10.6. Neutrinos. Seite 46. Kap.10
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- Jasper Heidrich
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1 10.6. Neutrinos Seite 46
2 Eigenschaften der Neutrinos Existenz von v von Pauli vorhergesagt (ß-Zerfall) Nur linkshändige Neutrinos und rechtshändige AntiNeutrinos Genau 3 Leptonfamilien mit erhaltenem Le 1956: ve-nachweis (Reines&Cowan), NP : vμ -Nachweis am BNL durch Lederman, Schwartz, Steinberger, NP : vτ -Nachweis am Fermilab (DONUT-Kollaboration) Seite 47
3 Fragen zu Neutrino-Eigenschaften Haben Neutrinos eine endliche Masse? Warum ist mv<<ml? Sind Le, Lμ, Lτ Erhaltungsgrößen? Ist Neutrino sein eigenes Antiteilchen? Sind Neutrinos stabil? Koppeln Neutrinos an Photonen (Ladung? Magn. Moment?) Was ist die kosmologische Relevanz von Neutrinos? Seite 48
4 Experimente zur Klärung der NeutrinoEigenschaften Teilchenzerfälle: ß-Zerfall, doppelter ß-Zerfall Neutrinooszillation Supernova-Explosionen (Kern-Kollaps) Universum (Kosmologie) Neutrinoquellen Beschleuniger (via Zerfälle von z.b. π±,k±,μ± ) Reaktoren Radioaktive Quellen Sonne Kollabierende Sterne (Supernovae) Kosmische Strahlung/Luftschauer Seite 49
5 Supernova SN1987a Fehlender Strahlungsdruck: Gravitationskollaps bis Neutronenstern (oder schwarzes Loch) Erste moderne Supernova in unserer Nachbarschaft (Grosse Magellansche Wolke d=50 kpc~ Lichtjahre) Vorgängerstern: Blauer Überriese M=17 Msonne Supernova-Typ II (Kern-Kollaps): Lmax~1011 Lsonne Seite 50
6 Überblick: Stellare Evolution Woosley & Janka 2005 Seite 51
7 Kern-Kollaps-Supernova Nickel-Eisen-Kern -> Stabil durch degeneriertes Elektron-Gas ( weiβer Zwerg ), Masse steigt weiter Ist M>1,4 Msonne (Chandrasekhar-Limit): Weiterer Kollaps R~1000km > 10 km innerhalb <1s (v~0,25c) e-einfang (inv. ß-Zerfall) von ~1057 Protonen Stabiler Zustand: Degeneriertes Neutronengas, Radius km (Dichte kg/m3, zum Vergleich Kernmaterie: 3x1017 kg/m3) Seite 52
8 Neutrinos 1057 ve aus Elektroneinfang-Reaktionen: 1058 v aus thermischen Reaktionen (E=kBT~1 MeV), dünne (~10 m) Neutrinospäre) Insgesamt Gravitationsenergie: E=3/5 GM2/R~1046 J Kinetische (Explosions-)Energie: Ekin=1044 J Photonen (+O(Stunden)): Ep=1043 erg <<1% in Gravitationswellen (instantan) Ca. 99% der Energie geht in Neutrinos (innerhalb von ~10 Seite s) 53
9 Nachweis der Neutrinos Nachweisprinzip -> Cherenkov-Licht des Positrons in Wasser (Nachweisschwelle ~ 10 MeV) Ursprünglich Experimente zur Suche nach p-zerfall Seite 54
10 Cherenkov-Effekt cosθc=1/(βn) isotrope Polarisation des Mediums Dipol -Polarisation des Mediums Seite 55
11 Neutrinosignal von SN1987A 8 Neutrinos in IMB 11 Neutrinos in K-II 5 Neutrinos in Baksan (Uhren waren leider nicht synchronisiert) Zahl der Ereignisse und Ankunftszeitverteilung konsistent mit Erwartung Erster und bislang einziger Nachweis von extragalaktischen Neutrinos (Nobelpreis 2002 für Masatoshi Koshiba) Seite 56
12 Konsequenzen: Masse und Lebensdauer von νe (Tafel) Seite 57
13 Neutrinooszillationen (Tafel) Seite 58
14 Verallgemeinerung für 3 Neutrinos 3 Massen: 2 Massendifferenzen (δm12,δm23) Pontecorvo-Maki-Nakagawa-Sakata (PMNS)-Matrix 3 Mischwinkel (θ12,θ23,θ13) 1 Phase (δ->cp-verletzung) Seite 59
15 Experimente zur Neutrinooszillation In handlicheren Einheiten: Appearance (vα->vα) oder Disappearance Experimente (vα->vβ) Seite 60
16 Appearance -Experiment z.b. OPERA (Hamburger Beteiligung): Seite 61
17 Seite 62
18 Energiespektrum der Neutrinos Seite 63
19 Cl-Experiment (R. Davis, NP 2002) 37 Homestake-Goldmine (1500 unn): Abschirmung kosmischer Strahlung Einfangreaktion νe+37cl ->37Ar+e-, Energieschwelle: 817 kev (empfindlich auf 7Be, 8B Neutrinos) 37 Ar zerfällt mit T1/2=35d durch Elektroneinfang (37Ar+e-- >37Cl+ve unter Abstrahlung eines Photons mit 2,8 kev) Detektor: 615t Perchlorethylen (133 t 37Cl) mit 36Ar,38Ar zur Kalibration Messlauf 60 Tage, dann ausspülen, Nachweis der Photonen in Proportionalzähler 1 37 Ar-Atom pro 2 Tage Seite 64
20 Ergebnis: Rexp=(0,33±0,05) SSM 2/3 der Neutrinos fehlen! Seite 65
21 Weitere Experimente Konsistente Resultate mit Gallium und WasserCherenkov-Detektoren Erklärung: Neutrinooszillation Seite 66
22 SNO-Experiment (Sudbury Neutrino Observatory in Kanada) 2070 m Tiefe 1000 t D2O 9500 Photomultiplier Seite 67
23 Resultat SNO B-Neutrinos: 8 1/3 solare ve kommen als ve auf der Erde an 2/3 als vμ,vτ Gesamtfluss=Solares Standard-Modell v-oszillationen etabliert SSM verifiziert Seite 68
24 Atmosphärische Neutrinos Kosmische Strahlung (geladene Kerne) erzeugen Teilchenkaskaden in der Atmosphäre Seite 69
25 Oszillation atmosphärischer Neutrinos Super-Kamiokande vμ und ve Ereignisse: Photomultiplier 50 ktonnen H2O Kamioka-Bergwerk, Japan Seite 70
26 Ergebnis: Atmosphärische NeutrinoOszillation Seite 71
27 Zusammenfassung Neutrinooszillation Solar (+Reaktor): ve->vμ,τ mit δm2~2x10-3 (ev/c2)2 und θ~33 atmosphärisch (+Beschleuniger): vμ->vτ mit δm2~2x10-3 (ev/c2)2 und θ~45 Vergleich der Massenmatrix und CKM-Matrix Seite 72
28 Offene Fragen Absolute Massenskala (siehe zb. KATRINExperiment, kosmologische Grenzen ->nächster Abschnitt) Präzise Werte der Massenmatrix gibt es eine Phase (CP-Verletzung im NeutrinoSektor?) Seite 73
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