3. Vorlesung Neutrino-Physik17. 12. 2003

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

WiederholungVorlesung 10.12.2003

Wdh.: Neutrino-Oszillationen

Wdh: Atmosphärische Neutrinos bei Super-Kamiokande

NEW!!!

Wdh.: Sonnen-Neutrino-Spektrum

Log. Skala!

Wdh: Solar Neutrino Problem

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

• 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

Wdh.: Ausschließungs – Plots

]eV[mMeV][48.2m][ 22∆

⋅= νELvac

osz

Vorlesung 17.12.2003

- SNO-Ergebnisse- MSW-Effekt- KAMLAND-Ergebnisse- Ausblick

Sudbury Neutrino Observatory (SNO)

1000t schweres Wasser D2O

Sudbury Neutrino Observatory (SNO)

Neutrino - Reaktionen in SNO

Charged Current(CC)

Neutral Current (NC)

Electron Scattering (ES)

NC

ES- Niedrige Statistik - I.w. möglich mit νe, aber auch νµ, ντ : ε = (νµ+ντ)/νe = 15.4%- Sehr starke Richtungs-Abhängigkeit von Sonne

- Gute Bestimmung des Energie-Spektrums- Nur Elektron - Neutrinos- Keine Richtungsabhängigkeit von der Sonne

- Alle 3 Neutrino-Sorten gleich wahrscheinlich- Sensitiv für totalen 8B - Neutrino-Fluss

CCNeutrino - Reaktionen in SNO

−++→+ eppdeν

XX npd νν ++→+

−− +→+ ee XX νν

−− +→+

+→+

eeHdnγγ

γ3

Energie

Richtung

Radius

Messgrößen bei SNO

Aufgrund unterschiedlichen Ver=haltens der drei möglichen Wwen(CC, NC, ES) für diese Messgrößenist eine Separierung möglich!

des Čerenkov-Lichts.

CC 1967.7 +61.9+60.9

+26.4+25.6ES 263.6+49.5+48.9NC 576.5#E

VE

NT

S

5 6 7 8 9 10 11 12 13

Eve

nts

per

500

keV

0

100

200

300

400

500

600

20→

NC + bkgdneutrons

ES

CC

Bkgd

(c)

(MeV)effT

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

Eve

nts

per

0.1

wid

e bi

n

0

100

200

300

400

500

CCNC + bkgd neutrons

ES

Bkgd

Fidu

cial

Vol

ume

(b)

3

)AV(R/R-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 -0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Eve

nts

per

0.05

wid

e bi

n

0

20

40

60

80

100

120

140

160

sunθcos

ESCC

NC + bkgd neutrons

Bkgd

(a)

Ergebnisse (SNO)Anpassung der CC- NC- undES - Flüsse an gem. Spektren

306.4 Tage!

Ergebnisse (SNO)Flüsse Φ in Einheiten 106 /cm2 / sec

Ergebnisse (SNO)Flüsse Φ in Einheiten 106 /cm2 / sec

Φ (νe) = 1.76 ± 0.10 Φ (νµ τ) = 3.41 ± 0.65ΦSNO (tot) = 5.17 ± 0.66S

N O

ΦSSM (tot) = 5.05 +1.01-0.81

Übereinstimmung !

• SNO - Ergebnis zeigt zum ersten mal, dass der Neutrino - Fluss von der Sonne nicht nur aus Elektron-Neutrinos besteht

• gemessener SNO - Gesamtfluss aller Neutrino-Flavors ist im Einklang mit dem SSM

• Einzige Erklärung: Elektron - Neutrinos oszillieren in Myon- / Tau - Neutrinos

0 1 2 3 4 5 60

1

2

3

4

5

6

7

8

)-1 s-2 cm6

(10eφ

)-1

s-2

cm

6 (

10τµφ SNO

NCφSSMNCφ

SNOCCφSNO

ESφ

Ergebnisse (SNO)ΦSNO (tot) = ( 5.17 ± 0.66 ) 106 / cm2 / secΦSSM (tot) = ( 5.05 ) 106 / cm2 / sec+1.01

-0.81

Sonnen -Neutrino - Problem gelöst !

Nur SNO - Daten Alle Experimente

log(tan θ)

log(

∆m /

eV )

2

2

2

90% CL

95% CL

99% CL

99.73% CL

LMA

LOW

VAC

SMA

(a)

-12

-11

-10

-9

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-4 -3 -2 -1 0 1log(tan θ)

log(

∆m /

eV )

2

2

2

90% CL

95% CL

99% CL

99.73% CL

LMA

LOW

(b)

-12

-11

-10

-9

-8

-7

-6

-5

-4

-4 -3 -2 -1 0 1

Zusammenfassung Sonnen - Neutrinos

∆m2 = 5·10-5 eV2

tan2Θ = 0.34 (Θ=0.30° ) LMA - Lösung

Der Mikheyev-Smirnov-Wolfenstein- (MSW) Effekt

• LMA-Lösung unter Annahme des sog. MSW-Effektes = resonanzartige Oszillation in Materie (z.B. im Innern der Sonne / Erde)

• Kann erklärt werden durch Nichtvorhandensein von Myonen, Taus in normalerMaterie und der unterschiedlichen WW von νe und νµ,τ mit Elektronen

dieser Term existiert nur für νe !

• Mischungsmatrix für Zeitentwicklung, die diesen Effekt mit einbezieht :

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

⎟⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜⎜

⎝

⎛

−Θ∆

Θ∆

Θ∆

+Θ∆

−=⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∂∂

τµτµ νν

νν

,2

22

222

, 22cos2

sin2

sin2

22cos2

21 e

eF

eFe

nGEm

Em

EmnG

Em

ti

GF: Fermikonst. 1.2·10-5GeV2

ne: Elektronendichte

Der MSW - Effekt

• Im Vakuum ne=0, dann Zeitentwicklung der normalen Mischungsmatrix

• Resonanz-Effekt für Oszillation falls

weil dann die Diagonalelemente (νe → νe) der Matrix ≈ 0 und somit nurnoch Übergänge der Art νe → νµ,τ möglich sind

• Resonanzeffekt sehr unwahrscheinlich, falls konstante Dichteverteilung(sog. fine tuning)

• Sonnenneutrinos werden im Kern der Sonne erzeugt und durchlaufen eine variierende Dichteverteilung⇒ an gew. Stelle wird Resonanzbedingung erfüllt (falls adiabatische

Dichteänderung)

• Sonnenneutrino-Daten, insb. LMA-Lösung kommen ohne MSW-Effektnicht aus!

eF nGEm 22cos

2

2

≈Θ∆

KAMLAND (Japan)

Reaktor:νe

Ev≈1÷10MeV

Verschwinden von νe?

Distanz der Reaktoren<L>

1000t Flüssig-Szintillator

Disappearance von Reaktor-Neutrinos

KAMLANDTest der LMA-Hypothese, die von solaren Neutrinos stammt

<E> ≈ 5 MeV∆m2 (LMA) ≈ 5·10-5 eV2

⇒Base Line <L> ≈ 150km

Detektor in dieser Ent=fernung von Reaktoren⇒ Japan ideal!

]eV[mMeV][48.2m][ 22∆

⋅= νELvac

osz

KAMLAND - Reaktoren

insges. 51 Reaktoren

KAMLAND-Messprinzip

Nachweis in Kamland:

epen ν−→

nepe+→ν

γdnp → verzögert2.2 MeV

PromptSzintillation plus AnnihilationE(ν)-0.77MeV

Erzeugung im Reaktor:

ca.200µs

fast ident. Spektrum,aber feste Zeitdifferenz ident. Neutrino-Event!

KAMLAND-Ergebnis (1)

Phys. Rev. Lett. 90 (2003) 021802

KAMLAND-Ergebnis (2)

- Alte Experimente nicht sensitiv für LMA-Oszillationen- KAMLAND in guter Übereinstimmung mit LMA!

Zusammenfassung NeutrinosZusammenfassung Neutrinos

• Neutrino – Oszillationen eindeutig bestätigt !

• Neutrinos besitzen folglich eine Masse ungleich Null !

• Atmosphärische Neutrinos: νµ → ντ

• Sonnen-Neutrino-Problem nach 30 Jahren gelöst: νe → νµ,τ

• Reaktor-Neutrino-Disappearance: νe → νµ,τ

Blick zur Sonne mit Neutrino-Strahlung

1999

2001

2003

Offene Fragen (u.a.)

⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜

⎝

⎛

⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜

⎝

⎛−

⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜

⎝

⎛

−⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜

⎝

⎛

−=

⎟⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜⎜

⎝

⎛ −

3

2

1

1212

1212

1313

1313

2323

2323

10000

0010

0

00

001

ννν

ννν

δ

δ

τ

µ cssc

ces

esc

cssc

i

ie

• Exakte Bestimmung der Matrixelemente, v.a. unbekannte s13 und δ

θatmθsolar?

Atmosphärische ν‘s Sonnen ν‘s

• Suche nach CP-Verletzung im Neutrinosektor )()( µµ νννν →≠→ ee PP

• Absolutes Neutrino-Massenspektrum, Oszillationen geben nurAufschluß über Massendifferenzen – Welches Massenschema?

• Suche nach möglichen neuen Neutrinosorten: sterile Neutrinos

Weitere laufende und geplante Experimente

(u.a.)

MiniBoone

!ee KEINEe νννµ

νµπ

µ

µ

++

++

→

→

LSND hat Überschuss von 32.2 ±9.4 νe - Ereignissen gesehen

• KARMEN – Experiment (FZK!) kann einen großen Teil des erlaubten LSND-Parameterraums (∆m2, sin22Θ) ausschließen!

• Am FNAL-Booster (p auf Be-Target), sog. Short Base Line ExperimentL = ca. 450 m

• Bestätigung / Widerlegung des LSND-Signals für Neutrino-Oszillation νµ → νe

MiniBoone (2)

• Erlaubte Gebiete für (∆m2, sin22Θ)⇒ großer Wert für ∆m12

2 > 10-1 eV2

• Atm. Neutrinos: ∆matm2 ≈ 2.5·10-3 eV2

Sonnen Neutrinos: ∆msolar2 ≈ 7.5·10-5 eV2

LSND in Widerspruch mit diesen Werten,da für 3 Neutrino-Flavors nur 2 unabhängigeWerte für ∆m2 möglich sind!

∆m12

∆m2332

1

• Interpretation: Oszillation bei Vorhandensein eines 4. Neutrinos,das als steril (d.h. in der schwachen WW nicht beobachtbar) angesehen wird

• Oder: Messfehler !Aufklärung 2005. Dann erste Ergebnisse von MiniBoone

∆m13

Long Baseline Experimente

• Bis auf LSND war Suche nach Oszillationen an Beschleunigern bisher nicht erfolgreich

• Oszillationslänge L ∝ 1/∆m2 , d.h. großes L entspricht kleinem ∆m2

• Suche nach νµ → ντ – Appearance, d.h. eindeutiger Nachweis der Tau-Neutrinos

Weltweit 3 Projekte, K2K bereits in Betrieb!

>1·10-37305

1.5

GranSasso(ICARUS)(OPERA)

≈ 17CERN(2006)

>2·10-373050

Soudan2(MINOS)

≈ 11FNAL(2004)

>2·10-325050

Super-K(K2K)

≈ 1.4KEK(1999)

νµ-Quelle Εν [GeV] Detektor Masse[kt] L[km] ∆m2[eV2]

Long Baseline Experiment (K2K)

Ergebnis (06/1999 – 07/2001):

56 Ereignisse gemessen80.1 erwartet

⇒ Hinweis für νµ – Disappearanceanalog atmosph. NeutrinosParameter in guter Übereinstimmung

+6.1-5.4