2. Vorlesung Neutrino-Physik10. 12. 2003

Dr. Achim Denigachim.denig@iekp.fzk.de

3. Neutrino-Oszillation⇒ s. Aufschrieb

Übung:

Ein in der Atmosphäre erzeuges positives Pion zerfalle in ein Myon plus Myon-Neutrino (Eν = 1GeV).

a) Wie groß ist die Wahrscheinlichkeit, ein Elektron-Neutrino zudetektieren, wenn νe = νµ = 0.1eV2 . Interpretieren Sie diesesErgebnis physikalisch.

b) Die Massendifferenz sei nun ungleich Null.Wie groß ist die Oszillationslänge wenn νe = 0.173eV undνµ = 0.2eV .

Hinweis: fmMeVc ⋅= 197h

Ausschließungs – Plots

• Annahme: n=2 νe, νµ ↔ ν1, ν2

• 2 unbekannte Parameter: ∆m2 = m1

2 – m22 und sin2(2Θ)

• Oszillationswahrscheinlichkeit:

P(νe → νµ ) = sin22Θ · sin2( )

• KARMEN – Experiment (L = ca. 20m,E < 60MeV) am Rutherford-Lab sieht keinen Hinweis für Oszillationen

⇒ Θ klein⇒ ∆m2 klein

1.27 ∆m2 LE

und/oder

4. Atmosphärische Neutrinos

Nobelpreis 2002Masatoshi Koshiba

),(,

µν

ν

elnlppln

=→

→+

−

⇒ Čerenkov-Licht

Elektron - Myon - Separation

Elektronen werden mehr gestreut als Myonen ⇒ “verschmiertere” Ringe

• Richtungs-Information für hochenergetische Neutrinos: erzeugtes Lepton ist parallel zu Neutrino

• Energie-Information aus Anzahl/Spektrum der erzeugten Čerenkov- Photonen

βnC /1cos =Θ

∆m2 = 3.2·10-3 eV2

sin22Θ = 1.0 (Θ=180° )

∆m2)

4. Sonnen - Neutrinos

• Vorgänge im Sonneninnern (T=16MK) beschrieben durch Standard-Sonnenmodell (SSM, Bahcall et.al.)s. auch http://www.sns.ias.edu/~jnb

• Sonne gewinnt Energie aus thermonuklearer Fusion von Wasserstoff

• Komplizierter Prozess 2 Ketten: pp- , pep- und CNO-Zyklen

1) pp dominiert und relativ gut bekannt (Präzision ca. 1 … 20%)!

2) CNO theoretisch weniger genau bekannt (Absolutbeitrag< ca. 7%)

)7.26(224 4 onAnnihilatieenachEnergieMeVeHep e −+++→ −++ ν

Standard-Sonnenmodell (SSM)

pp - Zyklus pep - Zyklus

Netto: 4p → α 2e+2νe

Sonnen-Neutrino-Spektrum

Log. Skala!

CNC - Zyklus

“hep” - Reaktion

Pionier Raymond Davis Jr., Homestake Experiment

Nobelpreis 2002

Ergebnis:Rexp = 0.34 × SSM

−+→+ ee3737 ArClν

Eν > 814 keV⇒ niederenergetischer Teil des Spektrums wird nicht gemessen, aber v.a. 8B und 7Be-Neutrinos

Radiochemische Methode:Chemische Extraktion der erzeugten Argon-Nuklide und Nachweis über deren radioakt. Zerfall

Seit ≈ 1968615t Chlor-Ethylen-Tank C2Cl4

?!

Solar Neutrino Problem !!

Solar Neutrino Problem• Einheit: 1SNU = 1 Solar Neutrino Unit= 1 Reaktion / 1036 Atome / sec

• Verschiedene Experimente schauennach Neutrinos aus verschiedenen Energiereichen

• Alle Experimente finden Defizit, allerdings unterschiedlicher Größe

Frage:SSM falsch oder verschwindendie Neutrinos auf ihrem Weg von der Sonne zur Erde?

MethodeSSM Erwartung

Super – Kamiokande (s. zuvor!)

• Beobachte Čerenkov-Licht von νe e → νe e - Streuung• Signal sichtbar für Ee ≈ Eν ≈ 5MeV ⇒ 8B - Neutrinos• Anhäufung von Sonnen - Neutrinos bei Θsonne ≈ 0°• 1496 Tage Beobachtungszeit ⇒ ≈ 22 400 Ereignisse im Peak ⇒ ca. 46% des erwarteten SSM - Flusses

hep-Neutrinos!

1996 - 2001

Super – Kamiokande• Suche nach einer Abhängigkeit des Neutrino-Flusses von der Jahreszeit• gefundene Abhängigkeit stimmt gut mit der Fluss-Variation mit der Exzentrität der Erde zur Sonne überein ⇒ keine erhöhte Oszillation aufgrund unterschiedl. Sommer-Winter-Distanz

Super – Kamiokande• Suche nach einem Abhängigkeit des Neutrino-Flusses von der Tageszeit• kein Tag- Nacht- Effekt gefungen ⇒ keine erhöhte Oszillation aufgrund unterschiedl. Fluglänge durch Erde (MSW - Effekt)

2001: Unfall (Implosion Kettenreaktion)ca. 50% der Photomultiplier zerstört!