Vom Neutron zum Neutrino

Transkript

1 Vom Neutron zum Neutrino Zum 60ten von Reinhard Maschuw G.Flügge, Karlsruhe Mai 2003

2 Verschlungene Wege Universität Hamburg Günter Flügge Pluto-Exp. bei DESY Reinhard Maschuw KfK Karlsruhe ter Geburtstag 2003

3 Neutronen in Hamburg Van-de-Graaff- Halle Uni Hamburg

4 Einsamer Denker am Ostseestrand Irgendwann geht ihm ein Licht auf 1968? 1984

5 Neutrinos in Rutherford ISIS Spallationsquelle

6 Verschlungene Wege Universität Hamburg Reinhard Maschuw Studium ( ) Diplomarbeit Doktorarbeit Kernphysik am Van-de-Graaff Günter Flügge

7 Kernkraft = starkewechselwirkung Die Struktur der Materie PROTONEN NEUTRONEN

8 Streulänge des Neutrons a (n,n) B. Zeitnitz, R. Maschuw, P. Suhr: a (n,n) = ( ) fm sehr nahe am heutigen Mittelwert: Streulänge der Neutron-Neutron-Streuung a (n,n) = ± 0.5 fm Vergleich mit Proton-Proton-Streulänge a (p,p) = fm Ladungssymmetrie der Kernkräfte

9 Experimenteller Aufbau Trickreiche Elektronik erkennt Neutronen

10 Verschlungene Wege Universität Hamburg CERN Leiter Techn. Entwickl. Phys. Inst. Hamburg Pluto-Exp. bei DESY Reinhard Maschuw Günter Flügge

11 Die Struktur der Materie

12 Reiche Ernte am Pluto bei DESY Tau Leptonen τ charm -Quark c beauty -Quark b Gluonen g

13 Standardmodell der Teilchenphysik Materie-Teilchen: 3 Teilchen - Familien Leptonen: Quarks: leicht schwer sehr schwer Kräfte = Wechselwirkungen: stark: Gluonen g binden Quarks zu Nukleonen elektromagnetisch: Photonen binden Elektronen an Kerne schwach: W-Boson, Z-Boson ermöglichen Umwandlungen

14 Verschlungene Wege Universität Hamburg CERN Reinhard Maschuw Leiter Techn. Entwickl. Phys. Inst. Hamburg Pluto-Exp. bei DESY MPI Heidelberg DESY KfK Karlsruhe Günter Flügge

15 Standardmodell der Teilchenphysik Materie-Teilchen: 3 Teilchen - Familien Leptonen: Quarks: leicht schwer sehr schwer Kräfte = Wechselwirkungen: stark: Gluonen g binden Quarks zu Nukleonen elektromagnetisch: Photonen binden Elektronen an Kerne schwach: W-Boson, Z-Boson ermöglichen Umwandlungen

16 Neutrino-Nachweis ν e p n e + ν e n p e e + Kernreaktor 1956 C. Cowan, F. Reines Project Poltergeist Cowan Reines

17 KARMEN KArlsruhe Rutherford Medium Energy Neutrino Experiment Spallations-Neutrino-Quelle ISIS (RAL Rutherford): π - Zerfall 26 ns μ - Zerfall 2.2 µs Zeitliche Separation der drei Neutrino-Sorten

18 Karmen-Detektor Effizienter Nachweis : Elektronen + Photonen Neutronen 512 Hauptdetektormodule 2 Photomultiplier pro Seite Gadolinium zum Neutron-Nachweis Liter Szintillator (Mineralöl)

19 Einsatz am Karmen-Detektor

20 Einweihung von Karmen

21 Neutrino-Streuung am Kohlenstoff Fast untergrundfreie Messung der schwachen Wechselwirkung bei mittleren Energien durch verzögerte Koinzidenz

22 Zeitspektren der Elektronen und Positronen Perfekte Übereinstimmung mit Standard-Model

23 Zeitspektrum der e-neutrinos: Zeit-Anomalie (π µ + X?)

24 Standardmodell der Teilchenphysik Materie-Teilchen: 3 Teilchen - Familien Leptonen: Quarks: leicht schwer sehr schwer Kräfte = Wechselwirkungen: stark: Gluonen g binden Quarks zu Nukleonen elektromagnetisch: Photonen binden Elektronen an Kerne schwach: W-Boson, Z-Boson ermöglichen Umwandlungen

25 Neutrinooszillationen: Vakuum (2 Flavors) = 2 1 cos sin sin cos ν ν θ θ θ θ ν ν µ e m m m = = ν θ ν ν E L m P e e 2 sin ) (2 sin 1 ) ( Überlebenswahrscheinlichkeit: L in L osz

26 KARMEN:Rutherford LSND: Los Alamos π + µ + + ν µ µ e + + ν + + e ν µ ν e Überschuss gesehen? Widersprüchliche Ergebnisse

27 Positronen folgen der μ-zeitverteilung Verzögerte Photonen aus Neutron-Einfang

28 LSND: Mehr v e - Ereignisse als erwartet. LSND vs KARMEN KARMEN schließt großen Bereich von LSND aus, kleiner Rest bleibt. MiniBooNE wird den gesamten erlaubten Bereich testen: Start 2002 (1000 evts/year ) sin 2 2θ

29 Abschaltung von Karmen

30 Sonnen- und Atmosphären- Neutrinos p, π

31 Solare Neutrinos: pioneering experiment Nobelpreis 2002 Seit 1970 ν e Cl Ar + e E ν > 814 kev Nur 1/3 der Sonnenneutrinos R exp = 0.34 SSM Raymond Davis Jr., Homestake Experiment

32 SNO: Sudbury Neutrino Observatory Target sind 1000t D 2 O Messung des 8 B-Flusses CC (geladener Strom): ν e ES (elast. Streuung): ν e, (ν μ/τ ) NC (neutraler Strom): ν e + ν μ + ν τ Creighton Nickel-Mine in Sudbury Canada

33 Solare/Reaktor Neutrinos: Status Flavor-Umwandlung ν e ν μ/τ Beste Erklärung: Neutrinooszillationen in Materie m ev 2

34 Atmosphärische Neutrinos Oszillationswahrscheinlichkeit variiert mit Zenithwinkel θ θ L 20 km atmosphärische Neutrinos: E v einige GeV L km m P( ν µ ν x ) = sin 2θ atm sin Eν 2 atm L

35 Kamiokande Experiment: Nobelpreis 2002 Masatoshi Koshiba, (Kamioka Nucleon Decay) Experiment solare ν atmosphärische ν Supernova ν

36 Atmosphärische Neutrinos: Resultate Verschwinden (disappearance) von ν μ Bester fit für ν μ ν τ Oszillationen m 2 atm = (1.5 4) 10-3 ev 2 (90%CL)

37 Neutrinooszillationen? Solare Neutrinos: ν e ν μ,τ, Δm 2 = ev 2 Disappearance ν e : Homestake, Gallex, Sage, Super-K, SNO Appearance von ν μ,τ : SNO Bestätigung durch KAMLAND Atmosphärische Neutrinos: ν μ ν τ, Δm 2 = ev 2 Disappearance von ν μ : Super-K, Macro, Soudan Bestätigung durch K2K (Beschleunigerexperiment) LSND vs. KARMEN ν μ ν e, Δm 2 = ev 2 Appearance von ν e???

38 Evidenz für Neutrino-Oszillationen: m 2 LSND~ 0.1-1eV 2 m 2 atm~ 10-3 ev 2 m 2 solar~ ev 2 or ev 2 Mit 3 Neutrinos ist dies nicht möglich! Gibt es ein weiteres unbekanntes Neutrino?

39 Verschlungene Wege Universität Hamburg CERN Reinhard Maschuw Leiter Techn. Entwickl. Phys. Inst. Hamburg Pluto-Exp. bei DESY MPI Heidelberg DESY KfK Karlsruhe Uni Bonn/Dekanat Direktorat FZK Günter Flügge RWTH Aachen 60ter Geburtstag

40 Neutrino-Massenbestimmung Neutrino- Oszillationen: ββ-zerfall: Kosmologie (CMBR): β-zerfall: Mischungswinkel Massendifferenzen Majorana-Teilchen? Absolute Masse Absolute Masse

41 Neutrinomasse aus kosmischer Hintergrundstrahlung (WMAP) Aus der Multipolentwicklung der Temperatur-Fluktuationen: m ν < 0.23eV

42 Tritium β-zerfall: Mainz/Troitsk 3 H 3 He + e - +ν e Zukunft: KArlsruheTRItiumNeutrino m β < 0.35 ev Mainz Daten (1998,1999,2001) 2 2 m = 1.2 ± 2.2 ± 2.1 ev m < β β 2.2eV ( 95%CL)

43 Verantwortung tragen!

44 Jahresfeier Uni Karlsruhe

45 Früh übt er sich in Richtungsbestimmungen...

46 ...später auch wissenschafts-politisch

47 GridKa im FZ Karlsruhe

48 Gewinnen nur im Team

49 Alinghi-Team: Intern. Coll. von 15 Nationen angeführt von einem Kernphysiker

50 Herzlichen Glückwunsch zum Geburtstag!

51

52 Beste Erklärung: Neutrinooszillationen Stand letzte DPG-Tagung, Frühjahr 2002 SM A LM A LO W tan 2 θ VA C 10

53 Analyse: Solare Neutrinos + KamLAND 99.73% 99% 95% 90% LMA-II LMA-I Analyse KamLAND-Koll. Phys. Rev. Lett. 90 (2003) Analyse Maltoni, Schwetz, Valle

54 Reaktorneutrino-Experiment KamLAND Reaktor: Distanz der Reaktoren ν e <L> 175 km v 1 10MeV 1000t Flüssig-Szintillator Verschwinden von ν e?