Nachweis des Myon-Neutrinos

Transkript

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2 Nachweis des Myon-Neutrinos

3 Inhalt Neutrinos Erfindung und Entdeckung des Neutrinos Verschiedenheit von Neutrinos Schlüsselexperiment Auswertung und Ergebnis 1

4 Neutrinos Fermionen Leptonen Drei Generationen der Fermionen Elementary_Particles-de.svg 2

5 Neutrinos Wechselwirkungen Schwache WW (Gravitation) Nachweis nur indirekt l : Leptonflavour (e, μ, τ ) 3

6 Erfindung des Neutrinos scheinbare Verletzung von Erhaltungsgrößen beim β- Zerfall: Rettung durch kleines Neutron 1930 postuliert durch Pauli 4

7 Nachweis des Neutrinos Nachweis 1956 durch Reines und Cowan Nobelpreis 1995 ν + p e + + n Neutrinos aus Kernkraftwerk e + + e γ + γ 5

8 Verschiedenheit von Neutrinos Unterscheid zw. Neutrino aus β ± - Zerfall und myonischen π ± - Zerfall? Pontecorvo 1959 Problem mit Verhältnis Schwartz 1960 für ν e = ν μ Verhältnis ~ 10 4 Messungen: 10 8 μ e+γ μ e+ν+ ν π + μ + + ν 6

9 Verschiedenheit von Neutrinos Worin könnten sich Neutrinos unterscheiden? Leptonzahlen L e,μ sind erhalten Idee für Experiment ν μ + n μ + p L μ = = ν μ + n e + p L μ = Für ν e ν μ : keine Elektronen 7

10 Das Experiment Proton-Synchrotron AGS Brookhaven max. 33 GeV

11 Das Experiment Proton-Synchrotron Stahl Beton Beryllium Teilchenstrahl 21 m 13.5 m Detektor 9

12 Das Experiment Protonen (15 GeV) Beryllium p + n n + n + π + π + μ + + ν μ ν μ ν μ + n μ + p 21 m 13.5 m 10

13 Funkenkammer Edelgasgemisch j Grupen C, Shwartz BA. Particle detectors. New York, NY: Cambridge University Press;

14 Funkenkammer Kosmisches Myon Grupen C, Shwartz BA. Particle detectors. New York, NY: Cambridge University Press;

15 Funkenkammer-Detektor 10 Funkenkammern à 1t Je 9 Al-Platten Koinzidenz-Trigger Antikoinzidenz- Schild ν μ Neutrinos wechselwirken in Aluminum ν μ + n p + μ 13

16 Störquellen Kosmische Strahlung Myonen Neutronen Geladene Teilchen aus vorherigen Reaktionen Myonen Kaonen Pionen 14

17 Das Experiment Protonen (15 GeV) separiert in Paketen von 20 ns alle 220ns Beryllium Deflektor 20-30µs Cherenkov-Zähler Gating für Detektor ν μ + n μ + p 21 m 13.5 m 15

18 Cherenkov-Zähler Cherenkov-Strahlung Wenig Energieverlust des Teilchens 16

19 Auswertung Mehr als 300 Stunden reine Laufzeit 10 Trigger pro Stunde Protonen 113 gültige Ereignisse 17

20 Auswertung ν μ 18

21 Ereignis-Klassifizierung Myonen wechselwirken kaum in Al Gerader Durchgang Elektronen erzeugen Schauer Viele Spuren Pionen wechselwirken Mittlere freie Weglänge Pion in Al ~ 100cm 19

22 Ereignis-Klassifizierung Myon >300MeV Elektron 20

23 Ereignis-Klassifizierung Myonen <300MeV Kein Bild Vertex 21

24 Ereignis-Klassifizierung Myonen <300MeV Kein Bild Vertex 21

25 Ereignis-Klassifizierung 113 Ereignisse 49 short single tracks p μ < 300 MeV 34 einzelne Myonen p μ > 300 MeV 22 Vertex-Ereignisse 8 mögliche Schauer 22

26 Ausschluss Kosmischer Strahlung Test ohne Cherenkov-Zähler 80 Trigger pro Sekunde Vorher: 10 Trigger pro Stunde Detektor insgesamt 5.5s aktiv 5 ± 1 gültige Ereignisse durch kosmische Myonen 23

27 Ausschluss Kosmischer Strahlung Kosmisches Myon ν μ ~60 24

28 Ausschluss von Neutronen Tendenz der Ereignisse zur letzten Funkenkammer Aber: mittlere freie Weglänge in Al ~ 40cm ν μ 25

29 Ausschluss von Neutronen Tendenz der Ereignisse zur letzten Funkenkammer Aber: mittlere freie Weglänge in Al ~ 40cm Keine Erhöhung der Ereigniszahl durch Verkürzung des Front-Schildes Kein Hinweis auf Neutronen von anderen Richtungen 25

30 Reaktionen durch Neutrinos? Protonen (15 GeV) Beryllium p + n n + n + π + π + μ + + ν μ ν μ ν μ + n μ + p 21 m 13.5 m 26

31 Reaktionen durch Neutrinos? Protonen (15 GeV) Beryllium p + n n + n + π + 21 m 13.5 m 26

32 Reaktionen durch Neutrinos? Abschwächung der Ereignisrate von auf 1.46 ± Protonen 0.3 ± Protonen Reaktionen durch Zerfallsprodukte von Pionen (und Kaonen) Neutrinos 27

33 Ergebnis 34 Myonen beobachtet Davon 5 ± 1 kosmische Myonen Für ν μ = ν e etwa 29 Elektronen-Schauer 8 Schauer beobachtet 1 bis 2 durch Kaon-Zerfall plausibelste Erklärung: ν μ ν e 28

34 Nobelpreis 1988 Steinberger Schwartz Lederman für die Neutrinostrahlmethode und die Demonstration der Dublettstruktur der Leptonen durch die Entdeckung des Myonneutrinos 29

35 Referenzen J.Beringer et al. (Particle Data Group), Particle Physics Booklet Phys. Rev. D 86, (2012) G.Danby et al.: Phys. Rev. Lett. 9 (1962) 36. C. Grupen, Teilchendetektoren. Mannheim ; Leipzig ; Wien ; Zürich: BI-Wiss.-Verl., C. Grupen und B. A. Shwartz, Particle detectors, Bd. 26. New York, NY: Cambridge University Press, B. Povh, K. Rith, C. Scholz, F. Zetsche, und W. Rodejohann, Teilchen und Kerne : Eine Einführung in die physikalischen Konzepte. Berlin, Heidelberg: Springer Spektrum, N. Schmitz, Neutrinophysik : mit 23 Tabellen. Stuttgart: Teubner, M. D. Thomson, Modern particle physics. Cambridge [u.a.]: Cambridge University Press,

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37 Anhang i

38 Anhang ii