Aktuelle Experimente und Ergebnisse zur Neutrino-Oszillation

AKTUELLE EXPERIMENTE UND ERGEBNISSE ZUR NEUTRINO-OSZILLATIONFlorian SchneiderSeminar Astro- und Teilchenphysik

19. Januar 2009

INHALT

Historie der Neutrinophysik Theoretische Überlegungen zur Neutrino-

Oszillation im Vakuum Atmosphärische Neutrinos

Super Kamiokande Solare Neutrinos

Chlorexperiment von Ray DavisSuper KamiokandeSudbury Neutrino Observatory

Reaktor NeutrinosDouble Chooz

Aktuelle Experimente und Ergebnisse zur Neutrino-Oszillation Florian Schneider

ECKDATEN DER NEUTRINO PHYSIK

1930 Pauli Postuliert Neutrino

1956 Cowan & Reines Experimenteller nachweis von Elektronantineutrinos

1957/58 Wu, Goldhaber Pariätsverletzung, ν´s sind linkshändig

1962 Lederman, Schwarz, Steinberger

Nachweis μ-Neutrinos

seit 1970 Davis,… Defizit Solarer Neutrinos

1987 Kamiokande Nachweis von SN1987a Neutrinos

1998 Super-Kamiokande Nachweis Oszillation atmosphärischer ν

2000 Donut Nachweis τ-Neutrinos

2001,2002 SNO + Super-K, Gallex Nachweis Oszillation solarer Neutrinos

2002 KamLAND Bestätigung Oszillation solarer Neutrinos

2006 K2K, Minos Bestätigung Oszillation atmosphärischer ν


PAULI´S POSTULAT1914 β- Zerfall:

YAZ 1XAZ

Erwartetes Spektrum im Vergleich zum beobachteten


PAULI´S POSTULAT

1930 Pauli postuliert das Neutrino:

Neutrino ist neutral; hat Spin ½; ist sehr leicht oder gar masselos


PAULI´S POSTULAT

ν wird zusätzlich zu dem e- während dem β- Zerfall emittiert

XAZYAZ 1


EXPERIMENTELLER NEUTRINONACHWEIS


1956: Cowan und Reines

Antineutrinoquelle:Savannah River Reaktor (USA)

nepe

Versuchsanordnung:Wassertanks A,B befinden sich zwischen den Detektoren I,II,III

Signalverzögerung zwischen Neutron und Positron Abtrennen Untergrund

ee MevE 51,0

NEUTRINOS IM TEILCHENZOO12 Fermionen

6- linkshändige Dublets

9- rechtshändige Singulets


LeptonenL

e

e

L

L

QuarksLd

u

Lbt

Lsc

RRRRRRRRR btscdue ,,,,,,,, (keine in SM)R

NEUTRINO OSZILLATIONQuantenmechanik – Wellenbeschreibungfreie stabile Teilchen

Wahrscheinlichkeitsamplitude propagiert Wellenförmig in Raum-Zeit:Teilchen 1 habe zur Zeit am Ort die Amplitude am Ort


xptEietx 0,0,

E kp

2k

0,010t 0xLx

LptEietL 10,0, 11

NEUTRINO OSZILLATIONzwei Teilchen mit Massen , und gleicher Energie starten Phasengleich bei , in gleiche Richtung

Phasen am Ort


1m 2m0x 0t

Lx

LptEietL 10,0,1

10,0 ie

LptEietL 20,0,2

LppLptEie 2110,0

Lppii ee 2110,0

NEUTRINO OSZILLATIONfür


mE 22

221

221 mEmEpp

EmE

EmE

22

22

21

Emm

2

21

22

Em2

2

2

1 22 0,0,

mELii eetL

NEUTRINO OSZILLATIONAnnahme: 1) , werden in schw. Wechselwirkung erzeugt

2) , sind Mischungen von Masseneigenzuständen , mit den Massen ,

entsprechend:


e e

1 2 1m 2m

21 sincos e

21 cossin

sincos1 e

cossin2 e

NEUTRINO OSZILLATIONZur Zeit wird ein erzeugt. Propagation der Masseneigenzustände , . Nach Flugstrecke L haben beide einen Phasenunterschied .


0t e1 2

21222mm

ELii ee

e ?1

2

Quelle Propagation Nachweis

NEUTRINO OSZILLATIONWahrscheinlichkeitsamplitude, dass am Ort ein vorliegt:


Lx

LtA e 0

21 isec

cssescc ei

e

122 ie

i ecsesc

0

1 iecs

coscsins

NEUTRINO OSZILLATION


0

222222sin2sin

2sin2sin1

LLecstAW i

e

2220 5,24

eVmMeV

Em

mEL

Wahrscheinlichkeit, dass am Ort ein vorliegt.Lx

0

22 sin2sinLL

Einführung einer Oszillationslänge 0L

NEUTRINO OSZILLATIONVakuum Oszillation für 2 Neutrinoflavours:


NEUTRINO OSZILLATIONJetzt 3 Neutrinosorten:


ee

3

1

2

Quelle Propagation Nachweis

3

2

1

Ue

UU 1

i

iiU 3,2,1i ,,e

*

iii UU

NEUTRINO OSZILLATION


10000

0010

0

00

001

1212

1212

1313

1313

2323

2323 cssc

ces

esc

csscU

i

i

Mit und , , ijijs sin ijijc cos 2,1i 3,2j

3 Masseparameter3 Mischungswinkel1 Dirac-Phase

223

2121 ,, mmm

231312 ,,

NEUTRINO OSZILLATIONAmplitude für Übergang nach Strecke L:


LA 0

LU ii

i 0

i

iii

ieUU *

NEUTRINO OSZILLATIONWahrscheinlichkeit, dass ein in ein übergeht:


i ij

ijijiii

ijeUUUUUU **2* Re2

2*

i

iii

ieUU

2

AW

Mittelwert Oszillationsterm

NEUTRINO OSZILLATIONATMOSPHÄRISCHER NEUTRINOSErster Beweis


Wechselwirkung kosmischer Strahlung in der äußeren Atmosphäre

SUPER KAMIOKANDEATMOSPHÄRISCHE NEUTRINOS


50000t Wasser Cherenkov Detektor

Höhe: 40m

Ø: 40m

11146 Photomultiplier

Kamioka-Mine, Japan

1000m unter der Erde

SUPER KAMIOKANDE


n1cos 42

Cherenkov Kegel:•Energie•Richtung•e/µ-Unterscheidung

SUPER KAMIOKANDE


Observable:

MonteCarloe

Datene

NN

NN

R

08,005,065,0 R

gemessen:

- Defizit

SUPER KAMIOKANDE


µ: scharfer Ring e: unscharfen Ring(vielfach Streuung, Em Schauer)

SUPER KAMIOKANDE


Energie-abhängiger Defizit „aufsteigen-der“ µ-Neutrinos

NEUTRINO OSZILLATIONSOLARE NEUTRINOS


eeHep 224 4 )7,26( MeV

NEUTRINO OSZILLATIONSOLARE NEUTRINOS


CHLOREXPERIMENT VON RAY DAVISSOLARE NEUTRINOS


Exposition von 380 m3 flüssigem Perchlorethylen (C2Cl4) in der Homestake-Mine (USA)

eArCle3737 MeVEs 814,0

sensitiv ab 7Be-Neutrinos

Messzeit: 1970-1994: 108 ZyklenResultat: Neutrinoereignisse pro Tag

042,0482,0

SNUR 22,056,2ˆ

SNURSSM 0,30,8

Aus Sonnenmodell erwartet

SUPER KAMIOKANDESOLARE NEUTRINOS

Solare Neutrinos:


kommen von der Sonnee

06,003,049,0exp SSMRR

ee ee

SUDBURY NEUTRINO OBSERVATORY SNOSOLARE NEUTRINOS


Creighton Mine 2000 m unter der ErdeSudbury, Ontario, Canada

1000t D2O

9500 Photomultiplier

Acryl Behälter Ø 12m

Innerer Schirm, 1700t H2O

Äußerer Schirm,5300t H2O

Verifiziert durch Salt Phase

SUDBURY NEUTRINO OBSERVATORY SNONachweis solarer 8B-Neutrinos

Folgend in Einheiten 106 cm-2s-1:


eppde

xx npd ee xx

(CC)

(NC)

(ES)

81,001,105,5

SSM

09,009,0

05,006,076,1

CC

12,012,0

23,024,039,2

ES

43,046,0

43,044,009,5

NC

ee

eCC

154,0eES

eNC

09,009,0

05,006,076,1

e

SSMe

43,046,0

43,044,009,5

45,048,0

45,045,041,3

DOUBLE CHOOZREAKTORNEUTRINOS


Reaktor disappearance Experiment:•3 flavour Neutrino Oszillation•Suche nach θ13

Chooz:

Double Chooz:

e

2,02sin 132

03,002,02sin 132

ERGEBNISSE DER EXPERIMENTE


Atmosphärische Neutrinos:(SK,…)

Beschleuniger Neutrinos:(K2K, MINOS)

Solare Neutrinos:(Homestake, Gallex, Sage, SK, SNO)

Reaktor Neutrinos:(KamLAND, CHOOZ,…)

-Oszillation

3

2

1

Ue

03,004,012

2 86,02sin

254,03,0

212 100,8 eVm

92,02sin 232

23223 100,39,1 eVm

19,02sin 132

0jm

QUELLENBerger, Elementarteilchenphysik, Springer

Simonyi, Kulturgeschichte der Physik

http://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/sk/index-e.html

http://www.sno.phy.queensu.ca/

http://doublechooz.in2p3.fr/

Physikal Review D 74, 032002 (2006)

arXiv:nucl-ex/0309004 v1 6 Sep 2003

arXiv:hep-ex/0606025 v4 30 Oct 2006

http://www.astroteilchenschule.physik.uni-erlangen.de/schule2007/index.htmlhttp://pdg.lbl.gov/


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