Sebastian Heuser, Wolfgang Zeller 17. April Schlüsselexperimente der Teilchenphysik Die Helizität des Neutrinos

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1 Sebastian Heuser, Wolfgang Zeller 17. April 2009 Schlüsselexperimente der Teilchenphysik Die Helizität des Neutrinos

2 Seite 2 / 22 Die Helizität des Neutrinos 17. April 2009 Sebastian Heuser, Wolfgang Zeller Inhaltsverzeichnis Das Goldhaberexperiment Einleitung Prinzip Experiment Ergebnisse Diskussion Referenzen Abb.: Originalfoto des Goldhaberexperiments

3 Seite 3 / 22 Die Helizität des Neutrinos 17. April 2009 Sebastian Heuser, Wolfgang Zeller Einleitung Status quo 1958 Ergebnis des Wu-Experiments: Schwache Wechselwirkung verletzt Paritätserhaltung Daraufhin aufkommende Hypothese: Neutrino hat negative Helizität H(ν) = 1 Abb.: Ergebnis Wu-Experiment. Bethge: Kernphysik, Springer 2008.

4 Seite 4 / 22 Die Helizität des Neutrinos 17. April 2009 Sebastian Heuser, Wolfgang Zeller Einleitung Helizität Definition der Helizität: H := s p s p s = Spin-Vektor, p = Impuls-Vektor beschreibt die Einstellung des Spins s relativ zum Impuls p für masselose Teilchen eindeutig bestimmt

5 Seite 5 / 22 Die Helizität des Neutrinos 17. April 2009 Sebastian Heuser, Wolfgang Zeller Prinzip Herangehensweise Ziel: Bestimmung der Helizität des Neutrinos aus Problemstellung: Neutrinonachweis Bestimmung von s νe und p νe aus 152m 63 Eu + e Sm + ν e Sm + γ

6 Seite 6 / 22 Die Helizität des Neutrinos 17. April 2009 Sebastian Heuser, Wolfgang Zeller Prinzip Bestimmung von p νe Methode: Resonanzfluoreszenz Quelle und Absorber bestehen aus dem gleichen Isotop von 152 Sm Kern - γ - Strahlung wird in einem Streuer unter Anregung absorbiert nur dann möglich, wenn sich Strahlungsquelle auf Streuer zu bewegt (Dopplereffekt)

7 Seite 7 / 22 Die Helizität des Neutrinos 17. April 2009 Sebastian Heuser, Wolfgang Zeller Prinzip Problem: Energieerhaltung verletzt Energie des emittierten Photons: Eγ emit = E exc pγ 2 2M Sm benötigte Energie zur Absorption: Eγ abs = E exc + pγ 2 E exc + 3.2eV 2M Sm

8 Seite 8 / 22 Die Helizität des Neutrinos 17. April 2009 Sebastian Heuser, Wolfgang Zeller Prinzip Lösung: Dopplershift

9 Seite 8 / 22 Die Helizität des Neutrinos 17. April 2009 Sebastian Heuser, Wolfgang Zeller Prinzip Lösung: Dopplershift

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11 Seite 9 / 22 Die Helizität des Neutrinos 17. April 2009 Sebastian Heuser, Wolfgang Zeller Prinzip Damit ergibt sich insgesamt: Neutrino ν e und γ-quant werden entgegengesetzt emittiert: p νe = p γ, wegen ϕ 0 Überlapp von Energiespektrum des emittierten γ-quants mit Absorptionsspektrum von Sm, wegen Dopplershift

12 Seite 10 / 22 Die Helizität des Neutrinos 17. April 2009 Sebastian Heuser, Wolfgang Zeller Prinzip Bestimmung von s νe Drehimpulserhaltung: in beiden Fällen gilt also: m z (ν) = m z (γ)

13 Seite 11 / 22 Die Helizität des Neutrinos 17. April 2009 Sebastian Heuser, Wolfgang Zeller Prinzip Insgesamt gilt also: p νe = p γ m z (ν) = m z (γ) anschaulich heißt das: Helizität Die Helizität des Neutrinos ist bereits durch die des γ-quants festgelegt: H νe = H γ

14 Seite 12 / 22 Die Helizität des Neutrinos 17. April 2009 Sebastian Heuser, Wolfgang Zeller Prinzip Polarisationsmessung Compton-Streuquerschnitt für Photonen an magnetisiertem Eisen: dσ dω (P e 4 ( ) k 2 c(γ)) = 2 (4π) 2 φ 0 + f P c (γ) φ c ɛ 2 0 m2 ec 4 k }{{}!! ( Klein Nishina Formel ) dσ dω hängt explizit von P c(γ) ab Polarisationsmessung dσ dσ ( ) > dω dω ( ) messbar durch Einstellung der B-Feld Richtung

15 Seite 13 / 22 Die Helizität des Neutrinos 17. April 2009 Sebastian Heuser, Wolfgang Zeller Prinzip Rolle des B-Feldes: man erhält in Abhängigkeit von B verschiedene Countraten

16 Seite 14 / 22 Die Helizität des Neutrinos 17. April 2009 Sebastian Heuser, Wolfgang Zeller Das Experiment Aufbau 152 m Eu Quelle Magnet 152m Eu Quelle Magnet 10 cm Bleischild Sm 2 O 3 Streuer NaI(Tl) Szintillator Sm 2 O 3 Ring Pb Fe + Pb Abschirmung Photomultiplier NaI (Tl) Photomultiplier Abb.: Aufbau des Goldhaberexperiments. Povh: Teilchen und Kerne, Springer 2006.

17 Seite 15 / 22 Die Helizität des Neutrinos 17. April 2009 Sebastian Heuser, Wolfgang Zeller Das Experiment Europium-Quelle und Magnet 152m 63 Eu kontinuierlich durch Beschuss im Brookhaven reactor erzeugt aus Eu 2 O 3 Nur metastabiles Europium geeignet (t 1/2 = 9.3 h, sonst 13.5 a) Feste und flüssige Quelle Zwei verschiedene Magnetdicken Magnetfeldumpolung alle 3 Minuten Abb.: L. Grodzins beim Aufbau des Experiments. Quelle unbekannt.

18 Seite 16 / 22 Die Helizität des Neutrinos 17. April 2009 Sebastian Heuser, Wolfgang Zeller Das Experiment Szintillator NaI-Kristall mit Tl-Dotierung E Elektron Exziton Leitungsband Exzitonband Akzeptorniveaus Bandlücke 5-10 ev Fremdatome bilden Aktivatorzentren Emittiert 410 nm Licht 30 % Quantenausbeute Valenzband Loch Abb.: Prinzip eines Szintillators. Stachel: Script Physik V. Strahlung oder ionisierende Partikel heben (mehrere) Elektronen in Leitungsoder Exitonband. Rekombination entweder direkt oder über Aktivatorzentrum sichtbares Licht, einige ev

19 Seite 17 / 22 Die Helizität des Neutrinos 17. April 2009 Sebastian Heuser, Wolfgang Zeller Ergebnis Untergrund Ohne Magnetfeld Untergrund durch anderen (nichtresonanten) Streuer gleicher Geometrie bestimmt Sm Streuer zeigt deutliche Struktur bei 840 kev und 960 kev Strecke im Magneten etwa 3λ d. h. nur Bruchteil ( e 3 ) der Photonen durchdringt den Magnet Abb.: Messergebnis Counts. Bethge: Kernphysik, Springer 2008.

20 Seite 18 / 22 Die Helizität des Neutrinos 17. April 2009 Sebastian Heuser, Wolfgang Zeller Ergebnis Messung mit Magnetfeld Insgesamt 9 Durchläufe mit je 3-9 h dσ ( ) > dω ( ) Je nach Magnetfeld-Richtung unterschiedliche Zählrate WQ: dσ dω Effekt Klein-Nishina 1 % Problem: Untergrundgenauigkeit- und stabilität Hohe Messgenauigkeit nötig

21 Seite 18 / 22 Die Helizität des Neutrinos 17. April 2009 Sebastian Heuser, Wolfgang Zeller Ergebnis Messung mit Magnetfeld Insgesamt 9 Durchläufe mit je 3-9 h dσ ( ) > dω ( ) Je nach Magnetfeld-Richtung unterschiedliche Zählrate WQ: dσ dω Effekt Klein-Nishina 1 % Problem: Untergrundgenauigkeit- und stabilität Hohe Messgenauigkeit nötig Messung δ = N N (N = ± N + ) N ± : Zählrate für nach oben/unten zeigendes Magnetfeld

22 Seite 19 / 22 Die Helizität des Neutrinos 17. April 2009 Sebastian Heuser, Wolfgang Zeller Ergebnis Polarisation Theoretische Berechnung (über mittlere Wegstrecke im Magneten) δ = ±0.025 ± 10 % für 100 % links-/rechtszirkulare Polarisation der Strahlung H(γ ges ) = 1 Ergebnis: (68 ± 14) % der Strahlung sind linkszirkular polarisiert H(γ) = 1 Abb.: Messergebnis Helizität. Quelle unbekannt.

23 Seite 20 / 22 Die Helizität des Neutrinos 17. April 2009 Sebastian Heuser, Wolfgang Zeller Ergebnis Korrekturen & Helizität Neutrino Energie Natürliche Linienbreite Unsicherheit im Winkel zwischen ν und γ Thermische Bewegung Beobachtbarer Effekt max. 75 %, wenn H(γ) = 1 für alle Photonen

24 Seite 20 / 22 Die Helizität des Neutrinos 17. April 2009 Sebastian Heuser, Wolfgang Zeller Ergebnis Korrekturen & Helizität Neutrino Energie Natürliche Linienbreite Unsicherheit im Winkel zwischen ν und γ Thermische Bewegung Beobachtbarer Effekt max. 75 %, wenn H(γ) = 1 für alle Photonen Verträglich mit (68 ± 14) % aus dem Messergebnis Helizität des Neutrinos Neutrinos sind linkshändig, d. h. H(ν) = 1

25 Seite 21 / 22 Die Helizität des Neutrinos 17. April 2009 Sebastian Heuser, Wolfgang Zeller Diskussion Zusammenfassung & Deutung Vorher: Schwache WW verletzt möglicherweise Paritätserhaltung Wu: experimentelle Bestätigung Evidenz für negative Helizität des Neutrinos Goldhaber: findet Element, das den Anforderungen genügt: 152m 63 Eu misst Helizität über Polarisation von Photonen: H(ν) = H(γ) Messung stimmt nach Korrekturen mit neg. Helizität H(ν) = 1 überein Nachher, Deutung: Natur unterscheidet Händigkeit, Symmetriebruch Austauschbosonen Z 0, W ± der schwachen WW koppeln nur an linkshändige Neutrinos bzw. rechtshändige Antineutrinos Aber: Neutrinos nicht masselos rechtshändige Neutrinos nur gravitative WW Kandidat für Dunkle Materie, aber nur 4 % baryonische Masse

26 Seite 22 / 22 Die Helizität des Neutrinos 17. April 2009 Sebastian Heuser, Wolfgang Zeller Referenzen Referenzen E. Bodenstedt, Experimente der Kernphysik und ihre Deutung, Teil 2; Wissenschaftsverlag, Mannheim 1979 M. Goldhaber, L. Grodzins, A.W. Sunyar, Helicity of Neutrino; Physical Review 109 (1958) 1015 Titelbilder: Poster.pdf ( ) wolle/schuelerlabor/talks/detektoren/vo-5- Szintillatoren.pdf ( )