Proton-Proton-Zyklus. p+p => 2 H+e + + ν e (99%) p+e - +p => 2 H+ ν e (1%) H+p => 3 He+γ. He+ 3 He => 4 He+2p (86%) He+ 4 He=> 7 Be+γ (14%)

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Dominik Michel
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1 Proton-Proton-Zyklus pp-neutrino pep-neutrino p+p => 2 H+e + + ν e (99%) p+e - +p => 2 H+ ν e (1%) 2 H+p => 3 He+γ 3 He+ 3 He => 4 He+2p (86%) 3 He+ 4 He=> 7 Be+γ (14%) 3 He+p => 4 He+ν e +e + (<<1%) hep-neutrino 7 Be + p => 8 B + γ 8 B => 8 Be + e + + ν e 8 Be => 2 4 He (1%) 8 B-Neutrino 7 Be + e - => 7 Li + ν e 7 Li + p => 2 4 He (99%) 7 Be-Neutrino

2 Energiespektrum der Sonnenneutrinos

3 Wiederholung: Homestake Experiment Nachweis von 37 Ar, Zerfällt über K-Einfang: 37 Ar + e - => 37 Cl + ν e Halbwertszeit: t 1/2 = 35 d Zerfallsprodukte: (i) Röntgenstrahlung (ii) Augerelektronen Schwellenenergie für ν-einfang: 814 kev => hauptsächlich 8 B-Neutrinos Ergebnis: Y = Ar-Atome pro Tag R = SNU Sonnenmodell: ~ 8.0 SNU Solares Neutrino Defizit

4 Wiederholung: GALLEX Experiment Prinzip des radiochemischen Experimentes: 71 Ga + ν e => 71 Ge + e t GaCl 3 niedrige Schwellenenergie: 244 kev => Fluss von pp-neutrinos gemessen! Ergebnis unter der theoretischen SSM Erwartung Liegt es an Neutrinoeigenschaften? GALLEX /-8 SNU SSM /-6 SNU

5 Radiochemische Experimente (Homestake, GALLEX) keine Informationen über die Richtung des einfallenden Neutrinos (Sonne?) Informationen über die Energie nur indirekt über die Schwellenenergie der Neutrinoreaktionen Zeitmittelung über mehrere Wochen Echtzeitexperimente (Superkamiokande, SNO) Informationen über detektierte Neutrinos: Richtung -> Ursprung von Sonne, Energie -> Anteile des Spektrums Einfallszeit -> zeitabhängige Effekte (day/night, super-nova) Prinzipiell alle Neutrino-Flavors sind detektierbar Untergrundreduktion durch Zusatzdetektoren & Elektronik

6 Historisches II. Teil 1930 postuliert Pauli das Neutrino. Energie-, Impuls- und Drehimpulserhaltung 1934 E. Fermi Theorie des β-zerfall 1956 Entdeckung des ν e (Reines & Cowan) 1962 Entdeckung des ν µ (Ledermann, Schwartz & Steinberger) 1968 Erste Messungen von Sonnenneutrinos (~50% des theo. Wertes, Ursache: Sonnenmodell oder Neutrinoeigenschaften?) 1998 Super-Kamiokande SNO 2000 Entdeckung des ν τ FERMILAB)

7 Neutrinos im Standardmodell der Elementarteilchenphysik

8 Atmosphärische Neutrinos Sekundärprodukte der Kosmischen Strahlung µ-neutrinodefizit: Atmosphärische Neutrino-Anomalie

9 Beta Zerfall im Standardmodell Einlaufendes Neutron: zwei d-, ein u-quark. Es genügt ein d-quark zu betrachten, die anderen beiden Quarks werden durch Gluonen an dieses Quark gebunden. Tragen nicht zur Reaktion bei. d-quark strahlt ein W - -Boson ab, wandelt sich in ein u- Quark um. W - -Boson zerfällt nach kurzer Zeit in Elektron und ein Elektron-Antineutrino.

10 Neutrino-Reaktionen Geladene Ströme (CC) an Proton, Neutron ν e + p => e + + n ν e + n => e - + p ν µ + p => µ + + n ν µ + n => µ - + p ν e Streuung am Proton Beta-Zerfall des Neutrons

Neutrino-Quark-Reaktionen Geladene Ströme (CC) an Deuteron: ν e + d p + p + e - W-Bosonenaustausch: Neutron und Neutrino Proton und Neutrino Bei niedrigen Energien nur Elektronneutrinos!

11 Neutrino-Quark-Reaktionen Geladene Ströme (CC) an Deuteron: ν e + d p + p + e - W-Bosonenaustausch: Neutron und Neutrino Proton und Neutrino Bei niedrigen Energien nur Elektronneutrinos! Nachweis: Elektron erhält meiste Energie des Neutrinos übertragen. Ist die Elektronen-Energie größer als die Schwellenenergie -> Emission von Cherenkov-Licht Cherenkov Licht: Elektron- Energie aus Öffnungskegel

12 Neutrino-Quark-Reaktionen Neutrale Ströme (NC) Austausch eines neutralen Z-Bosons Beispiel: ν x + d --> p + n + ν x Deuteron wird aufgebrochen Alle ν Flavors haben gleichen Wirkungsquerschnitt! => Neutronennachweis: - Zusatz von 2 Tonnen NaCl-Salz in Wasser - n-einfang in 35 Cl - γ-kaskade um 8 MeV

13 Neutrino-Elektron Reaktionen Neutrale Ströme (NC) Geladene Ströme (CC) Elastische Streuung (ES) ν x +e - => ν x +e - Elektron ν e :NC und CC tragen bei Müon ν µ :NC tragen bei Elastische Streuung mit Elektron ν e unterscheidet sich von ES mit ν µ und ν τ Wirkungsquerschnitt σ(es) mit ν e ist sechs mal größer.

14 Zusammenfassung: Neutrino-Reaktionen (CC) ν e + D => e p (1,442 MeV) => ν e Fluß φ(ν e ) (NC) ν x + D => ν x + p + n (2,226 MeV) => ν x Fluß φ(ν x ) - Neutronen - Nachweis mit Einfangreaktion n + 35 Cl => 36 Cl + γ (ES) ν x + e - => ν x + e - (x steht für alle Neutrinoflavors) Durch Vergleich der Reaktionen: - Anteile der verschiedenen Neutrinoflavors φ(ν e ), φ(ν x ) - Wenn φ(ν e ) < φ(ν x ) => Zugang zu Oszillationen

15 Hochenergie-Neutrino Detektoren Anforderungen und Voraussetzungen: großes Volumen - N Target - Teilchenspuren Kombinierte Detektoren für - Cherenkov-Licht - Neutronen Abschirmung: Untergrundlabor

Relativistische Teilchen in Medium mit v > c/n strahlen Licht im sichtbaren Bereich ab:

16 Cherenkov-Strahlung In Medium mit Brechungsindex n ist die Licht- Geschwindigkeit c/n. Die Geschwindigkeit des Teilchens kann größer als c/n sein. Relativistische Teilchen in Medium mit v > c/n strahlen Licht im sichtbaren Bereich ab: Cherenkov - Strahlung. Lichtkegel mit festem θ c wird von jeder Position der Teilchenbahn abgestrahlt. c / n cos θ = = c βc 1 β n in Wasser ca. 40 Grad

17 Meßprinzip für hochenergetische Neutrinos

18 Kamiokande, Super-Kamiokande Kamioka Nucleon Decay Experiment Kamioka-Mine 300km westl.von Tokyo in einer Tiefe von 1000m Daten: (K: , SK: ) 41,5m hoch und 39,3m Durchmesser Tonnen reines Wasser ( t eff.) PMT (50cm) Photomultiplierröhren Schwellenenergie: 5 MeV

19 Super-Kamiokande

20 Super-Kamiokande Elektron-Ereignis E = 492 MeV Müon-Ereignis E = 603 MeV

Kamiokande, Super-Kamiokande Wasser-Cherenkov-Detektor (Real time) Elastische νe -Streuung (ES): ν + e ν + e Realzeitmessung: Rückstoßelektron erzeugt Cherenkovlicht Energieschwelle bei 8 nur B ν s

21 Kamiokande, Super-Kamiokande Wasser-Cherenkov-Detektor (Real time) Elastische νe -Streuung (ES): ν + e ν + e Realzeitmessung: Rückstoßelektron erzeugt Cherenkovlicht Energieschwelle bei 8 nur B ν s und höherenergetische Neutrinos erstmals möglich: E S = 5MeV Winkelverteilung relativ zur Sonne direkter Beweis, dass registrierte Neutrinos von der Sonne kommen φ φ 0.49 ± 0.03 exp ± 0.06 = SSM 0.46 ± ( K ) ( SK )

Pech am 12.11.2001 Innerhalb von 10 sec.

22 Pech am Innerhalb von 10 sec PMT s in Kettenreaktion zerstört Millionen $ 8 km entfernte Seismografen registrierten Signal Ursache: eine defekte Photomultiplierröhre

23 Sudbury-Neutrino-Observatory SNO 2 km unter der Erde in einer Mine bei Sudbury (Canada) seit 1997 in Betrieb Kugelförmige Struktur 12 m Durchmesser 9600 PMT`s arbeitet mit schwerem Wasser [D 2 O] 1000 t Schwellenenergie 1,42MeV

SNO Energieschwelle bei ES: E S = 5MeV 8 B ν s alle ν α σ ν mit

Neutronen Nachweis: n + Cl 35 => Cl 36 + γ erlaubt Messung der

24 SNO Energieschwelle bei ES: E S = 5MeV 8 B ν s alle ν α σ ν mit : σ ( ) µ, τ ( ν ) e = ε = CC: ( E S = 1. 4MeV ) nur ν e NC: ( E S 2. 2MeV ) n + d H 3 +γ alle γ + e γ + ν α e 2. Neutronen Nachweis: n + Cl 35 => Cl 36 + γ erlaubt Messung der Elektron und µ,τ Komponenten des Flusses ν ν µ, Defizit des solaren Neutrinoflusses verursacht durch e τ keine Defizit im Vergleich mit SSM

SNO-Ergebnisse 6 2 1 Monte-Carlo-Verfahren ergibt: (in Einheiten von 10 cm s ) Φ Φ Φ SNO CC SNO NC SNO ES = 1.76 ± 0.10 = 5.09 ± 0.62 = 2.39 ± 0.

25 SNO-Ergebnisse Monte-Carlo-Verfahren ergibt: (in Einheiten von 10 cm s ) Φ Φ Φ SNO CC SNO NC SNO ES = 1.76 ± 0.10 = 5.09 ± 0.62 = 2.39 ± 0.26 Analyse Φ Φ Φ SNO CC SNO NC SNO ES = Φ = Φ = Φ ( ν ) e ( ν ) ( ) e + Φ ν µ, τ ( ν ) + ε Φ( ν ) e µ, τ = Φ tot Falls nur ν e, d.h. keine Oszillationen: Φ CC = Φ NC = Φ ES

26 Konsistentes Ergebnis: Messung und Standard-Sonnen-Modell Φ Φ Φ Φ ( ν ) e ( ) ν µ, τ SNO tot SSM tot = 1.76 ± 0.10 = 5.17 ± 0.66 = = 3.41± Übereinstimmung mit SSM Φ ( )! ν µ, τ 0

27 AMANDA (Antarctic Myon And Neutrino Detection Array) Südpol Bauzeit: (2009) effektive Fläche ( m 2 ) Schwelle: ca. 20GeV

29 ICE-CUBE (Zukunftsprojekt) 1 km 2 effektive Fläche 80 Ketten mit insgesamt 4800 PMT s 1 GT Masse

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Energiespektrum der Sonnenneutrinos Summary Homestake experiment Detection of 37 Ar, decays via K-electon capture: 37 Ar + e - => 37 Cl + ν e Half live: t 1/2 = 35 d Decay products: (i) X-rays (Röntgenstrahlung))