Trillionen Trillionen Atome) Atome) Tage Tage Neutrino-Bestrahlung... Erwartet: Atome Atome Ar Ar Ausspülen des des Argon Argon mit mit Helium Helium Trennung des des Ar Ar vom vom He He durch durch Ausfrieren Etwa Etwa 95% 95% des des zugesetzten Argon Argon werden werden wiedergewonnen, es es sollten sollten also also auch auch 95% 95% des des entstandenen Ar Ar gefunden werden werden Nachweis der der Anzahl Anzahl gefundener Ar Ar Kerne Kerne durch durch ihren ihren Zerfall. Zerfall. Ergebnis: es es lassen lassen sich sich statt statt der der erwarteten nur nur etwa etwa Umwandlungen nachweisen!

13 Kamiokande, Super-Kamiokande Kamiokande ν seit 1986 Super-Kamiokande ν seit t Wasser Neutrino Licht Lichtdetektoren schnelles Elektron Wasser 50000t Wasser Ergebnis: weniger weniger als als die die Hälfte Hälfte der der vorhergesagten Sonnen-Neutrino-Ereignisse!

14 Überprüfung der der Oszillations-Hypothese für für solare solare Neutrinos Bisher: Bisher: Nachweis nur nur der der Elektron-Neutrinos Cl + ν Ar + e e + e e + e ν e ν Homestake Kamiokande ( ν + e ν + e unwahrscheinlich, ) µ µ ununterscheidbar SNO: SNO: Nachweis verschiedener Neutrino-Sorten durch durch verschiedene Reaktionen an an D 2 O 2 Sudbury Neutrino Observatory, Kanada SNO t schweres Wasser Nur Elektron-Neutrino: ν e + d p + p + e p n p p Mit gleicher Wahrscheinlichkeit für alle Neutrinos: ν + d p + n + ν x x Nachweis Nachweis

15 Nachweis von von Neutrino-Oszillationen 1 Messung der der ursprünglichen Neutrinosorte in in verschiedenen Abständen L von von der der Quelle Quelle Anteil am Strahl ν 1 ν 2 L 2 Messung der der ursprünglichen und und der derentstehenden Neutrinosorte im im Abstand Abstand L Anteil am Strahl ν 2 ν 1 L 1998: Nachweis der Oszillation zwischen Myon- und Tau-Neutrinos mit Methode durch Super-Kamiokande (Myon-Neutrinos aus der Atmosphäre) 1

16 Kamiokande, SK: SK: Beginn Beginn der der Neutrino-Astronomie! Kamiokande 1987: 1987: Nachweis von von Neutrinos der der Supernova 1987a 1987a (in (in LJ LJ Entfernung) Super-Kamiokande Neutrino-Aufnahme der der Sonne Sonne

17 SuperNova SuperNovaEarly EarlyWarning WarningSystem System SuperKamiokande Gran GranSasso Sasso Kamioka Kamioka SNO Sudbury Sudbury MACRO KamLAND Amanda Südpol Südpol

18 Amanda: Neutrino-Observatorium für für den den Nordhimmel am am Südpol! Neutrino

19 Myon Ereignis in in Amanda Cerenkov Licht Neutrino Licht Detektoren Amanda: Neutrino-Himmelskarte Supernova-Frühwarn-Netzwerk Neutrino-Punktquellen Neutrinos höchster Energien Heute: ein ein Ereignis alle alle 7 Stunden Zukunft: Ice Ice Cube