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12.01.2004 Atmosphärische Neutrinos 1 Atmosphärische Neutrinos Vortragender: C.Oracz Betreuer: O. Pooth

Atmosphärische Neutrinos

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Atmosphärische Neutrinos. Vortragender: C.Oracz Betreuer: O. Pooth. Übersicht. Neutrinos allgemein Neutrinos aus der Atmosphäre Identitätskrise (Oszillation) Detektion von Neutrinos ( SuperKamiokande ) Experimente /Ergebnisse Zukünftige Experimente (MINOS). Neutrinos allgemein. - PowerPoint PPT Presentation

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Page 1: Atmosphärische Neutrinos

12.01.2004 Atmosphärische Neutrinos 1

Atmosphärische Neutrinos

Vortragender: C.Oracz

Betreuer: O. Pooth

Page 2: Atmosphärische Neutrinos

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Übersicht

• Neutrinos allgemein

• Neutrinos aus der Atmosphäre

• Identitätskrise (Oszillation)

• Detektion von Neutrinos (SuperKamiokande)

• Experimente /Ergebnisse

• Zukünftige Experimente (MINOS)

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Neutrinos allgemein1930 postuliert Pauli ein neues Teilchen: NEUTRINO

(zuerst Neutron genannt, später umgetauft) es ist neutral, sehr leicht bzw. massenlos

Neutrino wurde nötig, um Energieerhaltung beim ß-Zerfall aufrechtzuerhalten.

E M c² - M c²auch die quantenmechanische Spinbetrachtung beim ß-Zerfall verlangte ein weiteres Teilchen

n p + e + v

atom1 atom2z

_e

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Atmosphärische Neutrinos

…entstehen durch kosmische Strahlung in der Erdatmosphäre

p + N K , , …

Folgereaktionen:

µ + v (v )

K µ + v (v )

µ e + v (v ) + v (v )

Luftschauer (atmosphärische Kaskade)

Kosmische Strahlung:~99% Hadronen~ 1% Elektronen~0,1% Photonen

±±

±

±

±

±

± ±

µ

µ

µ

µ

µ µe e

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Atmosphärische Kaskade

Auf der Erde kommen Elektronen, Positronen, Photonen, atmosphärische Myonen sowie die für uns interessanten atmosphärischeNeutrinos an.

Typische v- Energie: 1 GeV

P, He

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Man misst:µ (V + V ) µ-like

Bei niedrigen Energien (alle µ zerfallen) ergibtsich ein Verhältnis von 2:1

Bei höheren Energien (nicht alle µ zerfallen)steigt der Wert auf über 2

Atmosphärische µ im Detektor als Untergrund

e (V + V ) e-like= =

e e

µ µ

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Genauere Vorhersagen der V-, V- Flüsse aus Monte Carlo Simulationen der Luftschauer (Input: µ-Flüsse)

Energiespektrum der v-Flüsse: 10 - 10 GeV

µe

-1 3

MC-berechnetes (v +v )Flusspektrum MC-berechnetes Ratio (v + v )/(v +v ) vs Eµ µ µ µ e e v

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In höheren

Bereichen

deutlichere

Unterschiede

zwischen

horizontalen/

vertikalen-

Einfall.

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Man betrachtet das Verhältnis DATA/MC des µ/e-Verhältnisses

(µ/e) DATA

(µ/e) MC

R = 1 für eine „perfekte“ Vorhersage

Neueste Ergebnisse für R (SuperKamiokande):

R = 0,638 ± 0,052 Sub-GeV Ev < 1,33 GeV

R = 0.658 ± 0,084 Multi-GeV Ev > 1,33 GeV

R<1 wird als „atmosphärische Neutrinoanomalie“ bezeichnet

V - Defizit oder V – Überschuss?

R =

µ e

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Neutrino-OszillationÜbergang V V (Flavor-Übergang)

Erzeugung Nachweis

Ist ein quantenmechanischer Effekt

Das klappt nur, wenn:

- nicht alle Neutrinos massenlos sind (m²)

- Leptonflavorzahlen nicht streng erhalten sind

Nicht mit dem bisherigen Standard-Modell vereinbar

a b

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Allgemeiner Fall: Oszillation im Vakuum

Zwei orthonormierte Systeme von v-Zuständen

Flavor-Eigenzustände

Massen-Eigenzustände

Zustände der beiden System i.A. verknüpft durch unitäre Transformation (unitäre n x n Mischungsmatrix U)

mit UU = U U= 1+ +

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12.01.2004 Atmosphärische Neutrinos 12

Zahl der Parameter:

U hat (n-1)² unabhängige Parameter, nämlich:

n(n-1) / 2 Mischungswinkel

(n-1) (n-2) / 2 CP- verletzende Phasenn=2: 1 Mischungswinkel, keine Phase

n=3: 3 Mischungswinkel, 1 Phase

Einfachster Fall: n = 2

(V ,V ) (V ,V ) mit m² = m² - m²11 22µe

Mischungswinkel

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Übergangswahrscheinlichkeit:Flavoränderung V V (appearance of V )

Überleben von V(non-disappearance of V )

L/E-Abhängigkeit von P (V V ) und P (V V )für sin² 2 = 0.4

a

a

a

b

b

baa a

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Superkamiokande

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Messung in Superkamiokande

Cherenkov-Licht-Detektormit 50 000 t Wasser und13000 Photomultipliern ineiner Zinkmine in denJapanischen Alpen in1000m Tiefe. 40m x 42m großSeit 1.4.96 im Betrieb,12.11.2001 Störung, Betriebwieder aufgenommen am06.12.2002 (mit halber Kraft)

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Neutrino-Nachweis:

CC v + p l + X v + n l + X

l=Leptonen(eES v + e v + e v + e v + e

l l l l

l+

l

_ _ _ _

_

Messprinzip: das einfallende Neutrino wechselwirkt mit dem Tankinhalt und erzeugt je nach Flavor bei der Kollision e oder µ. Diese werden dann dank des Cherenkov-Effektes detektiert.

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Cherenkov-ZählerEin geladenes Teilchen emittiert beim durchqueren eines

Mediums mit einer Geschwindigkeit > c/n eine

charakteristische elektromagnetische Strahlung.

Grund für die Strahlung: Polarisation der Atome entlang der Bahn.

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12.01.2004 Atmosphärische Neutrinos 18

Der Winkel zwischen der emittierten Cherenkov-Photonen und der Bahn des geladenen Teilchens beläuft sich auf:

tc/n 1 c tßc nß v

(n Brechungsindex, ß = v/c)

Aus dem Winkel kann man auch noch die Energie desTeilchens ableiten

(ähnliches Prinzip beim Mach-Kegel beim Schall)

cos = = = n

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Das Cherenkov-Licht macht gute Unterscheidung zwischen

myonenartigen und elektronenartigen Ereignis möglich.

e : elektromagnetischer Schauer: diffuser C-Ring

µ : weitaus weniger Wechselwirkung: scharfer C-Ring

e-Event µ-Event

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Cherenkov-Ringe

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PhotomultiplierIn einen Photomultiplier wird ein sehr schwachesEingangssignal stark verstärkt und messbar gemacht.

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Als erstes kommt eine Photokathode zum Einsatz, die durch denPhotoeffekt Photonen in Elektronen umwandelt. Jede dahinterbefindlich Dynode beschleunigt die erzeugten Elektronen bis zurnächsten und fügt durch Sekundäremission ein Vielfaches anElektronen hinzu. Im Normalfall ergibt sich eine Signalverstärk-ung der Größenordnung von 10 – 10 Signal gut messbar!4 7

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Vier interessante EreignistypenEreignis von oben, ganz enthalten ~1 GeV

Ereignis von oben, teils enthalten ~10 GeV

Ereignis(µ)von unten, ganz enthalten~10 GeV

Ereignis(µ)von unten, teils enthalten~100 GeV

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Einfluss des Zenitwinkels

Aufschluss darüber liefert die Untersuchung, wie das R vondem Zenitwinkel abhängt. ( ist der Winkel zwischender Flugrichtung des Neutrinos und der Vertikalen)

= 0°, von oben kommend: L = 15 km

= 180°, von unten kommend:L = 13000 km

L = 15 km ~ 13000 km Ausreichend großer Bereich um Oszillation zu untersuchen

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e-like Events

V Fluß stimmt mit der Monte Carlo Simulation überein

Kein Überschuss an Ve

e

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µ-like Events

V Fluss zeigt Defizit, für Multi-GeV bei >90° ganz deutlich

µ-Neutrinos verschwinden, e-Neutrinos bleiben gleich

Oszillation V V

Es gibt Oszillation Massendifferenz der Neutrinos!µ

µ

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Myonen „von unten kommend“

Fits für Oszillation führen zu diversen m²-Werten

gestoppte Myonendurchgehende Myonen

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Verhältnis DATA/MC als Funktion von L/E

Klares, längenabhängiges

Defizit von Myonenneutrinos

v

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Ergebnis der Oszillationsanalyse

Für v v in der sin²2;m² -Ebene

erlaubtes Gebiet (68%,90%,99%CL)

Bester fit: m² = 3,2 * 10 eV²; sin²2=1

L = 775 km E /GeV

-3

osz v

µ

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Tau-Ereignisse

Durch V V Übergänge entstehende V können

CC – Reaktionen machen

v + n + X

Aber Energieschwelle sehr hoch E = 3,46 GeV

Tau-Ereignisse sind sehr schwer zu identifizieren,

da Tau „sofort“ zerfällt

Tau- Auswahlkriterien:- multi-GeV, multi-Ring-Ereignisse- Energiereichster Ring ist e-artig ( e

µ

_

s

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Tau-Ereignis, Maximum Likelihood-Analyse

Ergebnisse der Analyse (v 2002):- gemessen: 506 -Ereignisse- erwartet: 37 CCv

+ 461 BG-Ereignisse(43.1% CCv 24,5%CCv 32,4% NC)

Es wurde eine erhöhte Anzahl-

bei großen gemessen

Konsistent mit v v

Zenitwinkel-Verteilung

e µ

z

µ

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Zukünftige Experimente

Anhand von LongBaseLine-Experimenten will man kleinere m² eingrenzen

m² = E/GeV * km/L eV²

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MINOS - Main Injektion Neutrino Oszillation Search

Sucht Vµ Vx „Disappearance“

Ferner Detektor: tracking-Kalorimeter aus Stahl,

Szintillator mit toroidalem Magnetfeld

Naher Detektor, wie fern, nur kleiner

Im Prinzip misst man das

Vorhandensein der Neutrinos

am Entstehungsort und 735km

weiter. Man erwartet 9000

Mess-Ereignisse im Jahr.

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„Lageplan“ MINOS

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Zusammenfassung

Erkenntnisse belegen die Oszillation der

atmospärischen Neutrinos; Neutrinos haben Masse!Hinweis auf Physik jenseits des

Standardmodells

Mit kontrollierteren Neutrinostrahlen will man weitere Erkenntnisse sammeln

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Anhang - Zusatzbilder

Atmosphärische Kaskade Zerstörte Photomultiplier im Superkamiokande

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Superkamiokande