Solare Neutrinos Physikalisches Institut IIIB 5.7.05 1
Inhalt: Reaktionen in der Sonne zur Erzeugung von Neutrinos Der pp Zyklus Der CNO Zyklus Energiespektren der Sonnenneutrinos Nachweis solarer Neutrinos Radiochemische Experimente Echtzeitexperimente Energieschwellen der Experimente Das Sonnenneutrinoproblem Erklärungsversuche Neutrinooszillation Theorie zur Neutrinooszillation in Vakuum und Materie Das SNO Experiment 2
Reaktionen in der Sonne In der Sonne laufen 2 Reaktionsketten ab, bei denen Neutrinos entstehen: Der pp Zyklus liefert 98,4 % der Energie aus der Sonne Der CNO Zyklus (Bethe Weiszäcker Zyklus) liefert 1,6 % der Energie 3
Der Wasserstoffzyklus der Sonne 4
Energiebilanzen der einzelnen Reaktionen im pp Zyklus 5
Der CNO Zyklus der Sonne 6
Der CNO Hauptzyklus 7
Energiebilanzen beim CNO Zyklus 8
Neutrinoenergiespektrum 9
Neutrinonachweis: Radiochemische Experimente: Messung der Rate inverser β Zerfälle: M(νe,e )T Tochterisotope T werden über ihre Radioaktivität nachgewiesen: inverse Reaktion T(e,νe)M durch Elektroneneinfang mit Halbwertszeit T1/2 in der Grössenordnung von mehrerentagen Nachweis der Röntgen Photonen oder Auger Elektronen mit einem Proportionalzähler Rexp / RSSM? (R bezeichnet die νe Einfangsrate) Homestake Experiment (seit 1970, Cl37, Homestake Goldmine Süddakota, USA) GALLEX (GALLium EXperiment) (1991 1996, Ga71, Gran Sasso Untergrundlabor, Italien) SAGE (Soviet American Gallium Experiment) (1990 2006, Ga71, Baksan Neutrino Observatorium, Nord Kaukasus) 10
Realzeitexperimente: Realzeitexperimente: Neutrino Streuungen in Wasser (H20, D20) : νe Streuung, νn Streuung, ν Einfang Nachweis des Cherenkov Lichts (Eν, Richtung der ν) Φexp/ΦSSM? (Φ bezeichnet den Neutrinofluss) Kamiokande (Kamioka Nuclean Decay Experiment) (1987 1995, Kamioka Mine, Japan) Super Kamiokande (seit 1996) SNO (Sudbury Neutrino Observatory) (seit 1999, Creighton Mine, Ontario, Kanada) 11
Energieschwellen der Experimente: Energieschwellen: Radiochem Experimente: Tochterisotop + Elektron schwerer als Mutterisotop Echtzeitexperimente: hoher Untergrund durch natürliche Radioaktivität Ga Cl Wasser 12
Das Homestake Experiment Seit 1970 1480m unter der Erdoberfläche 380m3 fl. Perchloräthylen C2Cl4 37 37 Cl e Ar e 60 70 Tage Exposition Schwellenernergie: 814 kev, d.h. 7Be und 8 B Neutrinos werden registriert Nachweis der Neutrinos erfolgt über den Zerfall von Ar (T1/2=35d) Ar wird mit Helium Gas ausgespült und durch Adsorption an Holzkohle extrahiert und im Proportionalzähler nachgewiesen Resultat R exp / R SSM =0. 34 13
Argonextraktion beim Homestake Experiment : Alle 2 3 Monate wurde der Inhalt des Tanks durch sogenannte Eduktoren gespült, mit einem Perchlorethylenfluß von ca. 1500l pro Minute. Dabei wurde das Perchlorethylen mit Helium angereichert, das sich in den oberen 5% des Tanks sammelte. Das Helium ließ man mit einem Fluß von 17000l pro Minute durch den Kontrollraum (links) zirkulieren. Dabei wurde das Argon mit dem Helium aus dem Tank gespült. Das Helium wurde mit dem Argon durch eine Holzkohlenfalle gespült und mit flüssigem Stickstoff abgekühlt. Dabei kondensierte das Argon und setzte sich in der Holzkohle ab. 14
Das GALLEX Experiment 1991 1996 30.3 t Ga in GaCl3 HCl Lösung 71 Ga e 71 Ge e Schwellenenergie 233 kev Abschirmung durch Fels äquivalent zu 3300m Wasser Nach der Bildung von Ge wird dieses in Form von GeCl4 in einen Wassertank gegeben, wo sich GeH4 bildet. Die Anzahl der Ge Atome wird in einem Proportionalzählrohr durch Beobachtung des radioaktiven Zerfalls bestimmt. Resultat: R exp / R SSM =0. 28 15
Das Kamiokande Experment: 1000m unter der Erdoberfläche Nachweismedium: 3000t reines Wasser (Tank: 16m hoch, 15.6m Durchmesser) Elastische νe Streuung: e e e e 948 Photomultiplier: Nachweis des Elektron Cherenkov Lichts Energieschwelle: 7.5 MeV Messgrössen: Resultat Elektron Energie Winkel zwischen e Richtung (=n Richtung) und Sonnenrichtung fsonne R exp / R SSM =0. 49 16
Das Superkamiokande Experiment 1000m unter der Erdoberfläche Nachweismedium: 50000t reines Wasser Elastische νe Streuung: e e e e Energieschwelle: 5MeV 11200 Photomultiplier: Nachweis des Elektron Cherenkov Lichts 17
SNO (Sudbury Neutrino Observatory) 18
D a ta /S S M (B P 9 8 ) Vergleich der einzelnen Zählraten G a lle x K a m io k a n d e Sage SK H o m e s ta k e 2 3 3 k e V 8 1 4 k e V 6.5 M e V E n e rg y T h r e s h o ld ( M e V ) 19
Erklärungsversuche für das Sonnenneutrinoproblem Astrophysikalische Effekte: SSM mit Unsicherheiten behaftet (z.b. Magnetfelder, Plasmaeffekte, Rotation des Sonnenkerns...) Zentraltemperatur niedriger und somit auch der vorhergesagte Neutrinofluss, da Φ(B8) ~ Tzentral18 Verwendete Wirkungsquerschnitte sind teilweise nur extrapoliert Spezielle Eigenschaften der Neutrinos: Neutrino Zerfall Magn. & Elektr. Dipolmoment Neutrinooszillationen 20
Neutrinomassen und Neutrinomischung 3 massive Neutrinos 1, 2, 3 mit Massen m1 m 2 m3 Flavor Eigenzustände Masseneigenzustände ν e e ν µ µ ν τ τ ν 1 ν 2 e µ ν 3 τ Neutrinomischung! U e1 U e2 U e3 = U 1 U 2 U 3 U 1 U 2 U 3 e 1 2 3 21
Parametrisierung der Neutrinomischung Neutrino Mischungsmatrix: 3 Mischungswinkel: θ12, θ23, θ13 (3 Euler Winkel) 1 CP verletzende Dirac Phase: δ e c 13 1 0 0 = 0 c 23 s 23 0 iδ 0 s c s e 23 23 13 0 s13 e iδ 1 0 0 c 13 c 12 s12 0 1 s12 c 12 0 2 0 0 1 3 mit cij=cosθij und sij=sinθij 22
Neutrinooszillation(Vakuum): 2 Flavors (Teil 1) Zwei Flavor Formalismus: ein Mischungswinkel θ keine Phase eine Massendifferenz m2 Durch verschiedene Neutrinomassen mi entwickeln sich Masseneigenzustände unterschiedlich in der Zeit. Die Wahrscheinlichkeit dafür, dass ein anfänglich (t=0) vorhandenes νe nach der Zeit t als νe gemessen wird, berechnet man mit dem Übergangsamplitudenquadrat. 23
Neutrinooszillation(Vakuum): 2 Flavors (Teil 2) Oszillationen treten nur dann auf, wenn der Mischungswinkel θ ungleich Null UND die Massendifferenz m2 ebenfalls ungleich Null ist! Mischungswinkel bestimmt die Amplitude Massendifferenz bestimmt die Frequenz (Oszillationslänge Losz) m m 12 m 22 Oszillationsamplitude ist maximal für θ=45 24
Neutrinooszillationen: Materie (2 Flavors) Erfolgt die Neutrinoausbreitung in Materie (z.b. in der Sonne) und sind νe beteiligt, dann können diese Vakuumoszillationen durch Wechselwirkung mit den in Materie vorhandenen Elektronen resonanzartig verstärken! Mikheyev Smirnov Wolfenstein Effekt (MSW Effekt) Resonanz für X= cos(2θ) 25
SNO Teil 2: Nachweisreaktionen bei SNO: => φ(νe) Eν> 1.4 MeV Messung des νe Energiespektrums => φ(νe) + φ(νµ,τ) (gleicher WQ für alle ν) Eν> 2.2 MeV Messung des ges. 8B Neutrinoflusses ν Nachweis über γ aus Einfang (n,cl) = φ(νe) + ε φ(νµ,τ) (ε =1/6.48) Gute Richtungsmessung Schlechte Energieinformation 26
SNO: Solarer 8B Neutrinofluss Ereignisse = φ(νe) 2000 260 = φ(νe) + ε φ(νµ,τ) 580 = φ(νe) + φ(νµ,τ) (in Einheiten von 106 cm 2s 1) 306 Tage Übereinstimmung! 1. 01 6 2 1 SSM =5. 05 0.81 10 cm s Standard Sonnen Modell (SSM) 27
SNO Ergebnisse: Folgerung 1/3 erreichen den Detektor als νe 2/3 erreichen den Detektor als νμ oder ντ Damit ist gezeigt: νe Oszillation νμ/ τ 28
Erlaubte Gebiete für Neutrinooszillationen Bester Fit (LMA >MSW): msol2 = 5x10 5 ev2, θsol = 34 29
Zusammenfassung In der Sonne laufen 2 Reaktionsketten ab, bei denen Neutrinos entstehen Neutrinos werden in radiochemischen und in Echtzeitexperimenten nachgewiesen Das nachgewiesene Neutrinodefizit lag bei ca 50% Durch Unterscheidung von Massen und Flavoreigenzuständen kann man Neutrinooszillation beschreiben Neutrinooszillation ließ sich beim SNO Experiment nachweisen. 30