Neutrinophysik · Caren Hagner Schülervorlesung 19. 3. 2008 Struktur der Atome Atomkern: 5 ×...

Caren Hagner Schülervorlesung 19. 3. 2008

NeutrinophysikNeutrinophysik

• Überblick über Elementarteilchen• Neutrinos: Eigenschaften• Das Rätsel der solaren Neutrinos• Neutrino Oszillationen• Neutrinostrahlen

• Überblick über Elementarteilchen• Neutrinos: Eigenschaften• Das Rätsel der solaren Neutrinos• Neutrino Oszillationen• Neutrinostrahlen

Prof. Dr. Caren HagnerUniversität Hamburg

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Caren Hagner Schülervorlesung 19. 3. 2008

Aufbau der Materie: Atome Aufbau der Materie: Atome

Atom: 10-10m = 0.0000000001 m

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Struktur der Atome Struktur der Atome

Atomkern: 5 × 10-15m 100000 × kleiner als Atom

Atomhülle: Elektronen

++

--

Elektromagnetische Kraft:Austausch von Lichtteilchen (Photonen)

Elektromagnetische Kraft:Austausch von Lichtteilchen (Photonen)

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Atomkern:Protonen und Neutronen

Struktur der Atomkerne Struktur der Atomkerne

pp

p

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p pp

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n

nn

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nStarke KernkraftStarke Kernkraft

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Struktur der Protonen und Neutronen Struktur der Protonen und Neutronen

u d

u

dd

u

ProtonProton NeutronNeutron

QUARKS!

GluonenGluonen

10-15m

Struktur des Protons:3 Valenzquarks, Seequarks, Gluonen

Entdeckung des Gluonsbei DESY (1979)

e+ e-q

Anti-q g

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Fundamentale TeilchenFundamentale Teilchen

u

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Quarks:Quarks:

e

Leptonen:Leptonen:

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Neutrino!

Wolfgang Pauli(1930)

NeutronNeutronProtonProton

dd

u

u

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ve

Verantwortlich für die Umwandlungdes d-Quarks in u-Quark:schwache Kernkraft(elektroschwache Wechselwirkung)

Verantwortlich für die Umwandlungdes d-Quarks in u-Quark:schwache Kernkraft(elektroschwache Wechselwirkung)

Zerfall des Neutrons - Geburt des Neutrinos Zerfall des Neutrons - Geburt des Neutrinos

eepn ν++→ −

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Fundamentale TeilchenFundamentale Teilchen

u

d

Quarks:Quarks:

e

Leptonen:Leptonen:

vec

s μ

vμt

b τ

vτ

3 Familien3 Familien 3 Familien3 Familien

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Was wir noch nicht wissen:Was wir noch nicht wissen:

• Warum gibt es 3 Familien?• Woher kommen die Teilchenmassen?

Higgs-Teilchen?• Haben die Quarks (Leptonen)

auch wieder eine Substruktur?• ...• Kürzlich beantwortet:

Haben die Neutrinos eine Masse?

• Warum gibt es 3 Familien?• Woher kommen die Teilchenmassen?

Higgs-Teilchen?• Haben die Quarks (Leptonen)

auch wieder eine Substruktur?• ...• Kürzlich beantwortet:

Haben die Neutrinos eine Masse?

Was hält die Materie zusammen?Die 4 Grundkräfte des Universums

Gravitation ElektromagnetischeKraft

SchwacheKraft

StarkeKraft

Graviton Photon W+, W-, Z0 8 Gluonen

Austauschteilchen = Vermittler der Kräfte

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Woraus besteht das Universum?

4% normale Materie(Quarks, Leptonen)

23% dunkle Materie

73% dunkle Energie

Ergebnisse von Experimenten in den letzten Jahren:

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Neutrinos: EigenschaftenNeutrinos: Eigenschaften

• Keine elektrische Ladung: neutral

• (Fast) keine Masse: 500000 × kleiner als Elektronenmasse

• Immun gegen starke Kernkraft

• Spüren nur die schwache Kernkraft!

• Keine elektrische Ladung: neutral

• (Fast) keine Masse: 500000 × kleiner als Elektronenmasse

• Immun gegen starke Kernkraft

• Spüren nur die schwache Kernkraft!

Caren Hagner Schülervorlesung 19. 3. 2008

Wie kann man ein Neutrino stoppen?Wie kann man ein Neutrino stoppen?

v

Neutrinos durchdringen die Erde,Auch die Sonne reicht nicht aus !

nötig: Eisenblock der Länge 1 Lichtjahr = 9500 Milliarden km

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Neutrino WechselwirkungNeutrino WechselwirkungBestrahlte Fläche

Fläche σ = Wirkungsquerschnitt:Wenn getroffen -> dann Reaktion

Atome im TargetAtome im Target

trifft nicht!trifft nicht!

TrefferWahrscheinlichkeit, dass ein Neutrino trifft:(gesamte rote Fläche) / (bestrahlte Fläche)Wahrscheinlichkeit, dass ein Neutrino trifft:(gesamte rote Fläche) / (bestrahlte Fläche)

Für Neutrino Reaktionen:

σ oft kleiner als 10-40 cm2 !

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Was passiert wenn Neutrino trifft?1. Möglichkeit (langsame Neutrinos)Was passiert wenn Neutrino trifft?1. Möglichkeit (langsame Neutrinos)

Ga71

Gallium Kern:

31 Protonen40 Neutronen

Ge71

Germanium Kern:

32 Protonen39 Neutronen

ve

Atom verwandelt sich in anderes Element!

z.B.: Gallium in GermaniumChlor in Argon

Atom verwandelt sich in anderes Element!

z.B.: Gallium in GermaniumChlor in Argon

Ga71

Gallium Kern:

31 Protonen40 Neutronen

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Was passiert wenn Neutrino trifft?2.Möglichkeit (schnelle Neutrinos)

Was passiert wenn Neutrino trifft?2.Möglichkeit (schnelle Neutrinos)

Atomkernve

Atomkern wird zertrümmert –

Elektron ( oder Myon, Tauon) entsteht-> gut im Teilchendetektor zu sehen!

Atomkern wird zertrümmert –

Elektron ( oder Myon, Tauon) entsteht-> gut im Teilchendetektor zu sehen!

BruchstückeBruchstücke

e

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Atomkern

Was passiert wenn Neutrino trifft?3.Möglichkeit

Was passiert wenn Neutrino trifft?3.Möglichkeit

Hüllenelektron wird rausgeschlagen –

-> gut im Teilchendetektor zu sehen!

Hüllenelektron wird rausgeschlagen –

-> gut im Teilchendetektor zu sehen!

eve

Das Rätsel der solaren NeutrinosDas Rätsel der solaren NeutrinosEnergieerzeugung durch KernfusionEnergieerzeugung durch Kernfusion

Temperatur:15 Millionen oC

4 p → He4 + 2e + 2v + Energie4 p → He4 + 2e + 2v + Energie

pp ppn

ne

ev

v

Energie braucht 500000 Jahre um an die Oberfläche zu kommen

Das Rätsel der solaren NeutrinosDas Rätsel der solaren NeutrinosEnergieerzeugung durch KernfusionEnergieerzeugung durch Kernfusion

4 p → He4 + 2e + 2v + Energie4 p → He4 + 2e + 2v + Energie

Neutrinostrahlung entkommt sofort!

= direkte Information aus demInneren der Sonne

Neutrinostrahlung entkommt sofort!

= direkte Information aus demInneren der Sonne

v

v

v

vv

Auf die Erde treffen:60 Milliarden Neutrinos pro cm2 pro s Auf die Erde treffen:60 Milliarden Neutrinos pro cm2 pro s

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Wie kann man diese Neutrinos messen?

Wie kann man diese Neutrinos messen?

Problem für Neutrinodetektoren:Kosmische Strahlung

Problem für Neutrinodetektoren:Kosmische Strahlung

Caren Hagner Schülervorlesung 19. 3. 2008

Abschirmung der Neutrinodetektorenvor kosmischer Strahlung

Abschirmung der Neutrinodetektorenvor kosmischer Strahlung

• In Bergwerken• In Tunneln durch Gebirge• Unter Wasser:

Mittelmeer oder Baikalsee• Unter Eis: Antarktis

• In Bergwerken• In Tunneln durch Gebirge• Unter Wasser:

Mittelmeer oder Baikalsee• Unter Eis: Antarktis

DetektorDetektor

1000-3000m1000-3000m

Kosmische Strahlung wird abgeschirmt

Kosmische Strahlung wird abgeschirmt

Neutrinos erreichen DetektorNeutrinos erreichen Detektor

Raymond Davis Jr.

Nachweis der Sonnenneutrinos(Nobelpreis 2002)

Nachweis der Sonnenneutrinos(Nobelpreis 2002)

1500m tief

615 TonnenPerchloräthylen

= 2× 1030 Atome Cl37

−+→+ ee3737 ArClν

Seit ≈ 1970

ClvAr

Alle 2 Tage: 1 Ar Atom erzeugt

Nach 60 Tagen: Zählen der Argon Atome

Ergebnis:

Nur halb so viele Sonnen-Neutrinos wie erwartet!

solares Neutrino Rätsel

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Danach: Weltweite Suche!Danach: Weltweite Suche!

Experimente in:• Europa: Gran Sasso Gebirge (Italien)• Russland: Im Elbrus Gebirge• Japan: Bergwerk• Canada: Nickel Bergwerk

Experimente in:• Europa: Gran Sasso Gebirge (Italien)• Russland: Im Elbrus Gebirge• Japan: Bergwerk• Canada: Nickel Bergwerk

Caren Hagner Schülervorlesung 19. 3. 2008

Super-Kamiokande Detektor (Japan)Super-Kamiokande Detektor (Japan)

Riesiger, unterirdischer Wassertank (Höhe ca. 45m):

22500 Tonnen Wasser

An den Wänden:12000 Lichtdetektoren

Sonnen -NeutrinoSonnen -Neutrino

ElektronElektron

Lichtkegel:Cherenkov-Strahlung

Super-Kamiokande Detektor (Japan)Super-Kamiokande Detektor (Japan)

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Photon

e-

Photo Multiplier Tubes(Lichtdetektoren)

PMT

Photo Multiplier Tubes(Lichtdetektoren)

PMT

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Neutrino Nachweis mit Cherenkov Strahlung

Neutrino Nachweis mit Cherenkov Strahlung

Elektron Ereignis

Myon Ereignis

50kt H2O

12000 PMTs12000 PMTs

Super-Kamiokande

Neutrino Ereignis:

Die Sonne im Neutrino-Licht(Super-Kamiokande Detektor)

Die Sonne im Neutrino-Licht(Super-Kamiokande Detektor)

Caren Hagner Schülervorlesung 19. 3. 2008

Alle Experimente finden:

Nur halb so viele Sonnen-Neutrinos wie erwartet!

Alle Experimente finden:

Nur halb so viele Sonnen-Neutrinos wie erwartet!

Was ist da los?Was ist da los?

Caren Hagner Schülervorlesung 19. 3. 2008

Neutrino-OszillationenNeutrino-Oszillationen

Sonne erzeugtnur Elektron-

Neutrinosve

Detektor:Kann nurElektron-Neutrinos

sehen!

Detektor:Kann nurElektron-Neutrinos

sehen!

ve vμ

ve

Nachweis

Quantenphysik:Falls Neutrinos Masse haben können sich Elektron-Neutrinos in Myon-Neutrinos verwandeln!

Quantenphysik:Falls Neutrinos Masse haben können sich Elektron-Neutrinos in Myon-Neutrinos verwandeln!

Lösung des solaren Neutrinorätsels:

NEUTRINOS haben MASSE und oszillieren

Lösung des solaren Neutrinorätsels:

NEUTRINOS haben MASSE und oszillieren

ve vμve vμ ve vμ

OszillationslängeOszillationslänge

)(5.2

21

22 mm

EL vosz −

=Ev = Energie des Neutrinos in MeVm2 = Masse des schweren Neutrinos in eVm1 = Masse des leichten Neutrinos in eVdamit Losz in m

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Das OPERA Experiment:Oszillieren vμ in vτ ?

Das OPERA Experiment:Oszillieren vμ in vτ ?

Erde

CERN (Schweiz)Teilchenbeschleuniger

Gran Sasso Gebirge(Italien)

Strahl vonMyon-NeutrinosStrahl vonMyon-Neutrinos

OPERA Detektor:Kann Myon- und Tau-Neutrinos sehen

OPERA Detektor:Kann Myon- und Tau-Neutrinos sehen

730kmNeutrinostrahl

Start Juni 2008

3.5o

CERN TeilchenbeschleunigerCERN Teilchenbeschleuniger

Myon-NeutrinostrahlMyon-Neutrinostrahl

Gran Sasso Untergrundlabor (Italien)Gran Sasso Untergrundlabor (Italien)

AutobahnRom-Teramo

3 große Experimentierhallen

1982

Man baute die Hallen so, dass sie genauauf das CERN ausgerichtet sind.

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Neutrinos im OPERA Detektor:Neutrinos im OPERA Detektor:

Myon-NeutrinoMyon-Neutrino

MyonMyon

BruchstückeBruchstücke

KernKern

TauonTauon

Tau-NeutrinoTau-NeutrinoKernKern

Tauon zerfällt in Myon!Tauon zerfällt in Myon!

Super Module 1

Target: Dort sollen dieNeutrinos wechselwirken!

Super Module 2

Spektrometer:Misst Geschwindigkeitund Vorzeichen von Myonen

Der OPERA DetektorDer OPERA Detektor

τ−μ−

X

200.000Bleiziegel

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Blei

Emulsions(Film)schicht

ντ

τ−

1 mm

μ-

μv

τv

Hadrons

Bleiziegel (insgesamt 155000):

Abwechselnd 57 dünne Bleiplatten (1mm)und 56 Fotofilmschichten.= Insgesamt 2000 Tonnen Blei

Geladene Teilchen schwärzen den Film!

Caren Hagner Schülervorlesung 19. 3. 2008

Nachweis des Tau-NeutrinosNachweis des Tau-NeutrinosNach 5 Jahren:10-20 Ereignisse

Caren Hagner Schülervorlesung 19. 3. 2008

Was wir über Neutrinos wissen:Was wir über Neutrinos wissen:

• Es gibt 3 Neutrino Arten: ve, vμ, vτ

• Neutrinos besitzen eine winzige Masse

• Neutrinos können sich ineinanderumwandlen.

• Es gibt 3 Neutrino Arten: ve, vμ, vτ

• Neutrinos besitzen eine winzige Masse

• Neutrinos können sich ineinanderumwandlen.

Aber: Es gibt noch viele offene Fragen und Rätsel!Aber: Es gibt noch viele offene Fragen und Rätsel!