Astroteilchenphysik II

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1 Astroteilchenphysik II Sommersemester 2015 Vorlesung # 18, Guido Drexlin, Institut für Experimentelle Kernphysik Neutrino-Oszillationen - SNO Resultate: NC an D 2 O & die Lösung des SNP - MSW Effekt (n s in Materie) - Borexino-Experiment: sub-mev Neutrinos in real time Oszillationen & MSW Resonanz KIT University of the State of Baden-Württemberg and National Research Center of the Helmholtz Association

2 Sonnenneutrinos solare Neutrinos: E n < 10 MeV (pp, 7 Be, pep, 8 B), L n ~ 150 Mio km aus pp-fusionsreaktionsketten, Bilanz: 4 p + 2 e - 4 He + 2 n e Standardsonnenmodell, entwickelt von J. Bahcall et al. (solare Parameter) integraler Sonnen-n-Fluss (SSM): F n = / cm 2 s - pp n s : radiochem. ( 71 Ga) - 7 Be n s: radiochem. ( 37 Cl) n-e - 8 B n s: n-e Streuung, n e -D G. Drexlin VL18

3 Sonnenneutrinos: Nachweis exp. Resultate: signifikante Defizite (solares Neutrino-Problem) radiochemisch Cl-37 (Davis) Ga-71(Gallex) Cherenkov Super-K, SNO Z+1 A (n e,e - ) Z A Extraktion Z+1 A Z A* (e -, n e ) - elastische Neutrino-Elektron- Streuung & CC Reaktionen am Deuteron - realtime-nachweis in D 2 O bzw. H 2 O 37 Cl G. Drexlin VL18

4 12 - Mischung G. Drexlin VL18

5 SNO drei Experimentphasen SNO wurde in drei experimentellen Konfigurationen durchgeführt: verschiedene Methoden zum Nachweis der Neutronen aus NC Prozessen Phase n-einfang g-energie Einfang-WQ experimentelles Ziel I reines D 2 O 2 H(n,g) 6.25 MeV b CC Spektrum & n e -Rate I: 11/99-5/01 (306 T) reines D 2 O II: 7/01-9/02 (391 T) D 2 0 mit 2 t NaCl (Salz) III: 10/04-12/06 (385 T) NCD-Zähler ( 3 He) n g 35 Cl 36 Cl * 36 Cl G. Drexlin VL18

6 F(n µ,t ) [ 10 6 cm -2 s -1 ] SNO Resultate: Phase-II SNO Resultate mit NaCl als n-einfangmedium - Messzeit: 391 Tage (7/2001 9/2002) n-reaktionen (CC+NC+ES) CC: (2176 ± 76) evts (n e ) NC: (2010 ± 85) evts (n e,µ,t ) ES: (279 ± 26) evts SNO Resultate für Phase-II Flavour Flex F [10 6 cm -2 s -1 ] NC SK SNO Daten n e 1.68 ± 0.06 stat ± 0.09 syst 3 n e,µ,t SSM 4.94 ± 0.22 stat ± 0.15 syst 5.69 ± 0.91 theo Resultate der SNO Phase-III: (983 ± 77) NC events in den NCDs F(n e,µ,t ) = cm -2 s CC ES x keine Oszillationen F(n e ) [ 10 6 cm -2 s -1 ] G. Drexlin VL18

7 SNO Resultate: Phase-II SNO löst das solare Neutrino-Problem (2001): - die exp. NC Rate entspricht dem Wert des SSM - die exp. CC Rate ist wie bei anderen Experimenten deutlich reduziert eindeutige Evidenz für Flavour- Umwandlungen n e n µ,t durch Nachweis der n µ,t Komponente im NC F(n e ) F(n e,µ,t ) = ± stat ± 0.03 syst it only took us 30 years! Ray Davis John Bahcall G. Drexlin VL18

8 Resultate der Sonnen-Neutrinoexperimente Vergleich der Resultate von radiochemischen & real time Experimenten SNO alle n s Theorie: Experimente relat. Fehler G. Drexlin VL18

9 Oszillation der solaren Neutrinos Vakuum-Oszillationen - solare Neutrinos oszillieren auf dem Flugweg Sonne-Erde im Vakuum Materie-Oszillationen Oszillationslänge: n l osz ~ km, Dm 2 ~ ev 2 Oszillationslänge: l osz ~ km, Dm 2 ~ 10-4 ev 2 - Wechselwirkung der n e im Sonneninnern erzeugt resonanzartige Umwandlung MSW-Effekt Mikheyev, Smirnov, Wolfenstein: (solare) Materie beeinflusst Propagation/Oszillation n e e kohärente elastische ne-vorwärtsstreuung S.P. Mikheyev Alexej Y. Smirnov Lincoln Wolfenstein G. Drexlin VL18

10 MSW Effekt: n-oszillationen in Materie kohärente elastische Vorwärtsstreuung an Elektronen in solarer Materie: - Elektron-Neutrinos n e : geladene (CC) & neutrale (NC) Reaktionen - Myon-/Tau-Neutrinos n µ, n t : nur neutrale (NC) Reaktionen zusätzliches Potenzial V für n e mit V 2 G F N e Neutrinos haben in Materie eine effektive (variable) Masse N e : Elektrondichte n-oszillationen werden in Materie modifiziert - für die heute bekannten Werte von q 12 und Dm 12 2 und für die typischen N e Werte in der Sonne wirkt sich der MSW-Effekt nicht für alle solaren n s gleich stark aus: G F n e e kohärente elastische ne- Vorwärtsstreuung MSW Effekt Energien n s aus ausgeprägt hoch (E n > 2 MeV) 8 B, hep-n s mittel mittel (E n ~ 1-2 MeV) 7 Be, pep-n s vernachlässigbar nieder (E n < 2 MeV) pp-n s G. Drexlin VL18

11 MSW Effekt: n-oszillationen in Materie kohärente elastische Vorwärtsstreuung an Elektronen in solarer Materie: - Elektron-Neutrinos n e : geladene (CC) & neutrale (NC) Reaktionen - Myon-/Tau-Neutrinos n µ, n t : nur neutrale (NC) Reaktionen zusätzliches Potenzial V für n e mit V 2 G F N e N e : Elektrondichte Neutrinos n e, n µ haben in Materie eine effektive (variable) Masse MSW- Verstärkung der Oszillationen Landau-Zener Effekt - n-flavourzustände n e, n µ erhalten effektive Masse, im Zentrum: n e schwerer (CC+NC) n µ (NC) leichter - N e nimmt wie r(r) nach außen langsam & stetig ab - kritische Dichte r(x c ) wird erreicht: resonanzartige Umwandlung n e in n µ ist abhängig von Dm 2, sin 2 q vakuum, N e - wenn Resonanz, dann deutlich reduzierter n e -Fluß für Parameter-Bereich Dm 2 = ev G. Drexlin VL18

12 MSW Effekt LMA & SMA nach der Analyse der n solar -Daten von Homestake, GALLEX/GNO, Super-Kamiokande & SNO verblieben 2 Parameterbereiche für MSW: SMA: kleine Mischungsamplitude < 0.01 (analog zur CKM Matrix der Quarks) LMA: große Mischungsamplitude > 0.6 (leptonische Mischung ist neuartig!) - erster Test ob LMA/SMA erfolgte mit Reaktor-anti-n s (KamLAND) - bei solaren n s: für SMA werden alle 7 Be-n e s in n µ, n t umgewandelt LMA Large Mixing Amplitude SMA Small Mixing Amplitude Neutrinoenergie [MeV] G. Drexlin VL18 Neutrinoenergie [MeV]

13 Borexino-Experiment BOREXINO: Niederenergie-Neutrino-Astronomie im LNGS PMTs 100 t Szintillator wissenschaftliche Ziele: - Astrophysik der Sonne: Metallizität Z? - real-time Beobachtung der 7 Be-Linie Präzision für f( 7 Be) 40% 5-10% bessere Kenntnis f(pp), f(cno) - real-time Beobachtung der 8 B-n s, pep-n s, Suche nach CNO-n s - Geophysik: Geoneutrinos Wärmeerzeugung im Erdinnern Mantel LNGS, Halle C 3500 mwe Kern Kern G. Drexlin VL18

14 Borexino-Experiment BOREXINO: Niederenergie-Neutrino-Astronomie im LNGS wissenschaftliche Ziele: - Astrophysik der Sonne: Metallizität Z? - real-time Beobachtung der 7 Be-Linie Präzision für f( 7 Be) 40% 5-10% bessere Kenntnis f(pp), f(cno) - real-time Beobachtung der 8 B-n s, pep-n s, Suche nach CNO-n s - Geophysik: Geoneutrinos Wärmeerzeugung im Erdinnern experimentelle Methode: - elastische n-e Streuung in einen hochauflösenden organischen Flüssigszintillator mit 100 t (fid.) Masse - keine n-reaktionen an 12 C (da Schwelle!) G. Drexlin VL18

15 Borexino-Experiment Untergrund 270 t PC & PPO Mineralölbuffer Stahlkugel 2212 PMT 2100 m 3 H 2 O µ-veto (208 PMTs) g & n- Shield erzielte Isotopen-Reinheit: U, 232 Th: Level unterhalb der Designwerte Po, 85 Kr: Level relevant für Datenanalyse Herausforderung: extrem niedriges Untergrundniveau durch die primordialen Isotope 238 U, 232 Th, 40 K Abschirmprinzip: - ultra-reiner Flüssigszintillator Pseudocumol (PC) 1,2,4 Trimethylbenzol - graded shielding principle: innerster PC umgeben von a) Mineralölbuffer b) Wasser-Vetozähler - Anforderungen an Untergrund: Isotop Isotopenreinheit 238 U < g/g 232 Th < g/g 40 K < g/g G. Drexlin VL18

16 Borexino PhDs & Systematik Systematik (nach umfassender Kalibration) - Gesamt 2.7% - Energieskala 1.3% - fiducial Masse 1.3% - Fit-Methode 1.0% - Fit-Annahmen 1.7% AmBe- Quelle Reduktion der systematischen Unsicherheiten wichtig für den experimentellen Gesamtfehler g: 57 Co, 139 Ce, 209 Hg, ß: 14 C, 214 Bi, a: 214 Po G. Drexlin VL18

17 Ereignisse/(5 kev Tag 100 t) Borexino-Experiment - Resultate BOREXINO-Resultate für 7 Be-Neutrinos (750 Tage Messungen, seit 5/2007) - Rückstoß-Spektrum nach statistischer Subtraktion von 210 Po-Ereignissen Fit 7 Be-n s 85 Kr 210 Bi 11 C Untergrund pp-n s, CNO-n s LMA Large Mixing Amplitude BOREXINO Rate für 7 Be-n s LMA-Lösung Energie (kev) G. Drexlin VL18

18 Borexino Resultate für Be-7 BOREXINO-Resultate für 7 Be-Neutrinos (750 Tage Messungen, seit 5/2007) Parameter BOREXINO Resultat LMA, high Z LMA, low Z 7 Be-n Rate (/Tag/100 t) 46.0 ± 1.5 (stat.) ± 1.3 (syst.) 48 ± 4 44 ± 4 n e -Überlebensrate P ee 0.51 ± keine Diskriminierung zwischen SSM mit hoher/niedriger Metallizität Z Globale Analysen aller Experimente ~ 1/3 n e ~ 1/3 n µ ~ 1/3 n t LMA-Parameterbereich des MSW Effekts: sin 2 2q 12 = 0.87 Dm 2 12 = ev 2 T C MSW- Effekt starke, aber keine maximale Mischung G. Drexlin VL18

19 Ereignisse / (1 kev Tag 100 t) Borexino Resultate für pp BOREXINO-Resultate für pp-neutrinos (nach Eliminierung von 85 Kr & 210 Bi) Analyse von Messdaten 1/2012 5/2013 im inneren 86 m³ Volumen 10 s Evidenz für Ereignisse von pp-neutrinos experimentelle pp-rate 10 4 Multiparameter-Fit-Resultate 144 ± 13 stat ± 10 syst Ereignisse/Tag/100 t P ee für solare pp-n s P ee = 0.64 ± 0.12 pp-fluß (mit MSW-P ee ) (6.6 ± 0.7) / cm 2 s gute Übereinstimmung mit dem SSM (Bahcall) G. Drexlin VL Energie (kev)

20 Borexino Resultate für pp BOREXINO-Resultate für pp-neutrinos (nach Eliminierung von 85 Kr & 210 Bi) Analyse von Messdaten 1/2012 5/2013 im inneren 86 m³ Volumen 10 s Evidenz für Ereignisse von pp-neutrinos G. Drexlin VL18

21 MSW Effekt & Vakuum-Oszillationen BOREXINO: neue Information über die P ee -Werte von pp, 7 Be, 8 B n s : - niederenerget. pp & 7 Be n s: Vakuumoszillation ohne MSW Resonanz - hochenergetische 8 B n s: Vakuumoszillation mit MSW Resonanz Vakuumoszillation keine MSW Resonanz n e (n µ -n t ) P ee (Überlebenswahrscheinlichkeit für n e ) Vakuum MSW verstärkt Umwandlung P ee < 0.5! MSW E n (MeV) MSW Effekt Materie beeinflusst Oszillation: Resonanz G. Drexlin VL18

22 nächste VL 23 - Mischung G. Drexlin VL18