Neutrino Oszillation. Von Richard Peschke

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Dennis Hummel
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1 Neutrino Oszillation Von Richard Peschke

2 Gliederung: 1. Was sind Neutrinos? 2. Eigenzustände 3. Mischung 4. Grundlagen der Neutrino Oszillation 5. Experimente: 5.1 Sonnen-Neutrinos 5.2 Reaktor-Neutrinos 5.3 Atmosphärische-Neutrinos 6. Zusammenfassung

3 1. Was sind Neutrinos 1930 postuliert von Pauli Retten Energie- und Impuls-Erhaltungssätze Beispiel: Neutronenzerfall Nachweis 1956 durch Reines und Cowan Nachweis mit Neutrinos aus Kernreaktoren über den umgekehrten β Zerfall

4 2. Eigenzustände Flavor-Eigenzustände Das sind die Eigenzustände zum Ladungsoperator. Elementarteilchen wechselwirken grundsätzlich in Ladungseigenzuständen Massen-Eigenzustände Das sind die Eigenzustände zum Masseoperator Elementarteilchen breiten sich im Masseeigenzustand aus

5 3. Mischungsmatrix Unitäre (3x3) Matrix Beschreibt den Übergang von Massen- zu Flavor-Eigenzuständen und umgekehrt

6 3. Grundlagen der Neutrino-Oszillation (für N=2) Von Pontecorvo vorhergesagt (60er Jahre) Am Vertex wird Flavor-Zustand produziert Ist Überlagerung aus Masse- Zuständen

7 Diese breiten sich im Raum aus Extrem relativistisch x=t E ν =P ν

8 Rücktransformation Beispiel für maximale Mischung: ν e = ν 1 + ν 2 ν µ = -ν 1 +ν 2

9 Wahrscheinlichkeit µ Neutrinos zu detektieren Mit:

10 Rechenbeispiel Mitflug mit Neutrino (extrem relativistisch) Annahme m ν =0,1eV Neutrinos sind alle 0,16ps in anderem Flavor

11 Mischung vieler Neutrinos Energie nicht scharf Neutrino Energiespektrum Überlagerung der Energien Verschmierung der Oszillation

12 Neutrino-Oszillation für N=3 Mischungsmatrix besteht aus 3 Drehmatrizen Komplexe Phase für CP Verletzung

13 Gemessen bei: Atmosphärische- Neutrinos Reaktor-, Solar- Neutrinos

14 Beispiel: µ-neutrinos Überlagerung von 2 Oszillationen Oszillation mit kurzer Oszillationslänge ( 1km/MeV) Oszilation mit langer Oszillationslange ( 30km/MeV)

15 5. Experimente 1. Solar Neutrinos - Homestake Detektor - Kamiokande Detektor - SNO Detektor 2. Reaktor Neutrinos - KamLAND 3. Atmosphärische Neutrinos - Super Kamiokande

16 5.1 Solar Neutrinos Neutrino Produktion in der Sonne ν e ν e ν e ν e ν e

17 Homestake Ray Davis (Nobelpreis 02) Liter Perchlorethylen 1400m unter der Erdoberfläche 24 Jahren in Betrieb

18 Homestake Nachweis über: Nur Neutrinos mit E>814keV keine pp Neutrinos hauptsächlich 7 Be(14%) und 8 B(74%)

19 Ergebnis Homestake Erwartet wurden 1,19 bis 1,47 Atome pro Tag Gemessen wurden ca. 0,462 (34%) Es gibt zu wenig Neutrinos

20 Mögliche Erklärungen Davis hat sich vermessen Die Sonne ist kälter 8 B Prozess ~ T 19 Absenkung der Temperatur von 15,6 auf 14,6 Millionen Grad Neutrino-Oszillation in Materie (MSW Effekt) Vakuum Neutrino-Oszillation

21 Probleme mit Vakuum Oszillation Benötigt große Mischungswinkel Nachweis an Reaktoren lange nicht möglich

22 Kamiokande 3.000t Wasser als Target 1km tief in der Erde Ursprünglich gebaut um den Protonzerfall zu messen Protonzerfall konnte nicht nachgewiesen werden Masatoshi Koshiba Nobelpreis 2002

23 Kamiokande Nachweis über Und Cherenkov Detektor Messdauer 3 Jahre Sieht die Sonne brennen

24 Kamiokande als Neutrino-Detektor Vorteile: Richtungsbestimmung Zeitauflösung Energieauflösung Nachteil: Hohe Schwellenenergie (~8MeV) nur 8 B Neutrinos

25 Ergebnisse von Kamiokande ca. 46% des erwarteten Flusses Qualitative Übereinstimmung mit Homestake aus Richtungsauflösung folgt: Wirklich Sonnen-Neutrinos Zeitlich konstant, obwohl Aktivität der Sonne geschwankt hat Beobachtung einer Supernova

26 Sudbury Neutrino Observatory 1999 in Kanada gebaut 2km unter der Erde 1000t Schweres Wasser 2t reines Salz Nur Nachweis von 8 B Neutrinos

27 Funktionsweise von SNO Messung von ν e Nachweis über Cherenkov-Stralung Messung des gesamten Neutrinoflusses Nachweis über

28 Ergebnisse Von SNO Gesamt Neutrinofluss ist wie erwartet Fehlen von Elektron Neutrinos (35% des gesamt Flusses) Neutrinos müssen sich umwandeln Wie wandeln Neutrinos sich um? Neutrino-Oszillation in Materie Neutrino-Oszillation im Vakuum

29 Bisher Möglich:

30 5.2 Reaktor Neutrinos: KamLAND Steht in Japan Der größte flüssig Szintillationsdetektor Besonders hohen Fluss von Reaktor- Neutrinos 1000 Tonen flüssiges target

31 Die besondere Lage von KamLAND

32 Funktionsweise von KamLAND Im Detektor findet der Prozess statt: 3,4MeV<E ν <11,MeV Das Positron annihiliert sofort Das Neutron wird nach ca. 200µs von einem Proton eingefangen Signal gut erkennbar

33 Vorteile von KamLAND Fluss relativ genau bekannt MSW Effekt kann keine Rolle spielen Energieauflösung möglich Steht in der richtigen Entfernung zu den Quellen

34 Ergebnisse von KamLAND Abnahme des Flusses 61,1% des erwarteten Flusses Bestätigung für Neutrino- Oszillation

35 Weitere Ergebnisse von KamLAND Energieauflösung hat oszillierendes Verhalten Ausschluss von Zerfallstheorie Zur Erinnerung:

36 Bestimmung des Mischungswinkels Θ=32,3 Δm²=7,9 * 10-5 ev² Oszillationslänge

37 5.3 Atmosphärische Neutrinos Energie GeV Festes Mischungsverhältnis

38 Super Kamiokande Weiterentwicklung von Kamiokande Flüssig Cherenkov Detektor Tonnen Wasser 1km unter der Erdoberfläche Kann ν e und ν µ nachweisen

39 Super Kamiokande Nachweis über: oder: υ + e e + υ υ + + υ e e µ e µ e

40 Super Kamiokande Sieht die Sonne in Echtzeit brennen Bestätigt den reduzierten Fluss, 47% an ν e aus der Sonne Entdeckt Defizit an µ- Neutrinos bei atmosphärischen Neutrinos

41 Atmosphärische Neutrinos (Super K) Deutliche Abnahme von ν µ Aber ν e konstant Übergang ν µ ν τ Nicht ν µ ν e

42 Ergebnisse von Super Kamiokande Auch µ Neutrinos oszillieren Oszillationslänge kleiner als bei Solar- Neutrinos Δm solar < Δm Atm m 1 -m 2 < m 2 -m 3 Δm²=2,4(meV)² L=1km E/MeV θ 23 =45

43 6. Zusammenfassung Neutrinos haben Massen Neutrinos mischen unter großen Winkeln 2 Mischungen gemessen 1. Solar- und Reaktor-Neutrinos 2. Atmosphärische Neutrinos Bisher noch nicht gemessen:

44 Heutige Daten Atmosphärische Neutrinos Noch nicht gemessen Solar- und Reaktor neutrinos Δm 2 23 = 2, ev 2 Δm 2 13 = 2, ev 2 Δm 2 12 = 0, ev 2 schnelle Oszillation L 23 =1km E/MeV langsame Oszillation λ 12 =31km E/MeV θ 23 = 45 θ 13 < 10 θ 12 = 34 U PMNS

45 Quellen Beratung durch Professor Kobel N. Schmitz Neutrinophysik H. V. Klapdor-Kleingrothaus / A. Staudt Teilchenphysik ohne Beschleuniger _et/sm_et_lep4b.html

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