Astroteilchenphysik II

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1 Astroteilchenphysik II Sommersemester 2015 Vorlesung # 19, Guido Drexlin, Institut für Experimentelle Kernphysik Neutrinos - atmosphärische Neutrinos: 23-Mischung - Super-Kamiokande: up-down Asymmetrie - long-baseline Beschleuniger-Experimente - Reaktor-Neutrinos & KamLAND Resultate - Bestimmung der 13-Mischung (q 13 ) mit 3 Reaktorexperimenten: DC, DB, Reno KIT University of the State of Baden-Württemberg and National Research Center of the Helmholtz Association

2 Resultate der Sonnen-Neutrinoexperimente SNO löst das solare Neutrino-Problem über NC-Streuung an D SNO alle n s Theorie: Experimente relat. Fehler G. Drexlin VL19

3 Oszillation der solaren Neutrinos MSW-Effekt: solare n s erhalten effektive Masse - pp & 7 Be n s: Vakuumoszillation ohne MSW Resonanz - 8 B n s (E>2MeV): 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 VL19

4 Atmosphärische Neutrinos Atmosphärische Neutrinos: ideale Quelle für Analyse q 23 und Dm 23 2 Erzeugung: in Luftschauern, die bei Wechselwirkungen der kosmischen Strahlung mit den 16 O, 12 N Kernen in der oberen Atmosphäre (h = km) erzeugt werden, L n = km atmosphärischer Luftschauer n t n µ Untergrunddetektoren p Super-Kamiokande G. Drexlin VL19

5 Atmosphärische Neutrinos: Entstehung Entstehung: bei der Zerfallskette von Pionen (p +, p 0, p - ) und Kaonen Energien: typisch im GeV-Bereich (bis PeV-Energien) F max bei E n = 0.25 GeV, dann F n ~ E -2.7 bei hohen Energien Fluss: n µ : n e = 2 : 1 kosmische Strahlung F n ~ 1 cm -2 s -1 auf Meereshöhe multi-kt-detektoren (~ 1 Ereignis/kt) Flavourverhältnis: aus der atmosphärischen p-µ Zerfallskette erwartet man über einen weiten Energiebereich (E n ~ GeV) ein n µ : n e Flavourverhältnis R = 2 : G. Drexlin VL19

6 Super-Kamiokande: atmosphärische n s Nachweis atmosphärischer Neutrinos in Wasser-Cherenkov-Detektoren: n µ erzeugen durch CC-Reaktionen Myonen, n e elektromagnetische Schauer - PMTs registrieren das Cherenkov-Licht (Ring-Struktur) CC- Reaktion µ 42 abbildende Cherenkov-Technik Cherenkov-Ring: - PMT-Ladungssignal - PMT-Zeitsignal Rekonstruktion von: - n-flugrichtung q n - n-flavour n e, n µ (PID) - n-energie E n G. Drexlin VL19

7 Super-Kamiokande: Selektion n-flavours Analyse atmosphärischer n s: eine sehr gute Flavourtrennung ist essentiell Myon: scharfer Ring n µ Myon gerade Spur n e G. Drexlin VL19 PID-Parameter Elektromagnet. Schauer Elektron: unscharfer Ring

8 L n ~ km Atmosphärische Neutrinos Flugstrecke L n atmosphärische n s sind ideale Quelle für n-oszillationen (L n /E n Dm 2 ): Detektor wird in 4p Geometrie vollständig von der n-quelle umhüllt der Zenithwinkels q legt den n-flugweg L n ( km) fest Verteilung Azimuthwinkel q & Flugstrecke L n down-going (D) L n = km up/down Symmetrie Erwartung: N(up) = N(down) MC-Simulationen für up-down Symmetrie up-going (U) L n = km G. Drexlin VL19

9 Atmosphärische Neutrinos Zenithwinkel q disappearance Kanal n µ n µ Oszillation P ( n µ n µ ) 1sin 2 2q sin Dm 2 L E n n Erddurchmesser downgoing upgoing L n /E n [km/gev] G. Drexlin VL19

10 n-flugweg [km] n-rate [kt Jahre sr] Atmosphärische Neutrinos Zenithwinkel q multi-gev n atm : enge Winkelkorrelation zwischen n und Lepton - Zenithwinkel bei cos q = 0 (horizontale n µ ) definieren Skala Dm 2 - Zenithwinkel bei cos q = -1 (aufwärtslaufende n µ ) definieren Skala sin 2 2q downgoing upgoing Zenithwinkel cos q G. Drexlin VL19

11 Super-Kamiokande: cosq Verteilungen Analyse der Super-Kamiokande-I Azimuthwinkelverteilungen : Evidenz für Oszillationen von atmosphärischen Neutrinos! historische Folie von 梶田隆章 (Takaaki Kajita) Neutrino 1998 Konferenz in Takayama, Japan G. Drexlin VL19

12 Super-Kamiokande: cosq Verteilungen Analyse der Super-Kamiokande-I Azimuthwinkelverteilungen heutige statistische Präzision im n µ - n t Oszillationskanal: best fit Oszillationsparameter Dm 2 = ev 2 sin 2 2q = G. Drexlin VL19

13 Kajita-san am KIT 梶田隆章, 10. Juli 2014 Julius Wess Lectures G. Drexlin VL19

14 5.4 Beschleuniger- & Reaktor-Neutrinos Überprüfung der Oszillation astrophysikalischer n s unter Laborbedingungen Reaktor-Experimente & long-baseline Beschleuniger-Experimente: n-oszillationen: Änderung des n-flusses und des n-energiespektrums MeV: solare n e GeV: atmosphär. n µ 12-Mischung n e, n µ n 1, n 2 23-Mischung n µ, n t n 2, n 3 Dm 2 = ev 2 sin 2 2q = 0.87 Dm 2 = ev 2 sin 2 2q = G. Drexlin VL19 Reaktor-Experimente 12-Mischung _ n e - disappearance: KamLAND 23-Mischung LBL-Experimente n µ - disappearance: K2K/T2K MINOS OPERA (n t )

15 Oszillationsexperimente an Beschleunigern Erzeugung eines n-strahls: hochenergetische Protonen treffen auf C-Target Zerfall p + µ + + n µ (magnetische Fokussierung): n µ Strahl im GeV Bereich p Synchrotron Zerfallstunnel (evakuiert): Erzeugung von n µ K + p + µ + n µ Beschleuniger Target/ Horn Synchrotron Monitor Untergrundlabor Detektor Target magnetisches Horn: Ladungsselektion (p ± ) G. Drexlin VL19 km-abschirmung: Myonen werden abgebremst: _ Zerfall µ + e + + n e + n µ erfolgt in Ruhe (n s mit MeV) gepulster Betrieb n-pulse massiver Detektor zum Nachweis von: n µ : CC-Reaktionen mit Myonspuren n e : CC-Reaktion mit elmagnet. Schauer

16 Long-Baseline Oszillationsexperimente long-baseline n-oszillations-experimente in Japan, USA & Europa: Überprüfung der atmosphärischen n s Long-Baseline Beschleuniger Experimente: Übersicht LB-n-Strahl Ort Entfernung Energie L/E Beginn Detektor Kanal K2K J 235 km 1.4 GeV ~ Super-Kamiokande n µ - x NuMI US 735 km 1-30 GeV MINOS n µ -n µ CNGS EU 732 km 30 GeV OPERA n µ - n t T2K J 295 km 1-2 GeV ~ Super-Kamiokande n µ - n e Soudan Fermilab CERN Kamioka Homestake LBNE Gran Sasso K2K T2K JAERI, Tokai BNL KEK, Tsukuba G. Drexlin VL19

17 atmosphärische n s & Beschleuniger n s Überprüfung der Resultate von atmosphärischen n s mit long-baseline Beschleuniger-n-Experimenten G. Drexlin VL19

18 OPERA & CNGS: n µ n t appearance Oscillation Project with Emulsion TRacking Apparatus Strahl: Detektor: - n µ Strahl CERN LNGS mit L n /E n ~ Skala atmosphärischer n s - Foto-Emulsionen mit Pb-Absorber (bricks) - Spurdetektoren (RPCs) - Targetmasse 1.3 kt G. Drexlin VL19

19 OPERA & CNGS: systematische Effekte Obscure Physics with Emulsion TRacking Apparatus G. Drexlin VL19

20 200µm OPERA erster n t Kandidat 2010: Nachweis des ersten n t Kandidaten in einem OPERA lead brick - 4.5% Wahrscheinlichkeit für Untergrund- Fluktuation (d.h. Evidenz auf Level ~ 2 s) t - Hadronen t-kink t-lepton event # : 2. Kandidat, 2013: 3. Kandidat, 2014: 4. Kandidat G. Drexlin VL19

21 rel. Rate Reaktor nexperimente: Prinzip Berechnung des n-flusses & der n-energien aus den ß-Zerfällen der Spaltprodukte der Isotope 235,238 U, 239,241 Pu in Brennstäben (burn-up!) _ n e + p n + e + Gd-geladener Flüssigszintillator _ n e 70 _ n e - Ereignisse 60 ß-Zerfall 50 A Z n e E spalt [MeV] 235 U ± U ± Pu ± Pu ± _ n e - Fluß n-energie [MeV] G. Drexlin VL19

22 KamLAND Detektor Kamioka Liquid Scintillator Anti-Neutrino Detector (Kamioka Mine, Japan) - weltweit erstes long-baseline-reaktor-oszillationsexperiment (J-US): _ - disappearance-oszillation von n e aus Kernreaktoren (F n ~ cm -2 s -1 ) Gesamtleistung: 70 GW (~ 7 % der Weltenergie) - Abstand d = km, E n ~ 2 3 MeV 1200m³ Nylonball Mt. Ikenomayo 2700 m.w.e. 3000m³ Stahlkugel 1 kt Flüssigszintillator 3200m³ Wasser-Cherenkov G. Drexlin VL19

23 KamLAND Detektor KamLAND-Zen: Suche nach dem 0nßß 1200m³ Nylonball Mt. Ikenomayo 2700 m.w.e. Fukushima Reaktor G. Drexlin VL19

24 Ereignisse / MeV KamLAND Resultate eindeutige Evidenz für disappearance von Reaktor-Neutrinos Spektrum wird gefittet mit: Reaktor-n s, Geo-n s, Untergrund Dm 2 = (7.58 ± 0.14 stat ± 0.15 syst ) 10-5 ev 2 tan 2 q = 0.56 ± 0.10 ± 0.10 KamLAND Daten keine Oszillation best-fit Oszillation KamLAND Parameter zeigen LMA Lösung für MSW Effekt KamLAND Resultate beobachtet 1609 Untergrund ± 23.5 keine Oszillation 2179 ± Geo-n s 13 C zufällige Positron-Energie (MeV) KamLAND und solare n s: gleicher Parameterbereich solare n s: MSW-Effekt (Materie) Reaktor-n s: Vakuum-Oszillation CPT-Symmetrie G. Drexlin VL19

25 KamLAND Resultate L n /E n Analyse von KamLAND: L n nicht messbar, effekt. Abstand 180 km P( n e n ) e 1sin 2 2q sin Dm 2 L E n n Beobachtung von 2 Oszillationszyklen Überlebenswahrscheinlichkeit P ee _ n e -disappearance Beiträge der einzelnen Orte zur Gesamtzählrate Japan Korea Welt effektiver Abstand L n ~ 180 km G. Drexlin VL19 L n /E n [km/mev] Reaktor-Abstand [km]

26 3-Flavour Neutrino-Oszillationen: q 13 generische 3 Flavour-Oszillationen Mischungswinkel q 13 U cosq sinq cosq13 0 sinq13e 0 sinq e cosq12 sinq 0 sinq i sinq cosq12 i 23 cosq 23 0 cosq Reaktor- Experimente disappearance Kanal: P(n e n e ) - nur q 13, keine anderen Parameter - keine Flavour- Kontamination - n-fluß (2-/multi-Detektorsysteme) Reaktorexperimente bei kurzem Abstand (L=1-2 km) (d.h. auf der Dm 2 23 Skala): - Messung eines Defizits durch generische 3n-Mischungen - q 13 -Mischung: groß oder klein (0 < q 13 < 45 ) G. Drexlin VL19

27 13 - Mischung G. Drexlin VL04