Hauptseminar: „Schlüsselexperimente der Elementarteilchenphysik“

Sudbury Neutrino Observatory (SNO)

Benjamin Kehrer04.07.2008

Inhalt

Einführung

Neutrinoquellen

Solare Neutrinos

Das solare Neutrinoproblem

Der SNO-Detektor

Ergebnisse

Die Zukunft von SNO: SNO+

Wo?

Sudbury (Ontario, Kanada)

Creigthon-Mine

2070 m unter der Erde

Was?

Wasser-Cherenkov-Detektor

Untersuchung der solaren Neutrinos

Wann?

1984: Vorschlag und Gründung der

Kollaboration

1999 – 2006: Messungen (3 Phasen)

seither: Rück- und Umbau

SNO: Wo? Was? Wann?

Neutrinoquellen

künstlich

Reaktoren

Beschleuniger

natürlich

Atmosphäre

Supernovae

Sonne

Die Sonne

thermonukleare Fusion zu He4

2 Prozessketten

pp-Kette

CNO-Zyklus

Standard-SonnenModell

Druck

Temperatur

νe-Fluss

Solare Neutrinos Energiespektrum

Solare Neutrinos frühere Experimente

Homestake νe + Cl37 ---> Ar37 + e-

Rexp=0,34 RSSM

GALLEX / SAGE νe + Ga71 ---> Ge71 + e-

Rexp = 0,53 RSSM (GALLEX) Rexp= 0,56 RSSM (SAGE)

Kamiokande νx + e- ---> νx + e-

φexp = 0,49 φSSM

Solare Neutrinosfrühere Experimente

Homestake νe + Cl37 ---> Ar37 + e-

Rexp=0,34 RSSM

GALLEX / SAGE νe + Ga71 ---> Ge71 + e-

Rexp = 0,53 RSSM (GALLEX) Rexp= 0,56 RSSM (SAGE)

Kamiokande νx + e- ---> νx + e-

φexp = 0,49 φSSM

Homestake νe + Cl37 ---> Ar37 + e-

Rexp=0,34 RSSM

GALLEX / SAGE νe + Ga71 ---> Ge71 + e-

Rexp = 0,53 RSSM (GALLEX) Rexp= 0,56 RSSM (SAGE)

Kamiokande νx + e- ---> νx + e-

φexp = 0,49 φSSM

Solare Neutrinosfrühere Experimente

Das solare Neutrinoproblem

Homestake

GALLEX

SAGE

Kamiokande

νe-Flusszu klein!!

SSM

Das solare NeutrinoproblemErklärungsversuche

astrophysikalische Effekte

SSM mit Unsicherheiten behaftet

Zentraltemperatur richtig ?

Korrekte Wirkungsquerschnitte ?

keine Erklärung

Neutrino-Oszillationen

Neutrinos sind nicht masselos

Flavourumwandlungen

νe <---> νµ,τ

Neutrino-Oszillationen

Masse ǂ Flavoureigenzustand

jenseits des Standardmodells

Neutrinos nicht

mehr masselos

Neutrino-Oszillationen

P (νe ---> νe)

Der MSW-Effekt

Mikheyev Smirnov Wolkenstein

Wechselwirkung der ν mit Elektronen in der Sonne

geänderte Parameter

von Elektronendichte

Ne abhängig

m 1,2 ---> m 1,2 m

ν 1,2---> ν 1,2 m

ϴ ---> ϴm

Der MSW-Effekt

Elektronendichte Ne = 0

ϴm= ϴ

ν2m=ν2

= νe sinϴ+νµcosϴ

Ne hoch

ϴm ~ 90°

νe ~ ν2m adiabatisch

Resonanz, ϴm =45°

„Flavourflip“

Der MSW-Effekt

P (νe ---> νe)

Der Detektor Wasser-Cherenkov-Detektor

H20 + D20

Neutrino-Deuteron-

Reaktionen möglich!

Daten:

2070m u.d. Erde

µ-Untergrund

vernachlässigbar

7300 t H20

1000 t D20

9600 PhotoMultiplier Tubes

Der Detektor

Der DetektorNachweisreaktionen

elastische Elektron-Neutrino -Streuung (ES)

ν-Richtung

geladener Strom (CC)

νe-Fluss

νe-Energie

neutraler Strom (NC)

gesamter ν-Fluss

Der DetektorNachweisreaktionen

elastische Elektron-Neutrino -Streuung (ES)

ν-Richtung

geladener Strom (CC)

νe-Fluss

νe-Energie

neutraler Strom (NC)

gesamter ν-Fluss

Der DetektorNachweisreaktionen

elastische Elektron-Neutrino -Streuung (ES)

ν-Richtung

geladener Strom (CC)

νe-Fluss

νe-Energie

neutraler Strom (NC)

gesamter ν-Fluss

Messung

Datenaufbereitung

Cherenkov-Licht:

Ort

Richtung

Intensität

9600PMTs 9 pdf

CC

NC

ESEnergie

Richtung

Ort

Datenaufbereitung

Beispiel: pdf für cosϴsun

CC ES NC

Datenaufbereitung

Winkelverteilung für CC, NS + ES

Die 3 Messphasen

Phase I (Nov. 99 – Mai 01)

reines D20

Phase II (Juli 01 – Sept. 01)

D20 + 2 t NaCl

Cl35 + n ---> Cl36 + γ

Phase III (Okt. 04 – Dez. 06)

NCD-Zählern im D20

n + He3 ---> H3 + p + 764 keV

n-Einfangs-WQ

0,0005 b

x107

5000 b

Die 3 Messphasen

Phase I (Nov. 99 – Mai 01)

reines D20

Phase II (Juli 01 – Sept. 01)

D20 + 2 t NaCl

Cl35 + n ---> Cl36 + γ

Phase III (Okt. 04 – Dez. 06)

NCD-Zählern im D20

n + He3 ---> H3 + p + 764 keV

Die 3 Messphasen

Phase I (Nov. 99 – Mai 01)

reines D20

Phase II (Juli 01 – Sept. 01)

D20 + 2 t NaCl

Cl35 + n ---> Cl36 + γ

Phase III (Okt. 04 – Dez. 06)

NCD-Zählern im D20

n + He3 ---> H3 + p + 764 keV

Ergebnisse

Neutrinofluss [106 cm-2 s-1]

φCC (SNO) = 1,76 ± 0,10

φNC (SNO) = 5,09 ± 0,62

φES (SNO) = 2,39 ± 0,26

Variablentransformation:

φ (νe) = 1,76 ± 0,10

φ (νµ,τ) = 3,41 ± 0,65

φSSM (νe,µ,τ) = 5,05 ± 1,3

Ergebnisse

Solare Neutrinos

nicht nur νe

Gesamtfluss im Einklang mit dem

SSM

Neutrinos oszillieren!

Ergebnisse

Solare Neutrinos:

nicht nur νe

Gesamtfluss im Einklang mit dem

SSM

Neutrinos oszillieren!

Lösung des Solaren Neutrinoproblems!

Ergebnisse

Δm2 = 4,57 x 10-5 eV2

Θ=33,7°

Ausblick auf SNO+

•D20 durch Aerogel ersetzt

• Suche nach dem neutrinolosen Doppel-β-Zerfall

Majorana-Neutrinos?

• pep-Neutrinos

• CNO-Neutrinos

• Geoneutrinos

Quellen

SNO-Homepage: http://www.sno.phy.queensu.ca/

Dr. A. Denig: VL-Skript: „Teilchenphysik für Fortgeschrittene“

Prof. G. Drexlin: VL-Skript „Astroteilchenphysik II“

N. Schmitz: Buch „Neutrinophysik“

N. Schmitz: VL „Neutrinophysik“

S. Boelzle: Vortrag „Neutrino-Oszillationen und der MSW-Effekt“