Sonne und NeutrinosSonne und Neutrinos

Sebastian DeppendorfSebastian Deppendorf

Universität BielefeldUniversität Bielefeld

25.06.200825.06.2008

ÜberblickÜberblick

„„Erfindung“ des NeutrinosErfindung“ des Neutrinos Arten und Eigenschaften (Masse?)Arten und Eigenschaften (Masse?) Projekte zur MessungProjekte zur Messung Zusammenhang mit der AstrophysikZusammenhang mit der Astrophysik

„„Erfindung“ des NeutrinosErfindung“ des Neutrinos

„„Liebe Radioaktive Damen Liebe Radioaktive Damen und Herren,...“und Herren,...“

Wolfgang Pauli, 4.12.1930

Gründe für die EinführungGründe für die Einführung

Der βˉ -Zerfall als Zwei-Körper-Problem:

B (A, Z) → C (A, Z + 1) + eˉ

Erwartete Energie des Elektrons:

Erwartet: Jedes Elektron hat die gleiche Energie !

Erhalten durch Messung:

Kontinuierliches Energiespektrum der Elektronenenergie

Emax = mB - mC

ein weiteres Problem: Spin!ein weiteres Problem: Spin!- Kerne mit geradem A: ganzzahliger SpinKerne mit geradem A: ganzzahliger Spin- Kerne mit ungeradem A: halbzahliger SpinKerne mit ungeradem A: halbzahliger Spin- Elektron: halbzahliger SpinElektron: halbzahliger Spin

→ → Aus ganzzahligen müsste halbzahliger Kernspin werden Aus ganzzahligen müsste halbzahliger Kernspin werden (und umgekehrt)(und umgekehrt)

Dies ist nicht der Fall!Dies ist nicht der Fall!

Zusätzliches Teilchen zur Rettung von Energie- Zusätzliches Teilchen zur Rettung von Energie- und Drehimpulserhaltung !und Drehimpulserhaltung !

Pauli über das Teilchen:Pauli über das Teilchen: Elektrisch neutralElektrisch neutral Schwache WechselwirkungSchwache Wechselwirkung Vielleicht keine Masse?Vielleicht keine Masse?

Nannte es NeutronNannte es Neutron

- 1932 Entdeckung des echten Neutrons durch Chadwick1932 Entdeckung des echten Neutrons durch Chadwick- Umbenennung von Pauli‘s „Geisterteilchen“ in Umbenennung von Pauli‘s „Geisterteilchen“ in NeutrinoNeutrino

durch Enrico Fermidurch Enrico Fermi- Weiterhin keine Spur vom Neutrino...Weiterhin keine Spur vom Neutrino...

1956 Entdeckung des Neutrinos durch Clyde L. Cowan und 1956 Entdeckung des Neutrinos durch Clyde L. Cowan und Frederick Reines (NP 1995):Frederick Reines (NP 1995):

- Kern-Reaktoren als starke NeutrinoquelleKern-Reaktoren als starke Neutrinoquelle- Spaltprodukte dort sind Spaltprodukte dort sind βˉβˉ-Strahler -Strahler

(Neutronenüberschuss)(Neutronenüberschuss)- Messung durch „inversen Messung durch „inversen ββ-Zerfall“-Zerfall“

- Energie der Neutrinos: einige MeVEnergie der Neutrinos: einige MeV

1956 Entdeckung des Neutrinos durch Clyde L. Cowan und 1956 Entdeckung des Neutrinos durch Clyde L. Cowan und Frederick Reines (NP 1995):Frederick Reines (NP 1995):

- Kern-Reaktoren als starke NeutrinoquelleKern-Reaktoren als starke Neutrinoquelle- Spaltprodukte dort sind Spaltprodukte dort sind βˉβˉ-Strahler -Strahler

(Neutronenüberschuss)(Neutronenüberschuss)- Messung durch „inversen Messung durch „inversen ββ-Zerfall“-Zerfall“

- Energie der Neutrinos: einige MeVEnergie der Neutrinos: einige MeV

H2O + Cd

511 keV

511 keV

Szintillator

- Anfliegendes Antineutrino trifft auf Proton- e+e- → γ γ mit Eγ = 0,511 MeV- Neutron trifft auf Cd-Kern → γ – Emission

Signatur für eine Reaktion: 2 γ - Signale

Neutrino - ArtenNeutrino - Arten

3 Leptonen – Generationen:3 Leptonen – Generationen:

- 1. Generation1. Generation- Elektron e und Elektron-Neutrino Elektron e und Elektron-Neutrino ννee

- 2. Generation2. Generation- MyonMyon μμ und Myon-Neutrinound Myon-Neutrino ννμμ

- 3. Generation3. Generation- TauonTauon ττ und Tauon-Neutrinound Tauon-Neutrino ννττ

- Jeweils AntineutrinoJeweils Antineutrino

EigenschaftenEigenschaften

- Zuerst masselos angenommenZuerst masselos angenommen- Mittlerweile Massebestimmung beim Mittlerweile Massebestimmung beim ββ——Zerfall Zerfall

(Abweichung der e(Abweichung der e- - -Energie beim Maximum)-Energie beim Maximum)- Elektrisch neutralElektrisch neutral- Spin: ½Spin: ½- Unterscheidung zum Antiteilchen durch Vorzeichen der Unterscheidung zum Antiteilchen durch Vorzeichen der

elektronischen, myonischen und tauonischen elektronischen, myonischen und tauonischen LeptonenzahlLeptonenzahl

- Wirkungsquerschnitt: ca. 10 Wirkungsquerschnitt: ca. 10 -47 -47 mm22

→ → mittlere freie Weglänge in Hmittlere freie Weglänge in H22O: 30 LichtjahreO: 30 Lichtjahre

- ABER! : ca 70 Mrd. Neutrinos pro cmABER! : ca 70 Mrd. Neutrinos pro cm2 2 Erdoberfläche Erdoberfläche pro Sekunde!!! pro Sekunde!!!

ÜbersichtÜbersicht

NameName SymbolSymbol Elektrische Elektrische LadungLadung

(Ruhemasse (Ruhemasse * c* c22) in MeV) in MeV LebendauerLebendauer GenerationGeneration

ElektronElektron ee -1-1 0,5110,511 StabilStabil 11

Elektron-Elektron-NeutrinoNeutrino

ννee 00 < 5,1* 10< 5,1* 10-6-6 StabilStabil 11

MyonMyon μμ -1-1 105,66105,66 2,197* 102,197* 10-6-6 s s 22

Myon-Myon-NeurinoNeurino

ννμμ 00 < 0,17< 0,17 StabilStabil 22

TauonTauon ττ -1-1 17771777 3,4* 103,4* 10-13-13 s s 33

Tauon-Tauon-NeutrinoNeutrino

ννττ 00 < 71< 71 stabilstabil 33

Projekte zur Messung von Projekte zur Messung von NeutrinosNeutrinos

- Generell verschiedene Arten von Detektoren:Generell verschiedene Arten von Detektoren:

- Radiochemische DetektorenRadiochemische Detektoren- Auf dem Cherenkov-Effekt basierende Auf dem Cherenkov-Effekt basierende

DetektorenDetektoren

Radiochemische DetektorenRadiochemische Detektoren

- Basieren auf dem inversen Basieren auf dem inversen ββ-Zerfall:-Zerfall:

ννee + B(Z) → C(Z+1) + e + B(Z) → C(Z+1) + e--

→→Extraktion der TochterkerneExtraktion der Tochterkerne- Tochterkern C ist instabil: weiterer ZerfallTochterkern C ist instabil: weiterer Zerfall

C(Z+1) + eC(Z+1) + e-- → B(Z) + → B(Z) + ννee

- Messung des dabei emittierten Röntgen-Messung des dabei emittierten Röntgen-PhotonsPhotons

Beispiele für radiochemische DetektorenBeispiele für radiochemische Detektoren

Cl37- Experiment (Homestake)- Seit 1970 in der Homestake Goldmine in South Dakota- 1480m unter der Erdoberfläche- Beobachtete Reaktion: νe + Cl37 → Ar37 + e-

- Nachteil: Nachweisschwelle 0,814 MeV

GALLEX - Gallium Experiment

- Benutzt den Zerfall von Gallium in Germanium νe + 71Ga → 71Ge + e-

- Im Gran Sasso-Massiv (Italien)- Entspricht Tiefe von 3200m Wasser (Abschirmung von kosmischer Strahlung)- Vorteil: Nachweisschwelle nur 0,233 MeV

Ein weiteres Beispiel ist das Projekt ICARUS (Imaging Ein weiteres Beispiel ist das Projekt ICARUS (Imaging Cosmic And Rare Underground Signal).Cosmic And Rare Underground Signal).

νe + 40Ar → e- + 40K

Solares NeutrinodefizitSolares Neutrinodefizit

- Nur ein Bruchteil der erwarteten Neutrinos wurden Nur ein Bruchteil der erwarteten Neutrinos wurden gemessengemessen

Mögliche Gründe:Mögliche Gründe:

1.1. Die radiochemischen Messungen sind falsch Die radiochemischen Messungen sind falsch (Richtung?)(Richtung?)

2.2. Fusionsmodell für die Sonne falsch?Fusionsmodell für die Sonne falsch?

3.3. Unter Annahme einer Ruhemasse Wechsel des Unter Annahme einer Ruhemasse Wechsel des flavours?flavours?

Der Cherenkov-EffektDer Cherenkov-Effekt- Bläulicher Lichtkegel bei Schnellen Elektronen in WasserBläulicher Lichtkegel bei Schnellen Elektronen in Wasser- Lichtgeschwindigkeit in Wasser nur 225.000 km/sLichtgeschwindigkeit in Wasser nur 225.000 km/s- „„Überschall-Kegel“ des LichtsÜberschall-Kegel“ des Lichts- Bestimmung von GeschwindigkeitBestimmung von Geschwindigkeit

und Richtung durch Öffnungund Richtung durch Öffnung

des Kegelsdes Kegels

Super-KamiokandeSuper-Kamiokande

- Basiert auf dem Cherenkov-EffektBasiert auf dem Cherenkov-Effekt- Nachfolger von KamiokandeNachfolger von Kamiokande

(selbes Prinzip)(selbes Prinzip)- 1996 in Betrieb gegangen 1996 in Betrieb gegangen

nahe Kamioka (Japan)nahe Kamioka (Japan)

Technische DatenTechnische Daten

- 1km unter der Erdoberfläche1km unter der Erdoberfläche- 50.000 t hochreines Wasser50.000 t hochreines Wasser

davon 32.000 im Inneren und 18.000 in der Hülledavon 32.000 im Inneren und 18.000 in der Hülle- Hülle zur Abschirmung von kosmischer StrahlungHülle zur Abschirmung von kosmischer Strahlung- Myonen durchdringen die Wand, eMyonen durchdringen die Wand, e-- meist nicht meist nicht- 11.200 Photomultiplier11.200 Photomultiplier

November 2001: Mehrere 1000PMs in Kettenreaktion implodiert

IceCube & IceCube & AmandaAmanda

DetailsDetails

- Forschungseinrichtung am SüdpolForschungseinrichtung am Südpol- AMANDA (Antarctic Muon and Neutrino Detector Array)AMANDA (Antarctic Muon and Neutrino Detector Array)

1997 in Betrieb gegangen1997 in Betrieb gegangen- Teil von IceCubeTeil von IceCube- Bau von IceCube geplant bis 2011Bau von IceCube geplant bis 2011- Gesamtgröße des Teleskops 1kmGesamtgröße des Teleskops 1km33

- Geplant: 4800 Photomultiplier an 80 TrossenGeplant: 4800 Photomultiplier an 80 Trossen- Gesamtkosten 272.000.000 $Gesamtkosten 272.000.000 $

- Neutrinoerzeugung innerhalb der SterneNeutrinoerzeugung innerhalb der Sterne- Durch sehr schwache Wechselwirkung ungehinderte Durch sehr schwache Wechselwirkung ungehinderte

Ankunft auf der Erde nach 8,3 minAnkunft auf der Erde nach 8,3 min- Photonen nur von der SonnenoberflächePhotonen nur von der Sonnenoberfläche- Auch weite Strecken durchs Universum möglichAuch weite Strecken durchs Universum möglich- Bestätigung der flavour-Änderung beim Flug durchs Bestätigung der flavour-Änderung beim Flug durchs

Vakuum durch Kamiokande, etcVakuum durch Kamiokande, etc

Zusammenhang mit der Zusammenhang mit der AstrophysikAstrophysik

Erzeugung der SonnenneutrinosErzeugung der Sonnenneutrinos

4 Protonen fusionieren zu einemHeliumkern unter Emission von 2e+ und 2νe .

4p → He4 + 2e+ + 2νe

Bethe-Weizsäcker-Zyklus Bethe-Weizsäcker-Zyklus (CNO-Zyklus)(CNO-Zyklus)

Supernova SN1987aSupernova SN1987a

- 23.2.198723.2.1987- Meilenstein in der NeutrinophysikMeilenstein in der Neutrinophysik- Innerhalb von 12s messen 2 Cherenkov-Detektoren Innerhalb von 12s messen 2 Cherenkov-Detektoren

EreignisseEreignisse- 11 am Kamiokande11 am Kamiokande- 8 am IMB-Detektor8 am IMB-Detektor- 10 weitere in anderen Anlagen10 weitere in anderen Anlagen- Alle aus der gleichen RichtungAlle aus der gleichen Richtung- Energie der eEnergie der e±± zwischen 7,5 und 36 MeV zwischen 7,5 und 36 MeV- Stunden bevor die Supernova sichtbar wurdeStunden bevor die Supernova sichtbar wurde

Zukunft der NeutrinophysikZukunft der Neutrinophysik

- AMANDA, Super-Kamiokande und andere heute Teil des AMANDA, Super-Kamiokande und andere heute Teil des Supernova Early Warning System (SNEWS)Supernova Early Warning System (SNEWS)

- Weitere Informationen über das Innere von Sternen Weitere Informationen über das Innere von Sternen sowie über die Entstehung des Universumssowie über die Entstehung des Universums

- Detektorsysteme für Kernreaktoren (bisher nur Detektorsysteme für Kernreaktoren (bisher nur Schätzungen über die Menge an erzeugtem Plutonium)Schätzungen über die Menge an erzeugtem Plutonium)

Danke für ihre Danke für ihre Aufmerksamkeit!Aufmerksamkeit!

QuellenQuellen

- N.Schmitz – NeutrinophysikN.Schmitz – Neutrinophysik- Klapdor-Kleingrothhaus/Zuber – TeilchenastrophysikKlapdor-Kleingrothhaus/Zuber – Teilchenastrophysik- Bruni/Navarria/Pelfer – Neutrino and Astroparticle PhysicsBruni/Navarria/Pelfer – Neutrino and Astroparticle Physics- Bilder:Bilder:

- Wikipedia,Wikipedia,

- http://icecube.wisc.edu/index.phphttp://icecube.wisc.edu/index.php- http://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/sk/index1.htmlhttp://www-sk.icrr.u-tokyo.ac.jp/sk/index1.html