Kerne und Teilchen. Neutrinos. Moderne Experimentalphysik III Vorlesung 21.

Transkript

1 Krn und Tilchn Modrn Exprimntalphysik III Vorlsung MICHAEL FEINDT & THOMAS KUHR INSTITUT FÜR EXPERIMENTELLE KERNPHYSIK Nutrinos KIT Univrsität ds Lands Badn-Württmbrg und nationals Forschungszntrum in dr Hlmholtz-Gminschaft

2 Nutrino Qulln solar Nutrinos: ν /cm Erdobrfläch /Skund atmosphärisch Nutrinos: durch hadronisch Schaur hochnrgtischr kosmischr Strahlung in dr Atmosphär: hadronischr Schaur: s ntsthn vil π - Msonn π µ - ν µ - ν ν µ rwart: ν µ /ν = :

3 Nutrino Qulln Suprnova SN 987A : 0 58 ν Krnkraftwrk : 0 0 ν /s Nutrinostrahln am Bschlunigr: dominant Enrgifristzung Urknall: Dicht im Univrsum ist hut 300 ν /cm 3 p n

4 Nutrinomass und -Hlizität Standardmodll: Nutrinos sind masslos (abr nu Rsultat sprchn für klin Massn! nur linkshändig Lptonn nhmn an dr schwachn WW til. Es gibt kin rchtshändign Nutrinos. ( Paritätsvrltzung linkshändig Tilchn: rchtshändig Tilchn: (spzill unitär Grupp SU( Dubltts SU( Singltts Wnn ν masslos ist, dann ist di Gschwindigkit v glich dr Lichtgschwindigkit c, in jdm Bzugssystm: Es gibt kin Lorntztransformation, di aus inm linkshändign in rchtshändigs Nutrino machn kann. L L Abr: Wnn ν in klin Mass habn, dann xistirn auch rchtshändig Nutrinos. L L R R L L R

5 rst Nutrinoxprimnt Nutrinoxprimnt sind schwirig, wil ihr WQ shr klin ist: 43 ( MV 0 cm mittlr fri Wgläng in Wassr: 0 7 d SE n σ νp E ν : hochnrgtisch Nutrinos sind bssr nachzuwisn rst Nutrinos (ν in dr Näh von Krnraktorn (ca. 950 Anfang 60r Jahr: rstr µ Nutrinostrahl in Brookhavn: 0 4 Nutrinos: 5 Raktionn in Funknkammr alls µ, kin Bwis, dass s Artn von Nutrinos gibt Noblpris 989: Ldrmann, Schwartz, Stinbrgr 975 wurd τ Lpton ntdckt: Martin Parl (Noblpris µ - + fhlnd Enrgi τ + τ - µ - ν µ ν τ + ν ν τ shr hohr Nutrinofluss shr groß Dtktorn vil Zit (Sonn-Erd: km s muss in τ Nutrino xistirn

6 99: Kühn und Wagnr Vorschlag Findt ARGUS-Kollaboration Übrstzung Mont-Carlo-Simulation das τ Nutrino ist linkshändig und das Anti τ Nutrino rchtshändig Mthod: W - W u d u d a ( Spin 0 π π 3 π 4 π 5 π τ - ν τ a - ρ 0 π - π + π - π - π - ρ 0 π + π - π - Dalitz-Plot: m π+ π- Bos Symmtri zwischn π - und π - : ( * m π+ π- man kann zwischn Hl. + und - ds a untrschidn! Links-Rchts Asymmtri bobachtbar Hlizität ds a Msons Hlizität ds τ Nutrino

7 Tau-Nutrino 000: DONUT Exprimnt Frmilab - hochnrgtischr ν Strahl, dr auch vil ν τ nthält - Such in Emulsionstargt nach kurzn Spurn, di von inm τ Lpton hrrührn, und Zrfallsprodukt vom τ. (Knick durch τ µ - ν µ ν τ μ μ τ * Existnz und Untrschidbarkit ds 3. Nutrinos nachgwisn

8 Qull: DONUT Coll., Phys.Ltt.B504:8-4,

9 Nutrinomassn Wnn ν, ν µ, ν τ untrschidlich Massn habn, dann kann s zu Nutrinooszillationn ν ν τ, ν µ ν, kommn (muss abr nicht. Dirkt Massnmssungn warn bishr rfolglos, Grnzn auf m(ν < V m(ν µ < kv m(ν τ < MV Massiv Nutrinos: di Eignzuständ dr schwachn WW sind nicht di Eignzuständ ds Massnoprators, sondrn in Suprposition dr Massn-Eignzuständ. Eignzuständ dr schwachn WW M 3 x 3 Mischungsmatrix (PMNS Matrix 3 Massn- Eignzuständ

10 Nutrinoartn Oszillationn bi Nutrinoartn (Vrinfachung Modllparamtr: Δm, θ Wnn s Δm > 0 und θ 0 zwischn irgndwlchn Nutrinosortn gibt, sollt s Oszillationn gbn. "Disapparanc" Exprimnt: ν wnigr ν "Apparanc" Exprimnt: ν ν µ, ν τ cos sin sin cos t ie t ie t t (0 ( (0 ( 0 (0 ; (0 i i i p m p m p E ( sin ( sin (0 ( (0 ( t E E t I t I bi rinm ν Strahl (z.b. Sonn mit Impuls p: nach Flugstrck L wird daraus in Mischung aus ν und ν µ 4 ( sin ( sin ( (0 ( E L m P I t I p E L v L t p m p m m E E / / / / ( s kommn zu wnig Nutrinos (von dr Sonn an s wrdn Nutrinos bobachtt, di nicht rzugt wordn sind

11 Sonnn Nutrinos ntsthn im Krnfusionszyklus in dr Sonn 4p H ν + 6,7 MV pp nn vrschidn Artn von Dtktorn, di untrschidlich E ν Nachwisschwlln habn. übr 30 Jahr hat sich di Evidnz vrdichtt, dass zu wnig ν von dr Sonn auch als ν auf dr Erd ankommn (ca /3 bis /

12 Supr Kamiokand (Japan dtktirt atmosphärisch Nutrinos rwart: ν µ / ν = : t Wassr Tank p µ X p X rzugn Chrnkov Licht Lichtkgl wrdn durch risigs Photomultiplir Array aufgnommn µ und Spurn sind untrschidbar bobachtt: ν µ / ν ν µ vrschwindn auch Tag-Nacht Effkt : "Winklvrtilung" ν µ / ν hängt von dr durchqurtn Matri ab rsonant ν µ ν Oszillationn in Matri: MSW Effkt σ νµ p σ ν p Supr-Kamiokand (Japan: (Mikhyv, Smirnov, Wolfnstin

13 From th AIP-wbsit: Locatd in Japan, Supr-Kamiokand is a dtctor that studis th lusiv particls known as nutrinos. This is a pictur of th dtctor wall and top with about 9000 photomultiplir tubs which hlp dtct th nutrinos

14 Supr Kamiokand: Aufbau

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16 witr Exprimnt CHORUS, NOMAD (CERN suchn nach ν µ ν τ Transformationn auf inr Strck von 600 m Long Baslin Exprimnt: KK (50 km, LBNE (300 km, Opra Exprimnt (CERN Gran Sasso 00: rsts Erignis, das ν μ ν τ Oszillationn bwist ν μ wurd am CERN rzugt, ν τ im Gran Sasso-Tunnl (Italin nach 730 km nachgwisn

17 Opra Exprimnt

18 Das 4. Nutrino...? Wnn all Exprimnt richtig sind, müsst s in 4. Nutrino gbn (strils Nutrino. wahrschinlich ist in Exprimnt falsch (Kandidat: LNSD Hauptffkt SNO: Sudbury Nutrino Obsrvatory misst Gsamtzahl von solarn Nutrinos mit D O (schwrm Wassr Nutrinoinfang: nur ν Struung am Elktron: σ (ν >> σ (ν µ, ν τ Spaltung d p n : σ (ν = σ (ν µ σ (ν τ Ergbnis: total ν Rat stimmt mit Thori übrin Konkurrnz KARMEN (Kamprt

19 SNO Exprimnt

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