Der Super-Kamiokande Detektor

Transkript

1 Der Super-Kamiokande Detektor (Kamioka Nuclear Decay Experiment) Hauptseminar SoSe 008 Schlüsselexperimente der Elementarteilchenphysik Vortrag am von Michael Renner

2 Übersicht Grundlagen Neutrino-Oszillationen Super-Kamiokande: Der Detektor Messungen und Resultate Ausblick

3 Neutrino-Oszillationen: Grundlagen Definition: periodische Umwandlung einer NeutrinoArt (Flavor) in eine andere Erklärung: Eigenzustände der schwachen WW. Masseneigenzustände (nicht entartet, d.h. mi mj) 1 e U e1 U e U e3 1 = U 1 U U 3 =U U 1 U U U: unitäre 3x3 Matrix (Maki-Nakagawa-Sakata, vgl. CKM Matrix), 4 freie Parameter (Mischungswinkel θ1 θ3 θ Phase) Theorie hat zwei weitere Parameter (δm1 + δm3 = δm13)

4 Neutrino-Oszillationen am Beispiel ve vμ Flavor-Eigenzustand e cos sin 1 = sin cos U mit i t = i 0 exp ie i t / ℏ i=1, Massen-Eigenzustand Annahme: ve(0)=1 und vμ(0)=0 gesucht: P e e = e t / e 0 und P e = t / e 0

5 Neutrino-Oszillationen am Beispiel ve vμ t = 0: 1= cos 1 0 sin 0 0= sin 1 0 cos =cos 0 =sin t = t: e t =cos v 1 t sin t =cos 1 0 exp ie 1 t / ℏ sin 0 exp ie t /ℏ =cos exp ie 1 t / ℏ sin exp ie t / ℏ Also e t E E 1 P e e = = e t =1 sin sin t e 0 ℏ

6 Neutrino-Oszillationen am Beispiel ve vμ Nutze mic << p (p1 = p = p): mi c m c E i = p c mi c 4 = pc 1 pc i p p 3 m m1 3 m c 3 E E 1 = c = p p Verwende t=l/c und Ev=pc: m L c 4 m [ ev ] L[km] P e e =1 sin sin =1 sin sin 1,7 4 E ℏ c E [GeV ] m L c 4 m [ ev ] L[km] P e e =sin sin =sin sin 1,7 4 E ℏ c E [GeV ]

7 Neutrino-Oszillationen am Beispiel ve vμ Wichtige Resultate: nur Differenzen der Massenquadrate δm bestimmbar, keine absoluten Werte Oszillationsverhalten bestimmt durch Verhältnis von L/Ev zu 1/ δm Drei Fälle: L/Ev << 1/ δm L/Ev 1/ δm L/Ev >> 1/ δm Argument sehr klein keine Oszillation zu beobachten sin() ergibt fast 1 max. Oszillation ideal für Experiment Argument sehr groß sin() oszilliert stark mittelt sich zu 1/

8 Neutrino-Oszillationen am Beispiel ve vμ

9 Wie lässt sich L/Ev beeinflussen? L: Neutrinoflugstrecke Long Baseline Experimente (LBL) Reaktorneutrinos problemlos Atmosphäre Neutrinos Zenithwinkel solare Neutrinos Jahreszeiten Tag/Nacht Ev: Neutrinospektren

10 Atmosphärische Neutrinos e e (p,he) Verhältnis vμ : ve : 1 Neutrino-Energien im GeV-Bereich Flugstrecke L bis zu 1700km (Ø Erde) M.Honda et al., Phys. Rev. D5(1995)

11 Super-Kamiokande: Der Detektor Lage: 1000m tief in einer Mine Fertigstellung 1996 nach 5 Jahren Bauzeit Vorgänger: Kamiokande (1983) Ziele: Protonzerfall Neutrinos aus versch. Quellen Sonne Atmosphäre Supernovae Gamma Ray Bursts erzeugte Neutrinostrahlen

12 Super-Kamiokande: Der Detektor Weltgrößter Cherenkov Detektor bedeutende wissenschaftliche Leistungen: erster Beweis der Existenz von Neutrino-Oszillationen anhand von atmophärischen Neutrinos (1998) Beweis des Ursprungs von solaren Neutrinos durch Echtzeitbeobachtungen Bestätigung des solaren Neutrino Defizits ( SNO) beste untere Grenze für partielle Lebensdauern des Protons (z.b. p e+ + π0, p v + K+)

13 Super-Kamiokande: Der Detektor Wasser-Cherenkov Detektor Stahlzylinder 4m hoch mit 39m Durchmesser Tonnen reines Wasser innerer Detektor (ID): 3.000t Photomultiplier (PMT) Ø 50cm, 40% Abdeckung äußerer Detektor (OD): t 1885 PMT (Ø0cm), aktiver Veto Zähler und passive Abschirmung fiducial volume.500t (m Abstand zu ID PMT) wegen Spurrekonstruktion, Abschirm.

14

15 Super-Kamiokande: Der Detektor Erdmagnetfeld beeinflusst PMT (timing), Abhilfe: 6 Helmholtzspulen an Tankinnenseite (50mG) Überdruck und Versorgung mit Radon reduzierter Luft, Polyurethan Beschichtung Reduktion auf Bq/m3 Wasserreinigungssystem (30t/h,geschl. Kreislauf) für max. Transparenz und min. Radioaktivität Spez. Widerstand nach Reinigung 18,4MΩcm

16 Super-Kamiokande: Messprinzip Nachweis von geladenen Teilchen durch Cherenkov-Strahlung Wie werden Neutrinos registriert? cos = 1 n Neutrinos wechselwirken mit Wasser im fiducial volume über geladene Ströme (charged current) aus ve (vμ) werden e (μ) Nachweis (hauptsächlich Neutrino-Nukleon WW) auch Wechselwirkung über neutrale Ströme, nicht Flavour-selektiv Aber: WQ klein, kann in Berechnungen einbezogen werden

17 Super-Kamiokande: e-μ - Identifizierung 103MeV Myon aus 1063MeV Neutrino scharfer Ring 600MeV Elektron: Bremsstrahlung dominiert elektromag. Schauer diffuser Ring

18 Ereignis Rekonstruktion PMT-Ansprechmuster ν-flugrichtung (v l ) PMT-Ladungssignal v-flavour PMT- Zeitsignal v-energie Myonzerfall nach Abbremsung Myon dringt von außen ein, wird gestoppt

19 Super-Kamiokande: Oszillationen Man misst das Verhältnis Myon-Neutrinos / Elektron-Neutrinos in Abhängigkeit von: Winkel zur Erdachse Energie ( atmo.neutrinos) MC = Monte Carlo Simulation Falls Simulation richtig und keine Oszillation: R = 1

20 Super-Kamiokande: Resultate Sub-GeV : R = 0.66 ± 0.0 Multi-GeV: R = 0.67 ± 0.03 Frage: Myon-Neutrino Defizit oder ElektronNeutrino Überschuss? kein ve-überschuss, also nicht vμ ve Verschwinden vμ vτ (?)

21 Super-Kamiokande: Resultate Neutrino-Zerfall oder Dekohärenz der Masseneigenzustände kann ausgeschlossen werden - (Particle Data Group 006) Oszillationslänge Losz 000km x Ev / GeV

22 Ausblick: Hyper-Kamiokande.5kton ~ 1000kton Statistik gut genug um Bereich der Vorhersagen abzudecken (SUSY)

23 Quellen The Super-Kamiokande Detector, The Super-Kamiokande Collaboration, Nucl. Instrum. Meth. A501(003) Detecting Massive Neutrinos, Scientific American, 1999, Band 81, Heft, S "The Search for Proton Decay." Scientific American 5, 54 (June, 1985) Evidence for oscillation of atmospheric neutrinos The SuperKamiokande Collaboration, Phys. Rev. Lett. 81 (1998) Y. Oyama (006). "Results from KK and status of TK"