Neutrinooszillationen

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1 Neutrinooszillationen Schule für Astroteilchenphysik,Obertrubach-Bärnfels, Christian Weinheimer Institut für Kernphysik, Westfälische Wilhelms-Universität Münster, Münster Einführung Lösung der atmosphärischen Neutrinoanomalie: Neutrinooszillation Bestätigung mit Beschleunigerneutrinos Lösung des solaren Neutrinorätsel Bestätigung mit Reaktorneutrinos Offene Fragen für die Zukunft / zukünftige Exp. Zusammenfassung s rei p l e Nob

2 Meilensteine der Neutrinophysik 1930 Pauli Neutrino postuliert 1956 Cowan & Reines exp. Nachweis des Elektronantineutrinos 1957/58 Wu, Goldhaber Verletzung der Parität, Linkshändigkeit des 1962 Lederman, Entdeckung des Myonneutrinos -Beschleunigerphysik Schwarz, Steinberger s i Davis,... obelpre Solares Neutrinodefizit N s Kamiokande elprei Nachweis von Neutrinos von SN1987a Nob 0 LEP-Experimente aus Z -Breite: 3 Neutrinos 1998 Super-Kamiokande Nachweis der Oszillation atmosph Donut Nachweis des Tauneutrinos seit ,2002 SNO + Super-Kam., solare -Physik -Astrophysik m( ) 0 Evidenz für Oszillation solarer Neutrinos Gallex,..., 2002 KamLAND Bestätigung der solaren Neutrinososzillation (LMA Lösung) sehr aktives & wachsendes Forschungsgebiet der Kern-, Teilchen- und Astrophysik

3 Neutrinoquellen und -spektren solare: 4p Supernova: e- + p Reaktor: He + 2e+ + 2 e 4 n + e Z0 x +` x (Z,A) (Z+1,A) + e- +` e Beschleuniger, atmosphärisch: ` e- + +` e

4 -Wirkungsquerschnitte -Fermion-Wirkungsquerschnitte: s = mf2 + 2E mf, d.h. s E

5 Neutrinooszillation: Erste klare Evidenz 1998 Atmosphärische Neutrinos Wechselwirkung von kosmischer Strahlung (p,,..) in äußerer Atmosphäre:, K, e+ + ` + e ` e- + +` e (-) (-) # / # e 2

6 Erster Hinweis: Verhältnis / e : R= (-) (-) (# / # e ( -) (-) (# / # e )exp )MC

7 Super-Kamiokande H20 Cherenkov-Detektor H20: t 40 m hoch, 40 m Photomultiplier 50 cm 1 km tief in Kamioka Mine, Japan ab Dez SK II 5200 PMTs bis Herbst 2001

8 Atmosphärische Neutrinos in SK (-) ν Cherenkov-Kegel: Energie Richtung Elektron/Myon-Unterscheidung Myonen: scharfer Ring l+/elektronen: verwaschener Ring (Vielfach-Streuung, EM-Schauer) Super-Kamiokande

9 p,,.. Winkelverteilung von e und bei SK L Pre ary n i lim

10 p,,.. Winkelverteilung von e und bei SK L Pre ary n i lim Klares, energieabh. Defizit von von unten kommenden Myonneutrinos Alle Datensätze und Analysen (FC, PC, up-going, NC enhanced): kompatibel mit -Oszillation ( m ev2. sin2(2 ) 1)

11 Neutrinooszillation im Vakuum Annahmen: 1) ν-mischung: = U i ( = e,, ; i = 1,2,3, U nicht-trivial) z.b. 2-Flavor-Mischung: 2) mi := m(νi) sind verschieden mind. ein m(νi) 0 2 Flavour-Fall:

12 Neutrinooszillation 2 Flavour-Fall: 3 Flavour-Mischung:

13 From Alexei Smirnow DPG-School on Physics Neutrino Physics, 2004 vacuum mixing angle e = cos 1 sin inversely = - sin 1 cos 2 = sin e cos 1 = cos e sin coherent mixtures of mass eigenstates e flavor composition of the mass eigenstates g rtin e s in 1 Flavors of eigenstates e The relative phases of the mass states in e and are opposite 2 wave packets Interference of the parts of wave packets with the same flavor depends on the phase difference between 1 and 2

14 Erwartung für SK-Daten

15 Analyse der atmosphärischen SK-Daten Alle Datensätze und Analysen sind kompatibel mit -Oszillation: m ev2 und sin2(2 ) 1 (maximale Mischung)

16 Überprüfung durch K2K long baseline Neutrinooszillationsexperiment Suche nach -disappearance: E /L = 1.3GeV/250km 250 km 12GeV PS@KEK beamline beam monitors near detectors

17 K2K-Ergebnisse K2K-I Normalized by area Expectation w/o oscillation von März 1999 ~ Juli 2001 erwartete #: Best Fit gemessen #: 56 m2=1.5~3.9 x 10-3 =1(90%CL) Nullhypothese: <1% reconstructed E Allowed region y ar n i im l e r IP I K 2 K SK 68% 90% K2K-I 99%

18 Atmosphärische Neutrinos: wirklich Neutrinooszillation? Ishisuka, NOON2004

19 - e Neutrinooszillationsexperimente an BeamstopQuellen (ISIS/RAL, LAMPF/Los Alamos) Protonen auf Target p ( 1GeV, 1mA) Target - wird von Kernen absorbiert e+ +` + e keine` e!

20 - e appearance: LSND-Experiment/Los Alamos

21 Karmen II am Rutherford Laboratory/UK KARMEN2: looking for µ- e appearance at ISIS ( ) 56 t high resolution liquid scintillator at d=17m but: much more compact & simple target (!) KARMEN2 oscillation results 4y of measuring after upgrade: Candidate events e t steel shielding

22 Karmen II am Rutherford Laboratory/UK KARMEN2: looking for µ- e appearance at ISIS ( ) 56 t high resolution liquid scintillator at d=17m but: much more compact & simple target (!) KARMEN2 oscillation results 4y of measuring after upgrade: 7000 t steel shielding

23 Endgültige LSND- und Karmen II-Resultate Compatibility analysis: LSND&KARMEN2 incompatible at individual 64% CL.

24 Unsere Sonne

25 Unsere Sonne Parameter: kg Masse M := Alter y Leuchtkraft MeV/s Zentrumstemperatur Zentrumsdichte K 148 g/cm3 Annahmen des Standardsonnenmodells: Rotationssymmetrie Thermodynamisches Gleichgewicht keine Magnetfelder Gasball im hydrodynamischen Gleichgewicht Energietransfer durch Strahlung (Stefan-Boltzmann) + Konvektion (Temp.-Grad > adiab. Limit: R>0.7R ) Energieproduktion durch Kernfusion (pp-kette: 98.4%, CNO-Zyklus: 1.6%)

26 Die Sonne bei einer Wellenlänge von 195Å Extreme ultraviolett Imaging Telescope EIT des SOHO Satelliten

27 Blick ins Innere der Sonne: solare Neutrinos Kernfusion im Herzen der Sonne: 4 p 4He + 2e+ + 2 e ( MeV) genauer: e e e e e Standard-Sonnenmodell: J. Bahcall et al. auf der Erde: 65 Milliarden Neutrinos pro s und cm2 Neutrino energy [MeV]

28 Blick ins Innere der Sonne: solare Neutrinos Kernfusion im Herzen der Sonne: 4 p 4He + 2e+ + 2 e ( MeV) genauer: e e e e e Standard-Sonnenmodell: J. Bahcall et al. auf der Erde: 65 Milliarden Neutrinos pro s und cm2

29 Das Chlor Experiment von Ray Davis reis p l e Nob l Perchlorethylen in der Homestake Miene e + 37Cl 37Ar + eausspülen des 37Ar (0.5 Atom/Tag!) und radiochemischer Nachweis Resultat ist nur 30% von Erwartung Ist das Experiment falsch? Ist die Theorie der Sonne falsch? Verhalten sich die Neutrinos anders?

30 GALLEX und andere Galliumexperimente GALLEX im Gran Sasso GALLEX (später GNO), SAGE): Inverser -Zerfall von solaren e an Gallium (71Ga) e + 71Ga Ge + e- radiochemischer Nachweis: 1) 2) e SSM(BP) GALLEX GNO SAGE SNU 77.5 ± SNU 62.9 ± 5.4 ± 2.5 SNU SNU Chemische Abtrennung von 71Ge Nachweis durch radioaktiven Rückzerfall Nachweiseffizienz 90 % (geeicht mit -Quelle) GALLEX 65 solar runs GNO 58 solar runs

31 Nachweis von Neutrinos mit Super-Kamiokande Im Gegensatz zu atmosph. Neutrinos: e e- e + e- e- + e (elastische Streuung) Nachweis der Neutrinos: e erzeugt ein ev(e-) > c/n Cherenkov-Kegel: Richtung und Energie

32 Bestimmung des Signals über Winkelverteilung events/day/kt 2-dim Intensitätverteilung Bild der Sonne in Neutrinos 1km tief unter der Erde cos sun e kommen wirklich von der Sonne (erster direkter Beweis der Kernfusion im Inneren der Sonne durch Kamiokande 1990) aber deutlich zu wenig: # gemessen / # erwartet =

33 Exp. solare Neutrinoraten vor SNO: solares -Problem Exp. haben unterschiedliche Energieschwellen Reduktion: 1/3 1/2 2/3 Was ist falsch? Experimente? Sonnenmodell? Annahmen über Neutrinos (Neutrinooszillationen)? (aber die verschiedenen Reduktionen können nicht durch Änderungen der Einzelflüsse einfach erklärt werden)

34 Neutrinooszillation und solares Neutrinoproblem Starke Auslöschung bei Chorexperiment ( 1/3<1/2) Abstand Sonne-Erde = m osc, mit E 10 MeV m2 = ev2 ( Finetuning-Problem) Lösung: Matterie-verstärkte Oszillation in Materie (MSW-Effekt, Mirkheyev-Smirnov-Wolfenstein)

35 MSW-Effekt m2( 1) Ne 0 =0 m( 2) = const.

36 MSW-Effekt und Oszillation solarer Neutrinos no level crossing adiabatic regime strong MSW non-adiabatic vacuum splitting of masses too large to be overcome by matter

37 MSW-Effekt und Oszillation solarer Neutrinos Eine Dreiecksrandfläche entspricht einer bestimmten Auslöschung

38 MSW-Effekt und Oszillation solarer Neutrinos

39 MSW-Effekt und Oszillation solarer Neutrinos

40 MSW-Effekt und Oszillation solarer Neutrinos LOW

41 MSW-Effekt und Vakuumoszillations-Lösungen für solare Neutrinos Small Mixing Angle solution (SMA) Large Mixing Angle solution (LMA) LOW solution (LOW) Vacuum Oscillation solution (VO)

42 Solare Neutrinoexperimente der nächsten Generation Anforderungen: Echtzeit (Tag/Nacht-Asymmetrie, L Variation) Spektrale Information Flavour Information, zeige: e x

43 Das Sudbury Neutrino Observatory SNO Creighton Mine: 2km tief in Sudbury, Ontario, Kanada 1000 t D2O Haltestruktur für 9500 Lichtdetektoren (Photomultiplier) 12 m Diameter Acrylic Vessel 1700 t Innere Abschirmung, H2O 5300 t äußere Abschirmung, H2O Urylon Versiegelung

44 SNO während der Konstruktion (in einem Klasse 2000 Reinraum)

45 Das Sudbury Neutrino Observatory SNO Unterscheidung der verschiedenen Reaktionen: Wasser-Cherenkov-Detektor D20: ES x + e- x + ecc e + d p + p + enc x + d p + n + x e (, ) e e,,

46 Neutrino fluxes from SNO (PRL89 (2002) ) Standard solar model [106 cm-2s-1]: SSM = Measured fluxes [106 cm-2s-1]: CC = ES = NC = Neutrino fluxes: e = ( e), Relations: CC = e = ( ) + ( ) ES = e NC = e + e = = with 5.3 ν do oscillate e = ΦSSM no solar ν deficit

47 Reaktor -Experimente Inverser -Zerfall: Summe von -Spektren der Spaltprodukte disappeance

48 old Kamiokande site KamLAND 1 ktonne liq. scintillator Kamioka Liquid Scintillator Anti-Neutrino Detector J-US long-baseline reactor oscillation experiment: disappearance of reactor e s? aim: experimental test of LMA solution of solar using terrestrial neutrinos (25% of world electr. power) 1200m³ Nylon ball 80% iso-paraffine 20% pseudocum PMT s 17-inch (22% cover.) 3000m³ steel sphere Water Cherenkov anticounter

49 KamLAND: long base-line Reaktorneutrinoexperiment Erster Labortest von LMA!

50 Benutze alle japanischen und koreanischen Reaktoren für Japanese KamLAND and Korean reactors

51 _ KamLAND: Evidenz für e disappearance Start Datennahme: Febr Ergebnis von Neutrino 2004, Juni 2004 Expected #events: 365 ± 24 Background #events: 7.5 ± 1.3 R = ± ± Observed #events: days of data taking days of data taking

52 KamLAND und solare Neutrinoexperimente KamLAND (Reaktor- ) (G. Gratta, Neutrino 2004) Oszillatorischer Charakter Übereinstimmung der Oszillationsparameter Solare Neutrinos (SNO et al.) Reaktor Neutrinos (KamLAND)

53 Ergebnisse der Oszillationsexperimente mit atmosphärischen und Beschleunigerneutrinos Atmosphärische Neutrinos: Super-Kamiokande -Oszillation: m ev2 und sin2(2 ) 1 bestätigt durch MACRO, Soudan 2 Beschleunigerneutrinos: K2K bestätigt Super-Kamiokande durch -Disappearance Sieht LSND` ` e -Appearance? Solare Neutrinos: Homestake, Gallex, Sage, GNO, Kamiokande, Super-Kamiokande SNO: e -Oszillation: m ev2 und 32o Reaktorneutrinos: KamLAND bestätigt LMALösung durch` e-disappearance

54 Status und Ausblick der Oszillationsexperimente Resultate der neuesten Oszillationsexperimente: 23, 12, m223, m212? e Was fehlt noch: 1) genauere Bestimmung der quadratischen Massendifferenzen und Mischungswinkel 2) 13 3) komplexe Phase d

55 3 Flavor-Neutrinooszillation Reaktor disappearance: solare: m212 = m2solar atmosph: m213 m2atm m223

56 Bestimmung von 13 sub-dominante Oszillation ( m2atmos) dominante Oszillation ( m2solar) Messe Reaktor` e disappearance: L 1km Neutrinoflussbestimmung mit nahem identischem Detektor, z.b. Double-CHOOZ-Experiment

57 Im Aufbau befindliche long baseline Experimente Fermilab Soudan (730km): MINOS: ab 2005 CERN Gran Sasso (732 km), ab 2006 Suche nach disappearance und ICARUS: Suche nach disappearance indirekter appearance (NC/CC): und indirekter appearance OPERA: direkte appearance Bestätigung des LSND-Signals: MiniBoone am Fermilab (seit 2003) Alle (außer Miniboone) haben auch 13-Empfindlichkeit JPARC, ab 2008/9: JAERI/Tokai Super-Kamiokande

58 Absolute mass determination Results of recent oscillation experiments: 23, 12, m223, m212? e 1 normal hierarchy mi m2atmos m2solar 2 3 Motivation: 1) distinquish hierarchical and degenerate masses ( theory beyond SM) 2) check cosmological relevance ( hot Dark Matter)

59 Absolute mass determination Results of recent oscillation experiments: 23, 12, m223, m212? e 1 inverted hierarchy mi m2solar m2atmos 2 3 Motivation: 1) distinquish hierarchical and degenerate masses ( theory beyond SM) 2) check cosmological relevance ( hot Dark Matter)

60 Absolute mass determination Results of recent oscillation experiments: 23, 12, m223, m212? e 1 normal hierarchy mi m2atmos 2 3 Motivation: 1) distinquish hierarchical and degenerate masses ( theory beyond SM) 2) check cosmological relevance ( hot Dark Matter) m2solar Cannot be resolved by oscillation experiments! need absolute neutrino mass scale!

61 Das Karlsruher Tritium Neutrinoexperiment KATRIN (Letter of Intent: hep-ex/ ) Physikalisches Ziel: Sensitivität auf Neutrinomassenskala: Höhere Energieauflösung: E 1eV da E/ E ~ Aspectrometer m( ) 0.2 ev neu, seit } größeres Spektrometer Relevanter Bereich unterhalb des Endpunkts ist kleiner noch weniger Zählrate dn/dt ~ Aspectrometer größeres Spektrometer 70 m 12/ m

62 Zusammenfassung Atmosphärische Neutrinos Neutrinooszillation P( ) = sin2(2 ) sin2( m2 L/4E) Neutrinos mischen und haben Masse! Beschleunigerneutrinos atmosphärische Neutrinooszillation bestätigt Keine weiteren starken Evidenzen für Neutrinooszillation (LSND:` ` e?) Solare Neutrinos Rätsel des zu geringen Flusses gelöst: Neutrinooszillation Reaktorneutrinos Bestätigung der solaren Neutrinooszillation durch KamLAND (long baseline) Aufgaben für die Zukunft: Absolute Neutrinomassenskala ( KATRIN) Dirac- oder Majorana-Neutrinos ( 0 ) Genauere Parameter der Mischungsmatrix ( Double-Chooz, long baseline,...)