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Dein Freund, das Neutrino
AG AstrophysikOlbers Gesellschaft Bremen e.V.
13. Februar 2013
Was ist ein Neutrino?
Ein Teilchen mit extrem kleiner Masse !
Proton: 2 x10-24 g
(0.0000000000000000 00000002
Gramm) Elektron: 2000 mal leichter als Proton
Was ist ein Neutrino?
Neutrino: 1 Million mal leichter als
Elektron !
Masse proportional zu Radius3
Elektron: 2000 mal leichter als Proton
Was ist ein Neutrino?
Was ist ein Neutrino ?
• Starke Kernkraft
• Schwache Kernkraft
• Elektromagnetische Wechselwirkung
• Gravitation
Die 4 fundamentalen Wechselwirkungen:
Was ist ein Neutrino ?Ein Teilchen mit extrem schwacher Wechselwirkung
- keine elektrische Ladung -
• Starke Kernkraft
• Schwache Kernkraft
• Elektromagnetische Wechselwirkung
• Gravitation
Die 4 fundamentalen Wechselwirkungen:
Neutrinos spüren nur die schwache WW und Gravitation
Ein Teilchen mit extrem schwacher Wechselwirkung
- keine elektrische Ladung -
Was ist ein Neutrino ?
Jede Sekunde gehen 1014 Neutrinos (von der Sonne)
durch Ihren Körper
…das sind ca. 70 Milliarden Neutrinos pro Sekunde durch Ihren Daumennagel !
…aber nur ein Dutzend Neutrinos wechselwirken auf dem Weg durch die Erde mit einem Atomkern. Aus
diesem Grund sind Neutrinos auch so schwer nachzuweisen.
Wie schwach ist schwach ?
SuperKamiokande (Japan) 50 000 t Wasser
Wie schwach ist schwach ?
SuperKamiokande (Japan) 50 000 t Wasser
Jede Sekunde gehen 1018 Sonnenneutrinos
durch SuperKamiokande
Wie schwach ist schwach ?
SuperKamiokande (Japan) 50 000 t Wasser
Jede Sekunde gehen 1018 Sonnenneutrinos
durch SuperKamiokande
Nur 14 Neutrinos können pro Tag nachgewiesen
werden
Wie schwach ist schwach ?
IceCube
IceCube
Wie entdeckte man Neutrinos ?1930: Rätsel der fehlenden Energie beim Beta-Zerfall
ν
Wie entdeckte man Neutrinos ?1930: Rätsel der fehlenden Energie beim Beta-Zerfall
• 1930: Wolfgang Pauli postuliert Neutrino (“Neutron”) um Energieerhaltung im Betazerfall zu garantieren.
• 1933: Enrico Fermi entwickelt Theorie des Betazerfalls und führt den Namen “Neutrino” ein.
• 1956: Experimentielle Entdeckung durch Frederick Reines und Clyde Cowan an einem Kernreaktor.
• 1969: Messung von Sonnenneutrinos durch Ray Davis
• 1998, 2002: Nachweis von Neutrinooszillationen durch SuperKamiokande, SNO und KamLAND → Neutrinos haben Masse
Wie entdeckte man Neutrinos ?
Neutrino-Astronomie
Vorteile:•Direkter Blick in Sonne, Erde und galaktisches Zentrum•Unbeeinflußt von Magnetfeldern und kosmischen Hintergrund•Effektive Abschirmung durch hohe Eindringtiefe
Neutrino-Astronomie
Nachteile:•Detektion sehr schwierig•Störender Hintergrund aus Sonnenneutrinos
Neutrinos von der Sonne
“Neutrinofoto” vom Inneren der Sonne, aufgenommen vom SuperKamiokande Neutrinodetektor
Boten aus dem Inneren der Sonne
Die Anzahl der Sonnenneutrinos/Sekunde ist proportional zu T20
Durch Messung der Sonnenneutrinos kann mandie Temperatur im Inneren der Sonne
auf 1% genau bestimmen:
T = 16 000 000 oC (± 1%)
Neutrinos aus dem KosmosSupernova 1987A in der Großen Magellanschen Wolke
Boten aus dem Inneren der Supernova
Supernova 1987A in der Großen Magellanschen Wolke
99% der Energie einer SN wird in Form von
Neutrinos abgegeben !!
~ 30 Neutrinos von SN1987A wurden in
Kamiokande und IMB nachgewiesen, und zwar 3 Stunden vor
dem Licht !!
Neutrino-Entkopplung
t < 1sT > 1010 K
Neutrinos befinden sich mit dem Plasma im Gleichgewicht.
Neutrinos wechselwirkenmit anderen Teilchenaufgrund der extremenBedingungen.
Neutrinohintergrundt = 1sT = 1010 K
Neutrinos sind nichtmehr mit dem Plasma im Gleichgewicht.
Die Geschichte der ersten Neutrinos verläuftvon nun an unabhängig vom Rest der Materie.
Photonen-Entkopplung
t < 380.000 Jahre:Photonen und Elektronen befinden sich im
thermischen Gleichgewicht.
t > 380.000 JahreDas Universum wird transparent.
Die freien Photonen desUrknalls machen sich heuteals Mikrowellenhintergrund
bemerkbar.
Ein Vergleich
Entkopplung = 1s
Heute:T = 1,9 K
N = 339 Neutrinos / cm3
Entkopplung 380.000 Jahre
Heute:T = 2,7 K
N = 400 Photonen / cm3
Derzeitige Grenze desbeobachtbaren Universums:
380.000 Jahre
Verschiebungder derzeitigen
Beobachtungsgrenzedurch primordiale
Neutrinos möglich?1s
Majorana-NeutrinosVielleicht ist das Neutrino sein eigenes Antiteilchen!Neutrinoanzahl (“Leptonzahl”) wäre nicht erhalten.
Ettore Majorana 1937
Majorana-Neutrinos
Ettore Majorana 1937
Vielleicht ist das Neutrino sein eigenes Antiteilchen!Dann muss der „neutrinolose doppelte Betazerfall”
messbar sein : Experiment GERDA
Teilchen und AntiteilchenTeilchen mit identischen Eigenschaften (z.B. Masse)
aber umgekehrte elektrische Ladung: z.B.:
Elektron (-) ↔ Positron (+) Proton (+) ↔ Antiproton (-)
Teilchen und AntiteilchenTeilchen mit identischen Eigenschaften (z.B. Masse)
aber umgekehrte elektrische Ladung: z.B.:
Elektron (-) ↔ Positron (+) Proton (+) ↔ Antiproton (-)
Teilchenanzahl - Antiteilchenanzahl =
konstant (Ladungserhaltung)
Teilchen und AntiteilchenTeilchen mit identischen Eigenschaften (z.B. Masse)
aber umgekehrte elektrische Ladung: z.B.:
Elektron (-) ↔ Positron (+) Proton (+) ↔ Antiproton (-)
Die Entstehung der MaterieKurz nach dem Urknall gab es (fast) gleichviel
Materie und Antimaterie10 000 000 002 10 000 000 000
Teilchen Antiteilchen
Teilchen
2
Die Entstehung der MaterieKurz nach dem Urknall gab es (fast) gleichviel
Materie und Antimaterie
Wenn Neutrinos Majoranateilchen sind, könnten sie dafür verantwortlich sein, dass es im frühen Universum zu einem kleinen Ungleichgewicht zwischen Teilchen und Antiteilchen kam.
Superschwere Neutrinos: zerfallen etwas öfter in Teilchen als in Antiteilchen.
Die Entstehung der Materie
...ein quantenmechanischer Effekt, der nur auftreten kann, wenn Neutrinos Masse haben.
Beobachtungen von Neutrinooszillationen liefern den Beweis, dass Neutrinos Masse
haben !Dies steht im
WIDERSPRUCH zum Standardmodell der Teilchenphysik, welches
das Neutrino als masselos vorhersagt !!
Neutrinooszillationen
o Gibt es Neutrino-Oszillationen wirklich ?o Sind die Messungen der Sonnen- und
Supernova-Neutrinos eigentlich vertrauenswürdig ?
o Hat das Neutrino denn nun wirklich eine eindeutige Masse ?
o Sind gefilterte Messdaten ohne Offenlegung der Rohdaten und Filtermechanismen überhaupt wissenschaftlich seriös ?
Aber…Vorsicht !
Erkenntnisgewinno Funktion der Sonneo Funktion des Erddynamoso Verständnis der Supernovaeo Einblick ins Zentrum der Galaxieo Verständnis der dunklen Materieo Verständnis des Urknallso Klärung des Materie-Antimaterie-Ungleichgewichtso Entdeckung des Ursprungs der kosmischen
Strahlungo Einblicke in die natürlichen Teilchenbeschleuniger
des Universums
Praxis: gute Ideen
Reaktorüberwachung durch Anzahl und Energie der Neutrinos
Tomografie der Erde
Wärmeerzeugung durch Zerfälle von Uran- und Thorium
Untersuchung des Erddynamos
SNEWS – Supernova Early Warning System
Neutrinokommunikation mit U-Booten
Neutrinoerdölsuche
Galaktische Neutrinokommunikation
Zeitsynchronisation über galaktische Distanzen
Praxis: Verrückt, aber theoretisch machbar
Danke für Ihre Aufmerksamkeit !
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